DE102013200058B3 - Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums - Google Patents

Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums Download PDF

Info

Publication number
DE102013200058B3
DE102013200058B3 DE102013200058.8A DE102013200058A DE102013200058B3 DE 102013200058 B3 DE102013200058 B3 DE 102013200058B3 DE 102013200058 A DE102013200058 A DE 102013200058A DE 102013200058 B3 DE102013200058 B3 DE 102013200058B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
spectrum
feature vector
feature
assignment
raw data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102013200058.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Christina Bauer
Martin Berger
Thomas Blum
Christian Schuster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthineers Ag De
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102013200058.8A priority Critical patent/DE102013200058B3/de
Priority to US14/146,868 priority patent/US9618597B2/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102013200058B3 publication Critical patent/DE102013200058B3/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/54Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
    • G01R33/56Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
    • G01R33/5608Data processing and visualization specially adapted for MR, e.g. for feature analysis and pattern recognition on the basis of measured MR data, segmentation of measured MR data, edge contour detection on the basis of measured MR data, for enhancing measured MR data in terms of signal-to-noise ratio by means of noise filtering or apodization, for enhancing measured MR data in terms of resolution by means for deblurring, windowing, zero filling, or generation of gray-scaled images, colour-coded images or images displaying vectors instead of pixels
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/46NMR spectroscopy
    • G01R33/4625Processing of acquired signals, e.g. elimination of phase errors, baseline fitting, chemometric analysis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Auswertung der Rohdaten eines Spektrums mit den Schritten: – Anwenden wenigstens eines Nachverarbeitungsverfahrens auf die Rohdaten, wodurch ein prozessiertes Spektrum erhalten wird, – Verringerung der Anzahl der das prozessierte Spektrum darstellenden Zahlenwerte zu einem Merkmalsvektor und – Zuordnung des Merkmalsvektors zu einer aus mehreren Gruppen bekannter Merkmalsvektoren. Die Erfindung betrifft ferner ein Magnetresonanzgerät.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Magnetresonanzgerät zur automatisierten Auswertung der Rohdaten eines Spektrums.
  • Es ist bekannt, dass Magnetresonanz-Spektren die Möglichkeit bieten, Stoffwechselvorgänge im menschlichen Körper zu untersuchen. Weiterhin ist es bekannt, Spektren und insbesondere Magnetresonanzspektren von Werkstoffen aufzunehmen, um aus diesen Spektren beispielsweise Rückschlüsse auf den Alterungszustand des Werkstoffs abzuleiten.
  • Dabei werden entweder Signalintensitäten bestimmter Resonanzen ermittelt oder relative Signalintensitätsverhältnisse gebildet. Diese Signalintensitäten oder relativen Signalintensitätsverhältnisse sind charakteristisch für einen bestimmten Zustand des untersuchten Objekts, da die Signalintensität einer Resonanz direkt mit der Konzentration des entsprechenden Stoffes korreliert.
  • Zur Ermittlung der Signalintensitäten wird die Fläche unter dem Spektrum in einem bestimmten Frequenzbereich, nämlich unter einem sogenannten Peak, ausgemessen. Die Verwendung einer einzelnen Signalintensität ist oft nicht möglich, da die Signalintensität von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, unter anderem der Echozeit, der Repetitionszeit, dem receiver gain, der verwendeten Aufnahmesequenz, und einer Vielzahl weiterer Größen. Daher werden üblicherweise relative Signalintensitätsverhältnisse zweier Resonanzen im Spektrum miteinander verglichen.
  • Die Signalintensitäten werden üblicherweise dadurch ermittelt, dass das Spektrum angefittet wird.
  • Neben der Untersuchung von Werkstoffen werden MR-Spektren auch herangezogen, um Metabolitenkonzentrationen bzw. -verhältnisse in Geweben von Patienten zu untersuchen, da diese Konzentrationen durch Krankheiten normalerweise definiert verändert werden. Es ist bekannt, dass beispielsweise in gesundem Gehirngewebe das relative Signalverhältnis von N-Acetyl-Aspartyl (NAA) zu Kreatin (Kr) bei 2,0 liegt, während es in Tumorgewebe auf Werte kleiner als 1,6 sinkt. Vor Durchführung der Befundung müssen die entsprechenden Literaturwerte erst einmal aufgefunden werden. Entsprechendes gilt selbstverständlich für die Werkstoffkontrolle bzw. -untersuchung.
