Determinanten des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses

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Institut für Radiologie, Stadtspital Triemli, Birmensdorferstraße 497, 8063 Zürich, Schweiz

Zusammenfassung

Bis jetzt haben wir uns mit der Entstehung des MR-Signals und wie dieses Signal zu einem Bild verarbeitet werden kann, beschäftigt. Dabei haben wir aber außer Acht gelassen, dass das MR-Signal durch das so genannte „Bildrauschen“ gestört werden kann. Folgende Faktoren tragen zum Bildrauschen bei:

technische Einschränkungen des MR-Systems, wie Inhomogenität des Magnetfeldes, „thermisches Rauschen“ in HF-Spulen, Nichtlinearität von Signalverstärker,
systemimmanente Vorgänge bei der Bildverarbeitung,
patientenspezifische Faktoren, wie Körper- oder Atembewegungen.

Die Wechselwirkung zwischen dem MR-Signal und der Stärke des Rauschens wird als Signal-zu-Rausch-Verhältnis („signal-to-noise ratio“; SNR) ausgedrückt. Mathematisch besteht das SNR aus dem Quotienten zwischen der Signalintensität einer interessierenden Fläche („region of interest“; ROI) dividiert durch die Standardabweichung der Signalintensität einer Fläche außerhalb des abgebildeten Körperteils oder Gegenstands (von wo kein Gewebesignal ausgesandt wird).

Ziel der MR-Bildgebung ist es, ein hohes SNR zu erzielen. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass das SNR von folgenden Parametern bestimmt wird:

Schichtdicke und Bandbreite
Sichtfeld („field of view“; FOV)
(Bild-)Matrixgröße
Anzahl der Messungen
Aufnahmeparameter (Repetitionszeit, Echozeit, Pulswinkel)
Magnetfeldstärke
Wahl der Sende- und Empfangsspule (RF-Spule)

Bevor wir den Effekt jedes einzelnen Parameters auf das SNR (◘ Tab. 5.1) besprechen, sind einige Begriffsbestimmungen nötig.

technische Einschränkungen des MR-Systems, wie Inhomogenität des Magnetfeldes, „thermisches Rauschen“ in HF-Spulen, Nichtlinearität von Signalverstärker,
systemimmanente Vorgänge bei der Bildverarbeitung,
patientenspezifische Faktoren, wie Körper- oder Atembewegungen.

Die Wechselwirkung zwischen dem MR-Signal und der Stärke des Rauschens wird als Signal-zu-Rausch-Verhältnis („signal-to-noise ratio“; SNR) ausgedrückt. Mathematisch besteht das SNR aus dem Quotienten zwischen der Signalintensität einer interessierenden Fläche („region of interest“; ROI ) dividiert durch die Standardabweichung der Signalintensität einer Fläche außerhalb des abgebildeten Körperteils oder Gegenstands (von wo kein Gewebesignal ausgesandt wird).

Ziel der MR-Bildgebung ist es, ein hohes SNR zu erzielen. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass das SNR von folgenden Parametern bestimmt wird:

Schichtdicke und Bandbreite
Sichtfeld („field of view“; FOV )
(Bild-)Matrixgröße
Anzahl der Messungen
Aufnahmeparameter (Repetitionszeit, Echozeit, Pulswinkel)
Magnetfeldstärke
Wahl der Sende- und Empfangsspule (RF-Spule )

Bevor wir den Effekt jedes einzelnen Parameters auf das SNR (◘ Tab. 5.1) besprechen, sind einige Begriffsbestimmungen nötig.

