Kurzfassung
Die auf der Blutoxygenierung basierende funktionelle Magnetresonanztomographie wird genutzt um die Funktion des zentralen Nervensystems zu untersuchen. Es ist bereits gut etabliert in Studien des menschenlichen Gehirns, und ist auch zunehmend im menschlichen Rückenmark untersucht worden. Die kombinierte funktionelle Magnetresonanztomographie für Gehirn und Rückenmark, die für die Untersuchung der Interaktion zwischen diesen beiden Regionen des zentralen Nervensystems eingesetzt wird, ist auf Grund von unterschiedlichen Geometrien, Zeitpunkten und Shim-Einstellungen, die normalerweise für die einzelnen Regionen benutzt werden, herausfordernd. Die Einstellung der Shim-Parameter war umständlich, zeitaufwändig und benutzerabhängig, und lieferte keine zufriedenstellende Ergebnisse und scheiterte sogar manchmal. Außerdem konnte nur eine begrenzte Volumenabdeckung erreicht werden. Daher war die kombinierte Gehirn und Rückenmark funtionelle Magnetresonanztomographie nicht in mehr klinischen Anwendungsgebieten einsetzbar.
Diese Arbeit adressiert die oben genannten Probleme. Es wurde nicht nur die Leistung der kombinierten Gehirn- und Rückenmark-T2* gewichteten MR Bildgebung verbessert und im Phantom und in vivo nachgewiesen sondern auch die Benutzerfreundlichkeit in der Forschung und in klinischen Studien wurde erhöht. Durch einen dezidierten regionalen Shim Algorithmus wurde die Feldhomogenität gesteigert, wodurch Artifakte der Echoplanarbildgebung, wie zum Beispiel geometrische Verzerrungen und Signalverluste, reduziert werden konnten. Die Berechnung des optimalen Z-Shims konnte, ohne Verluste in der Bildqualität, automatisiert werde. Diese Berechnung ist dadurch zeitsparender als zuvor und auch benutzerunabhängig. Mit der “Simultaneous Multi-Slice” Methode, die auf das Gehirnvolumen angewendet wurde, konnten sowohl die Volumenabdeckung als auch die zeitliche Auflösung für die kombinierte Gehirn- und Rückenmark-T2* gewichtete Bildgebung verbessert werden. Die Bildrekonstruktion wurde geändert, um parallel zur Messung die Bilder zu berechnen und die nachträgliche Rekonstruktion abzulösen. Es wurde begonnen, eine Bewegungsdetektion, die ein Navigatorecho der Echoplanarbildsequenz nutzt, für die Wirbelsäule zu entwickeln. Damit konnte die Veränderung der Position der Wirbelsäule mittels der periodischen Anordnung der Wirbel und Bandscheiben gezeigt werden. Durch diese Verbesserungen wird das Potenzial der kombinierten Gehirn- und Rückenmark-T2* gewichteten MR Bildgebung gesteigert und die Anwendbarkeit erweitert.
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) based on the blood oxygen level-dependent contrast is used to study the function of the central nervous system non-invasively in vivo and has become an important tool in neuroscience and biomedical research. It has been well-established in the human brain for decades and has more recently been increasingly investigated in the human spinal cord. Combined brain and spinal cord fMRI, which can be used to investigate the interaction between these two regions of the central nervous system, is still challenging due to the different geometries, timings, and shim settings that typically would be used for the individual regions. The shimming procedure was cumbersome, time- consuming, and user-dependent; the result was not optimal and sometimes failed. Additionally, the volume coverage was limited. Therefore, the combined brain and spinal cord fMRI was not feasible for more clinical applications. In this thesis, these issues are addressed. Not only the performance of combined brain and spinal cord T2* weighted MR Imaging has been improved, as is demonstrated in phantom and in vivo experiments, but also its applicability in research and clinical studies has been facilitated considerably. It is shown that a dedicated region-wise shim algorithm increases field homogeneity, which reduces the image artifacts of echo planar imaging, like geometric distortions and signal losses. The procedure to determine the optimum z- shim values has been automatized, which is less time-consuming and not user-dependent, without affecting the image quality. The implementation of the simultaneous multi-slice acquisition method for the brain volume improves the volume coverage and/or temporal resolution for the brain and spinal cord combined T2* weighted image. The image reconstruction has been extended to support on-the-fly image calculation with full functionality without the need for retrospective reconstruction as in previous applications. First steps towards a navigator-based motion detection of the spine have been performed by a navigator echo implemented in the echo planar image sequence, which shows that with the anatomic character of the vertebrae and intervertebral disc, the displacement of the spine along the slice direction can be detected. With these improvements, the performance and applicability of brain and spinal cord combined acquisitions have been improved considerably, not only facilitating its usage in basic research but also paving its way into clinical applications.