  • Dies führt dazu, dass entweder ein und dasselbe Spektrum bei mehreren auswertenden Personen zu unterschiedlichen Ergebnissen führt oder alternativ die Auswertung eines Spektrums extrem aufwändig und zeitintensiv ausfällt und trotzdem die Auswertungsergebnisse eine Restunsicherheit beinhalten.
  • S. Mahadevan et al., Feature selection an classification of metabolomic data using support vector machines”, 10th International IFAC Symposium an Computer Applications in Biotechnology, 2004, Cancun/Mexlko; Preprints Vol, 1, S. 39–44 beschreibt ein Verfahren zur Auswertung von MR-Spektren menschlicher Harnproben. Die Spektren werden analysiert, um sie automatisch zu klassifizieren.
  • Die US 2006/0249668 A1 betrifft ein Verfahren zur Auswertung der Spektren eines Massenspektrometers. Dabei werden die Messspektren vor einem Vergleich mit abgespeicherten Spektren gefiltert, um den Vergleichsprozess zu verbessern und so abzukürzen.
  • US 2011/0028827 A1 offenbart ein Verfahren zur Klassifizierung von Gehirnzuständen. Um Messdaten von Gehirnen als Brain-Computer-Interfaces verwenden zu können müssen die Messdaten ausgewertet werden. Dabei werden auch statistische Verfahren wie Unabhängigkeitsanalyse oder Support Vector Machine eingesetzt.
  • G. Fan et al, Classification of high-resolution NMR spectra based an complex wavelet domain feature selection and kernelinduced random forest”, International Conference an Image and Signal Processing (ICISP10), 2010, Trois-Rivleres/Kanada, S. 2010, S. 1–8 beschreibt eine Merkmalsanalyse von MR-Spektren mittels einer Wavelet-Analyse.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Magnetresonanzgerät anzugeben, das eine vereinfachte Spektrenauswertung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Auswertung von Rohdaten eines Spektrums gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt ein oder mehrere Nachverarbeitungsverfahren auf die Rohdaten des Spektrums angewandt. Diese dienen der verbesserten Auswertbarkeit des Spektrums und werden im Folgenden für die Rohdaten eines MR-Spektrums dargestellt.
  • Als Rohdaten liegt üblicherweise ein sogenannter free induction decay (FID), ein freier Induktionsabfall, vor. Bereits an diesem können Nachverarbeitungsverfahren vollzogen werden. Wird der bearbeitete oder unbearbeitete FID Fouriertransformiert, so erhält man ein Spektrum. Auch auf dieses können Nachverarbeitungsverfahren angewandt werden.
  • Ein mögliches Nachverarbeitungsverfahren ist die Basislinienkorrektur. Dabei wird beispielsweise der Mittelwert der letzten Punkte eines FIDs berechnet und dieser Mittelwert von jedem Punkt im FID abgezogen. Die Basislinienkorrektur ist also eines der ersten Nachverarbeitungsverfahren.
  • Weiterhin kann eine Apodisierung vorgenommen werden, bei der der FID mit einer Gewichtungsfunktion multipliziert wird. Bekannt sind unter anderem das Hannig-Fenster und das Hamming-Fenster. Durch diese Gewichtung kann je nach Gewichtungsfunktion entweder die spektrale Auflösung verbessert oder das Signal-Rausch-Verhältnis SNR gesteigert werden. Bei der Verbesserung einer der beiden Eigenschaften wird die andere üblicherweise verschlechtert, eine gleichzeitige Verbesserung beider Eigenschaften durch eine einzige Gewichtungsfunktion ist nicht möglich.
  • Um die Auflösung des Fourier-transformierten Spektrums zu erhöhen ist es in einer Ausgestaltung möglich, den FID mit Null-Werten am Ende zu erweitern. Man kann die Größe eines FIDs so von 128 Datenpunkten auf 256, 512 oder 1024 Datenpunkte erweitern, ohne diese aufnehmen zu müssen. Im Spektrum macht sich dieses als Zero Padding oder Zerofilling bekannte Verfahren als Interpolation bemerkbar.
  • Der Fourier-transformierte FID kann weiterhin einer Phasenkorrektur unterzogen werden. Dabei wird die Phase des komplexwertigen Signals so angepasst, dass der Realteil nur rein absorptive Signale zeigt.
  • Zusätzlich kann das Spektrum normalisiert werden.
  • Als Nachverarbeitungsverfahren für die Unterdrückung einer übrigbleibenden Wasserresonanz wird eine ”Hankel Singular Value Decomposition” (HSVD) angewandt.
  • Abschließend können in einer Ausgestaltung ein oder mehrere Frequenzbereiche selektiert werden. Durch diesen Nachverarbeitungsschritt kann der Rechenaufwand bei den folgenden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert werden.
  • Nach dem Durchführen einiger oder aller der geschilderten oder weiterer Nachverarbeitungsverfahren liegt ein prozessiertes Spektrum vor. Um den weiter unten erläuterten Vergleich bzw. die Zuordnung von Spektren ohne Fehler vornehmen zu können, sollten die vorgenommenen Nachverarbeitungsschritte gleich bleiben.
  • Im nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anzahl der das Spektrum darstellenden Zahlenwerte verringert und üblicherweise dabei auch verändert. Dieser Schritt ist auch unter dem Namen „feature extraction” bekannt. Die Grundidee dabei ist, dass ein Spektrum beispielsweise bereits über die (Maximal-)Werte bestimmter Peaks ausreichend charakterisiert ist.