Tab. 5.1

Effekte verschiedener Bild- und Sequenzparameter auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis

Parameter	SNR -Effekt
Größere Schichtdicke	↑
Vergrößerung des FOV	↑
Verkleinerung des FOV in Phasenrichtung (rectangular FOV)	↓
TR-Verlängerung	↑
TE-Verlängerung	↓
Erhöhung der Matrixgröße in Frequenzrichtung	↓
Erhöhung der Matrixgröße in Phasenrichtung	↓
Erhöhung der Anzahl der Signalmessungen	↑
Erhöhung der Magnetfeldstärke	↑
Erhöhung der Bandbreite	↓
Einsatz lokaler Spulen	↑
Partial-Fourier-Technik	↓
Fractional-Echotechnik	↓
Parallele Bildgebung	↓
FOV „field of view“, Sichtfeld; SNR „signal-to-noise ratio“, Signal-zu-Rausch-Verhältnis; TE „time echo“, Echozeit; TR „time repetition“, Repetitionszeit

5.1 Pixel, Voxel, Matrix

MR-Bilder liegen digital vor und bestehen aus einer Matrix von Pixeln. Eine Matrix ist ein zweidimensionales Raster, welches aus Reihen und Spalten besteht. Jedes Quadrat des Rasters ist ein Pixel . Jedem Pixel ist eine Nummer zugeordnet, welche einer definierten Signalintensität entspricht. Da die MR-Bildgebung ein Schnittbildverfahren ist, enthält jedes Pixel Information über ein Volumen ( Voxel; ◘ Abb. 5.1). Die räumliche Auflösung eines MR-Bildes (◘ Tab. 5.2) wird somit durch die Größe seiner Volumenelemente bestimmt.

Abb. 5.1

Ein Voxel stellt dasjenige Gewebevolumen dar, das im zweidimensionalen Bild als Pixel vorliegt

Tab. 5.2

Einfluss von Matrixdimension, Schichtdicke und FOV auf die räumliche Auflösung

Parameter	Räumliche Auflösung
Matrixverfeinerung	↑
Dickere Schichten	↓
Vergrößerung des FOV	↓
FOV „field of view“; Sichtfeld

Die Voxeldimensionen können durch das FOV , die Matrixgröße und die Schichtdicke berechnet werden. Allgemein gilt: je kleiner die Voxelgröße ist, umso besser ist die Auflösung des MR-Bildes.

5.2 Schichtdicke und Bandbreite

Für eine optimale Bildauflösung sind möglichst dünne Schichten mit dennoch hohem SNR wünschenswert. Dünne Schichten gehen allerdings mit einem proportional verminderten SNR einher, da sie mit stärkerem Bildrauschen verbunden sind. Umgekehrt sind dicke Schichten zur Erhöhung des SNR ihrerseits mit anderen Problemen assoziiert; sie sind beispielsweise anfälliger für Partialvolumenartefakte.

Der SNR-Verlust in dünnen Schichten kann durch eine höhere Anzahl der Messungen oder eine längere Repetitionszeit vermindert werden, allerdings auf Kosten der Akquisitionszeit (Scanzeit), was wiederum kritisch für die Rentabilität des MR-Systems ist.

Die Bandbreite ist das Spektrum der Spinfrequenzen, welches ein MR-System bei der Frequenzkodierung erfasst. Bei gewissen MR-Systemen wird die Bandbreite automatisch festgelegt, bei anderen MR-Systemen wiederum kann die Bandbreite vom Bediener selbst festgelegt werden. Eine hohe Bandbreite ermöglicht eine raschere Datenakquisition und geht mit einer geringeren Anfälligkeit für Chemical-Shift-Artefakte (▶ Abschn. 15.3) einher. Umgekehrt vermindern jedoch hohe Bandbreiten das SNR, da vermehrt auch Rauschen gesammelt wird. Eine Halbierung der Bandbreite bewirkt eine Verbesserung des SNR um etwa 30 %. Eine Bildgebung mit tiefer Bandbreite ist jedoch anfällig für Chemical-Shift- und Bewegungsartefakte. Zudem sind die Anzahl Schichten, welche mit niedriger Bandbreite bei definiertem TR angefertigt werden können, limitiert.

Der Zwischenschichtabstand („interslice space“; „Gap“) ist der Abstand zwischen zwei Schichten. Er berechnet sich aus der Schichtdicke („slice thickness“) minus dem Schichtintervall („slice interval“). An sich wäre es wünschenswert, dass zwischen den einzelnen Schichten kein Abstand existierte, jedoch ist dies bei SE-Sequenzen nicht möglich, da deren HF-Profil nicht rechteckig sondern sinusoidal ist (◘ Abb. 5.2

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