  • Allerdings wird im Gegensatz zum einführenden Beispiel betreffend die Angabe des NAA-/Kr-Verhältnisses nicht einfach auf die Maximalintensitäten oder Flächeninhalte bestimmter Peaks zurückgegriffen, vielmehr werden statistische Verfahren herangezogen, um das prozessierte Spektrum mittels eines Merkmalsvektors darzustellen.
  • Im letzten Schritt wird der Merkmalsvektor einer oder mehreren Gruppen aus Merkmalsvektoren zugeordnet. Diese bekannten Merkmalsvektoren wurden in einer Trainingsphase aus Spektren ermittelt, die anhand eines Goldstandards klassifiziert, bewertet oder anders untersucht wurden. In der Trainingsphase findet also eine Klassifikation von Spektren statt, die durch weitergehende Untersuchungen aufgefunden wird. Bei Patienten kann das Gewebe, aus dem Signale akquiriert wurden, mittels einer Biopsie untersucht werden; Werkstücke können zerstört werden, um diese im Inneren zu analysieren. Während der Trainingsphase werden die Parameter der Klassifizierer, mittels derer die Zuordnung stattfindet, geschätzt.
  • Dadurch finden nur in der Trainingsphase zusätzlich zur Aufnahme von Spektren weitergehende Untersuchungen statt. Insbesondere erfolgt auch nur in dieser Phase eine Diagnose und Zuordnung zu einer Klasse des entnommenen Gewebes bzw. des Werkstücks. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird lediglich die Ähnlichkeit eines Spektrums zu bereits aufgenommenen Spektren anhand der Merkmalsvektoren festgestellt.
  • Zur Ermöglichung der Zuordnung der Spektren wird daher in der Trainingsphase eine Wissensbasis erstellt. Den Spektren aus der Trainingsphase können ein oder mehrere Eigenschaften zugeordnet sein, beispielsweise das Geschlecht oder Alter des Patienten, die untersuchte Körperregion oder eine bestimmte Erkrankung. Im Falle einer Tumorerkrankung können in der Biopsie diagnostizierte Tumorarten oder Malignitätsgrade mit den jeweiligen Spektren bzw. Merkmalsvektoren verknüpft sein. Im Falle einer Werkstoffprüfung kann der Werkstoff beispielsweise einer der Klassen „neu”, „jünger als zwei Jahre”, „jünger als fünf Jahre” und „veraltet” zugeordnet werden. Die in der Trainingsphase bewerteten Spektren können auch hinsichtlich mehrerer Eigenschaften gleichzeitig gruppiert bzw. klassifiziert sein.
  • Die Zuordnung des aktuell gemessenen Spektrums kann absolut erfolgen oder mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten. So können einem Spektrum in Bezug beispielsweise auf WHO-Malignitätsgrade I–IV je eine Wahrscheinlichkeit zugeordnet werden. Diese besagt, dass das gemessene Spektrum mit einer ersten Wahrscheinlichkeit in der Gruppe liegt, in der die mit der Eigenschaft „Malignitätsgrad I” versehenen Merkmalsvektoren liegen, mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit in der Gruppe „Malignitätsgrad II”, etc. Die Bewertung dieser rein statistischen Zahlenwerte folgt anschließend und liegt nicht mehr im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Mit besonderem Vorteil können die Rohdaten des Spektrums mit SVS- oder CSI-Verfahren aufgenommen werden. Derartige Verfahren erlauben eine Eingrenzung des Volumens, aus dem Signale empfangen werden. Dadurch kann das Spektrum von Störsignalen außerhalb des interessierenden Volumens bereinigt werden. Bei einer Werkstoffprüfung kann das Untersuchungsvolumen auf diese Art und Weise auf den zu untersuchenden Werkstoff begrenzt werden, während das den Werkstoff umgebende Material keinerlei Signalbeitrag im Spektrum liefert. Bei Gehirnuntersuchungen wird das Untersuchungsvolumen so auf das Areal des Tumors eingegrenzt.
  • Vorzugsweise kann der Merkmalsvektor mittels Binning ermittelt werden. Beim Binning wird eine bestimmte Anzahl nebeneinanderliegender Datenpunkte des prozessierten Spektrums zu einem neuen Datenpunkt zusammengefasst. Nimmt man beispielsweise acht Datenpunkte, so wird ein 128 Datenpunkte aufweisende Spektrum zu einem Merkmalsvektor mit 16 Elementen reduziert.
  • Alternativ kann der Merkmalsvektor mittels einer Unabhängigkeitsanalyse (ICA) oder Sammon mapping berechnet werden. Grundsätzlich kann jedes statistische Verfahren, das eine „feature extraction” ermöglicht, verwendet werden. Die oben explizit aufgeführten Verfahren haben sich aber als besonders verlässlich erwiesen.
  • Vorteilhafterweise kann der Merkmalsvektor mittels einer Hauptkomponentenanalyse ermittelt werden. Dabei werden entweder die Maximalwerte der Peaks, die aufintegrierten Flächeninhalte der Peaks oder das Spektrum als solches herangezogen. In einer weiteren Ausgestaltung können auch die Signalintensitätsverhältnisse vorgegebener Peaks herangezogen werden. Die Anzahl der Peaks oder Signalintensitätsverhältnisse bestimmt die Anzahl der Dimensionen, von denen aus die Hauptkomponentenanalyse gestartet wird.
  • Vorteilhafterweise kann als relatives Signalintensitätsverhältnis das Verhältnis der Signalintensität eines NAA-Peaks und eines Kreatin-Peaks verwendet werden. Zusätzlich kann als relatives Signalintensitätsverhältnis das Verhältnis der Signalintensität eines NAA-Peaks und eines Cholin-Peaks benutzt werden. Weiterhin können auch Lipid, Laktat oder Glutamin zur Bildung eines relativen Signalintensitätsverhältnisses herangezogen werden. Diese Substanzen werden zusammenfassend auch Stoffwechselprodukte oder Metabolite genannt. Die Änderung der jeweiligen Signalintensitäten zeigt wie oben bereits beschrieben eine Veränderung der Metabolitenkonzentrationen an.
  • Die Auswertung der relativen Signalintensitäten der Metaboliten erlaubt daher eine Zuordnung eines Tumors zu einem bestimmten Tumortyp oder eine Einordnung in einem Malignitätsgrad. Aufgrund der automatisierten Klassifizierung des Spektrums und damit des Tumors ist die Verlässlichkeit der Analyse des Spektrums erhöht. Selbstverständlich ersetzt die automatisierte Klassifizierung eines Spektrums keine Diagnose, es handelt sich hierbei lediglich um einen Vorschlag zur Zuordnung des aktuell gemessenen Spektrums zu einer vorher gemessenen und eingeteilten Gruppe von Spektren.
  • Daneben existieren weitere Möglichkeiten, einen Tumor zu klassifizieren. Beispielsweise kann wie oben beschrieben mittels einer Biopsie aus dem Tumorgewebe eine Probe entnommen werden, die dann pathologisch untersucht wird. Dieses Verfahren erlaubt eine hundertprozentig verlässliche Bestimmung des Tumortyps sowie des Malignitätsgrads. Allerdings ist eine Biopsie invasiv, weshalb es wünschenswert ist, sie durch ein nichtinvasives Verfahren zu ersetzen.
  • Mit besonderem Vorzug kann die Klassifizierung des Merkmalsvektors anhand eines linearen Klassifizierers, insbesondere eine Support Vector Machine (SVM), berechnet werden. Eine Support Vector Machine unterteilt eine Menge von Trainingsdaten so in Gruppen, dass der Abstand derjenigen Merkmalvektoren, die am nächsten zur jeweiligen Trennlinie oder Trennebene liegen, maximiert ist. Dadurch wird eine spätere Zuordnung von Merkmalsvektoren unbekannter Gruppenzugehörigkeit verbessert.
  • Statt einer linearen Support Vector Machine können auch andere lineare Klassifizierer wie LDA (linear discriminant analysis) basierte Klassifizierer eingesetzt werden.
  • Alternativ kann die Zuordnung des Merkmalsvektors anhand eines nichtlinearen Klassifizierers, insbesondere einer Support Vector Machine mit RBF-Kernel, berechnet werden. Andere mögliche nichtlineare Klassifizierer sind quadratic discriminant analysis (QDA) oder random forest classifier (RFC).
  • In jedem Fall ist das Ergebnis der Mustererkennung sowie der Klassifizierung einer Kontrolle zu unterziehen. Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Bereitstellung einer reproduzierbaren Zuordnung zu bereits klassifizierten Spektren bzw. deren Merkmalsvektoren.
  • Die Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird außerdem durch ein Magnetresonanzgerät erzielt. Dieses umfasst neben einer Steuerungseinheit auch eine Feature Extraction Einheit und eine Klassifizierungseinheit. Die Feature Extraction Einheit und die Klassifizierungseinheit können vorzugsweise als Computerprogrammprodukt ausgebildet sein, die als Eingangswerte ein prozessiertes Spektrum verwenden und daraus die Zuordnung zu einer Klasse erstellen.
  • Die Implementierung der vorgenannten Verfahren in der Steuervorrichtung kann dabei als Software erfolgen.
  • Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens korrespondieren zu entsprechenden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird somit auf die entsprechenden Verfahrensmerkmale und deren Vorteile verwiesen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Dabei zeigen
  • 1 ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät,
  • 2 ein Ablaufschema zum Anlernen einer Wissensbasis, und
  • 3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 1. Dieses umfasst eine Feature Extraction Einheit 2, eine Klassifizierungseinheit 3 und eine Wissensbasis 4. Zur Anzeige der Spektren 6, Bilddaten 7, etc. ist eine Anzeigeeinheit 5 vorgesehen.
  • Die Feature Extraction Einheit 2 und die Klassifizierungseinheit 3 können eigenständige Vorrichtungen sein, sie können aber auch als Computerprogrammprodukt auf einer Steuerungseinrichtung 8 des Magnetresonanzgeräts 1 implementiert sein.
  • Weiterhin umfasst das Magnetresonanzgerät 1 einen Datenspeicher 9 zur Abspeicherung der Spektren 6 und Bilddaten 7. Zusätzlich beherbergt der Datenspeicher 9 auch die Wissensbasis 4. Diese kann als einfache Datei oder als Datenbank ausgebildet sein.
  • In einer alternativen Ausgestaltung befindet sich die Wissensbasis 4 auf einem über das Internet oder ein anderes Netzwerk zugängliche Server, auf den die Steuerungseinrichtungen einer Vielzahl von Magnetresonanzgeräten Zugriff haben. Dadurch wird die Aktualisierung der Daten vereinfacht.
  • Bei Ausbildung der Wissensbasis 4 als selbstlernendes System ist es selbstverständlich vorteilhaft, wenn eine Vielzahl an Benutzern zum Anwachsen der Datenbasis beiträgt, wodurch die Quantität der Daten rasch ansteigt.
  • 2 zeigt ein Ablaufschema zum Anlernen einer Wissensbasis. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Wissens- oder Datenbasis zur Klassifizierung von Gehirntumoren mittels 1H-Magnetresonanzspektren erstellt. Hierfür werden von einer Anzahl Probanden, beispielsweise 500, in Schritt S1 Protonenspektren des Gehirns aufgenommen. Die Signale, aus denen die Spektren generiert werden, werden auf den Bereich des zu untersuchenden Gewebes, also insbesondere des potentiellen Tumors, begrenzt. Als Aufnahmeverfahren wird daher eine SVS- oder CSI-Messung durchgeführt.
  • Nach Aufnahme der Magnetresonanzspektren wird an jedem Patienten auch eine Biopsie durchgeführt (Schritt S2). Eine Biopsie ist zwar ein invasiver Eingriff, jedoch stellt sie den Goldstandard dar, da mit einer Biopsie die Festlegung eines Tumortyps und/oder Malignitätsgrades mit der geringsten Fehlerrate möglich ist. Zum verlässlichen Trainieren der Wissensbasis 4 werden daher medizinisch notwendige Eingriffe ausgenutzt, um die Spektren zu klassifizieren.
  • Als Schritt S3 wird jedem Spektrum 6 der Wissensbasis genau eine mittels der Biopsie gewonnene Klassifikation bzw. Gruppe zugewiesen. Neben der festgestellten oder bekannten Erkrankung könnte diese beispielsweise auch das Geschlecht, das Alter, das Merkmal Raucher/Nichtraucher und/oder Alkoholiker/Nichtaklkoholoker etc. sein. Es ist also möglich, einem Spektrum bzw. dem entsprechenden Merkmalsvektor eine Vielzahl an Gruppenzugehörigkeiten zuzuweisen, die je nach Fragestellung abgerufen werden. Dabei existiert in jeder Wissensbasis eine Gruppenzugehörigkeit pro Spektrum.
  • Die folgende Tabelle ist aus Lanfermann, H. et al, Bedeutung der 1H-Spektroskopie bei der Differenzialdiagnose und Graduierung intrakranieller Tumoren. Deutsches Ärzteblatt, Heft 10 (2004), 649–655 bekannt.
    Cho Kr NAA Lac Lip AS
    Astrozytom I-II + - 0 0 0
    Astrozytom III ++ - - + 0 0
    Astrozytom IV +++ -- -- + + 0
    Metastase ++ -- -- + ++ 0
    Abszess - -- + + ++
  • Diese zeigt die Änderung verschiedener Metabolitenkonzentrationen (Cho: Cholin, Kr: Kreatin, NAA: N-Acetyl-Aspartyl, Lac: Laktat, Lip: Lipide, AS: Aminosäuren) im Vergleich zu gesundem Gehirngewebe auf. Der ersten Zeile ist beispielsweise zu entnehmen, dass bei Astrozytomen I. und II. Grades die Konzentration an NAA im Vergleich zu gesunden Gehirngewebe erniedrigt ist, angezeigt durch das Minuszeichen, während die Konzentration an Cholin ansteigt, verdeutlicht durch das Pluszeichen. Infolgedessen sinkt auch das relative Signalintensitätsverhältnis von NAA zu Cholin. Dieses Verhältnis sinkt immer weiter mit zunehmendem Malignitätsgrad.
  • Der Tabelle sind lediglich Tendenzen zu entnehmen. Zum Trainieren der Wissensbasis ist es aber notwendig, konkrete Zahlenwerte und Wertebereiche festzuhalten. Diese konkreten Zahlenwerte lassen sich unter Verwendung eines Mustererkennungsverfahrens reproduzierbar ermitteln. Die so ermittelten Wertebereiche werden in der Wissensbasis 4 abgespeichert (Schritt S4).
  • Die Wissensbasis 4 kann als Datei oder als Datenbank ausgebildet sein.
  • 3 zeigt die Klassifizierung eines aufgenommenen Spektrums. Mit dem Magnetresonanzgerät 1 wird wenigstens ein Magnetresonanzspektrum aufgenommen, es können auch ein oder mehrere Bilddatensätze akquiriert werden (Schritt S5).
  • In Schritt S6 wird das prozessierte Spektrum an die Reduzierungseinheit 2 übermittelt. Die Feature Extraction Einheit 2 ermittelt aus dem Spektrum einen Merkmalsvektor.
  • Dann wird der durch die Feature Extraction Einheit 2 ermittelte Merkmalsvektor an die Klassifizierungseinheit 3 weitergegeben. Die Klassifizierungseinheit 3 ermittelt die Zuordnung des Merkmalsvektors zu einer Gruppe aus der Wissensbasis 4 (Schritt S7).
  • Anschließend werden das Klassifizierungsergebnis sowie das Spektrum und ebenfalls mit dem Magnetresonanzgerät 1 aufgenommene Bilder an einer Anzeigeeinheit 5 dargestellt. Anhand dieser Daten kann ein Arzt nun eine Diagnose vornehmen.
  • Die Klassifizierung eines Spektrums mit medizinischem Hintergrund ist rein exemplarisch. Das erfindungsgemäße Verfahren kann überall eingesetzt werden, wo eine reproduzierbare Klassifizierung benötigt wird. Weitere Anwendungsfälle sind beispielsweise, wie bereits beschrieben, die Werkstoffkontrolle oder die Lebensmittelchemie.

Claims (9)

  1. Verfahren zur automatisierten Auswertung der Rohdaten eines Spektrums mit den Schritten: – Anwenden wenigstens eines Nachverarbeitungsverfahrens auf die Rohdaten, wodurch ein prozessiertes Spektrum erhalten wird, wobei als ein Nachverarbeitungsverfahren eine Wasserunterdrückung mittels Hankel Singular Value Decomposition angewandt wird, – Verringerung der Anzahl der das prozessierte Spektrum darstellenden Zahlenwerte zu einem Merkmalsvektor und – Zuordnung des Merkmalsvektors zu einer aus mehreren Gruppen bekannter Merkmalsvektoren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spektrum ein Magnetresonanzspektrum, insbesondere ein Protonenspektrum, aufgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohdaten des Spektrums mit einer SVS- oder CSI-Messung aufgenommen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsvektor mittels Binning ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsvektor mittels einer Hauptkomponentenanalyse ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsvektor mittels einer Unabhängigkeitsanalyse oder Sammon Mapping berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Merkmalsvektors anhand eines linearen Klassifizierers, insbesondere einer Support Vector Machine, berechnet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Merkmalsvektors anhand eines nichtlinearen Klassifizierers, insbesondere einer Support Vector Machine mit RBF-Kernel, berechnet wird.
  9. Magnetresonanzgerät (1) mit einer Steuerungseinheit (8), ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Feature Extraction Einheit (2), einen Datenspeicher (9) und eine Klassifizierungseinheit (3) aufweist, wobei die Klassifizierungseinheit (3) zur Zuordnung des von der Feature Extraction Einheit (2) erhaltenen Merkmalsvektors zu abgespeicherten Gruppen von Merkmalsvektoren im Datenspeicher (9) ausgebildet ist.
DE102013200058.8A 2013-01-04 2013-01-04 Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums Active DE102013200058B3 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013200058.8A DE102013200058B3 (de) 2013-01-04 2013-01-04 Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums
US14/146,868 US9618597B2 (en) 2013-01-04 2014-01-03 Method and magnetic resonance apparatus for automated analysis of the raw data of a spectrum

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013200058.8A DE102013200058B3 (de) 2013-01-04 2013-01-04 Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102013200058B3 true DE102013200058B3 (de) 2014-06-26

Family

ID=50879073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013200058.8A Active DE102013200058B3 (de) 2013-01-04 2013-01-04 Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9618597B2 (de)
DE (1) DE102013200058B3 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018028789A1 (de) * 2016-08-11 2018-02-15 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und anordnung zur feststellung von zumindest einer, insbesondere pathologischen, implikation

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11372068B2 (en) * 2016-01-19 2022-06-28 SECRETARY, DEPARTMENT OF ELECTRONICS AND INFORMATION TECHNOLOGY (DeitY) Method for metabolite signal quantitation for magnetic resonance spectroscopy data
CN108645920B (zh) * 2018-04-09 2020-12-22 华南理工大学 一种基于去噪和对齐的钢轨超声探伤的直达波抑制方法
CN109165432B (zh) * 2018-08-09 2022-12-13 厦门理工学院 一种基于部分奇异值和的磁共振波谱重建方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060249668A1 (en) * 2005-05-05 2006-11-09 Palo Alto Research Center Incorporated Automatic detection of quality spectra
US20110028827A1 (en) * 2009-07-28 2011-02-03 Ranganatha Sitaram Spatiotemporal pattern classification of brain states

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6835572B1 (en) * 1999-10-18 2004-12-28 Institute For Magnetic Resonance Research Magnetic resonance spectroscopy of breast biopsy to determine pathology, vascularization and nodal involvement
US20070221835A1 (en) * 2006-03-06 2007-09-27 Daniel Raftery Combined Spectroscopic Method for Rapid Differentiation of Biological Samples
GB2449412B (en) * 2007-03-29 2012-04-25 Hewlett Packard Development Co Integrating object detectors
US7783433B2 (en) * 2007-05-22 2010-08-24 Honeywell International Inc. Automated defect detection of corrosion or cracks using SAFT processed Lamb wave images
US20090247860A1 (en) * 2007-10-25 2009-10-01 Research Foundation Of State University Of New York Spectral biomarker and algorithm for the identification and detection of neural stem and progenitor cells and their use in studying mammalian brains
US20110218948A1 (en) * 2009-12-15 2011-09-08 Fabricio Benevenuto De Souza Methods for detecting spammers and content promoters in online video social networks
BR112013012068B1 (pt) * 2010-11-17 2020-12-01 Pioneer Hi-Bred International, Inc. método imparcial para prever o fenótipo ou traço de pelo menos uma planta independente

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060249668A1 (en) * 2005-05-05 2006-11-09 Palo Alto Research Center Incorporated Automatic detection of quality spectra
US20110028827A1 (en) * 2009-07-28 2011-02-03 Ranganatha Sitaram Spatiotemporal pattern classification of brain states

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. Fan et al. "Classification of high-resolution NMR spectra based on complex wavelet domain feature selection and kernel-induced random forest", International Conference on Image and Signal Processing (ICISP10), 2010, Trois-Rivières/Kanada, S. 2010, S. 1-8 *
G. Fan et al. „Classification of high-resolution NMR spectra based on complex wavelet domain feature selection and kernel-induced random forest", International Conference on Image and Signal Processing (ICISP10), 2010, Trois-Rivières/Kanada, S. 2010, S. 1-8
S. Mahadevan et al., Feature selection an classification of metabolomic data using support vector machines", 10th International IFAC Symposium on Computer Applications in Biotechnology, 2004, Cancún/Mexiko; Preprints Vol. 1, S. 39-44 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018028789A1 (de) * 2016-08-11 2018-02-15 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und anordnung zur feststellung von zumindest einer, insbesondere pathologischen, implikation

Also Published As

Publication number Publication date
US9618597B2 (en) 2017-04-11
US20140191755A1 (en) 2014-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005024326B3 (de) Nachbearbeitung von medizinischen Messdaten
DE102010038014B4 (de) Verwendung spezifischer Substanzen als Marker zur Bestimmung des Risikos einer Nierenabstoßung
EP3296757A1 (de) Artefaktarme magnetresonanz-fingerprinting-messung
EP3332710B1 (de) Charakterisierung von plaque
DE102013200058B3 (de) Automatisierte Auswertung der Rohdaten eines MR-Spektrums
DE102014217284A1 (de) Verfahren zu einer Magnetresonanz-Untersuchung eines Untersuchungsobjekts
EP3309792A1 (de) Bestimmen eines aufnahmeparameters für ein bildgebendes verfahren
DE102012220449B4 (de) Verfahren und Magnetresonanzgerät zur automatisierten Klassifizierung einer Bildeigenschaft eines Magnetresonanzbildes
DE102008014059B4 (de) Verfahren zur Erstellung eines fettreduzierten ortsaufgelösten Magnetresonanzspektrums und Magnetresonanzanlage hierfür
DE102008048045A1 (de) Verfahren zur Erzeugung von computertomographischen Bilddatensätzen eines Patienten in der Herz-CT bei einer Perfusionskontrolle unter Kontrastmittelapplikation
DE102006012943B4 (de) Verfahren zur automatischen Auswertung eines Abbildungsdatensatzes eines Objektes und medizinisches Abbildungssystem
DE102014209351A1 (de) Magnetresonanz-Spektroskopie mit kurzer Echozeit
DE102017200032A1 (de) Reduktion der Anzahl spektraler Kanäle in der Multi-Energie-CT-Bildgebung
DE102014210218A1 (de) Verfahren zum Generieren von medizinischen Bilddatensätzen
DE10254606B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Verarbeitung von Messdaten mit einer Vielzahl unabhängiger Stichproben
DE19608733C1 (de) Verfahren zur Klassifikation einer meßbaren Zeitreihe, die eine vorgebbare Anzahl von Abtastwerten aufweist, insbesondere eines elektrischen Signals, durch einen Rechner und Verwendung des Verfahrens
WO2012055543A1 (de) Anwendung eines zweidimensionalen analytischen signals in der sonographie
DE102006031937A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bewertung eines Bildes und/oder einer zeitlichen Bildsequenz von Gewebe oder Gewebeproben
DE102017211677A1 (de) Bewegungsabhängige Rekonstruktion von Magnetresonanzabbildungen
EP3772659B1 (de) Partialvolumenanalyse für magnetresonanzfingerprinting
DE102014009154A1 (de) Verfahren zum Klassifizieren eines Stoffgemischs
DE102019214359A1 (de) Verfahren zu einer adaptiven Ansteuerung eines Magnetresonanzgerätes
DE102015210292B4 (de) Ermittlung von Substanzgewichtungen anhand von Magnetresonanzsignalen
DE102018203784A1 (de) Verfahren zur Ermittlung einer örtlichen Konzentrationsverteilung von magnetischen Partikeln, System zur visuellen Darstellung von MPI-Bilddaten
EP1687756B9 (de) Verfahren zur klassifikation von messwerten in der medizinischen und biochemischen analytik

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R020 Patent grant now final

Effective date: 20150327

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SIEMENS HEALTHCARE GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, 80333 MUENCHEN, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS HEALTHCARE GMBH, MUENCHEN, DE