Dokumentation der Zungenartikulation beim Spielen eines Blechblasinstrumentes mittels Magnetresonanztomographie. Bachelorarbeit II

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1 Dokumentation der Zungenartikulation beim Spielen eines Blechblasinstrumentes mittels Magnetresonanztomographie Bachelorarbeit II Eingereicht von: Katja Deutsch Matrikelnummer: am Fachhochschul-Bachelorstudiengang Radiologietechnologie, Schnittbildverfahren Begutachter: Karin Haller, M.Ed. Co-Betreuer Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Matthias Bertsch (Universität für Musik und darstellende Kunst Wien) DI (FH) Magnus Houska (Siemens Healthcare, TGM Wien) Wiener Neustadt, 31. Mai 2014

2 Ehrenwörtliche Erklärung Ich versichere hiermit, 1. dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbständig verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und mich auch sonst keiner unerlaubten Hilfe bedient habe, 2. dass ich diese Bachelorarbeit bisher weder im Inland noch im Ausland in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe sowie 3. dass die in Papierform vorliegende Variante mit der digitalen Variante ident ist. Wiener Neustadt, Datum Unterschrift - I -

3 Kurzzusammenfassung: In dieser Bachelorarbeit mit dem Titel Dokumentation der Zungenartikulation beim Spielen eines Blechblasinstrumentes mittels Magnetresonanztomographie werden unterschiedliche Zungentechniken mittels Magnetresonanztomographie dargestellt. Das Ziel ist zu klären, welche Parameter bei der Magnetresonanztomographie die optimale Visualisierung der Zungenbewegung eines fortgeschrittenen Trompetenspielers ermöglichen. Anhand eines Versuchsprotokolls wurden mithilfe eines Probanden unterschiedliche Messungen durchgeführt. Als Ergebnis kann man festhalten, dass die Magnetresonanztomographie eine geeignete Methode zur Darstellung der Zungenbewegung ist. Schlagworte (mind. 3, max. 6): Magnetresonanztomographie, GRE-Sequenz, Artefakt Abstract: This present thesis represent the movement of the tongue when playing brass instrument on the use of Magnetic Resonance Imaging. The aim is to clarify which parameter enables the best visualization of the tongue movement of an advanced trumpet player in Magnetic Resonance Imaging. Apart from the technical procedural imaging this research work includes measurements which were performed on an experimental test person which has been accompanied by an experimental protocol. A substantial result of this study is the fact that Magnetic Resonance Imaging is a suitable method to illustrate the movement of the tongue while playing a brass instrument. Keywords (at least 3, max. 6): Magnetic Resonance Imaging, GRE-Sequence, Artifact - II -

4 INHALTSVERZEICHNIS 1! EINLEITUNG 1! 1.1! THEMA 1! 1.2! PROBLEMSTELLUNG 1! 1.3! ZENTRALE FRAGESTELLUNG 2! 1.4! METHODE 2! 1.5! STRUKTUR DER ARBEIT 2! 2! GRUNDLAGEN, DEFINITIONEN UND STAND DER FORSCHUNG 3! 2.1! GRUNDLAGEN DER MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE 3! 2.2! BEGRIFFE UND DEFINITIONEN 7! 2.3! THEORIE ODER MODELL ZUM THEMA 8! 2.4! VERWENDETE SEQUENZEN 10! 2.4.1! Fast-Spin-Echo-Sequenzen 10! 2.4.2! Gradientenecho-Sequenzen 10! 3! UNTERSUCHUNG 12! 3.1! UNTERSUCHUNGSFRAGE UND UNTERSUCHUNGSZIEL 12! 3.2! UNTERSUCHUNGSMETHODEN 12! 3.2.1! Vortest 1 (08. März '14) 12! 3.2.2! Vortest 2 (15. März '14) 15! 3.2.3! Vortest 3 (22. März '14) 15! 3.2.4! Proband und Durchführung der Studie Tonguing-MRI (29. März '14) 15! 3.2.5! DICOM und Osirix 21! 3.2.6! MRT-Bilder 22! 3.2.7! Mikrokontroller 24! 4! ERGEBNISSE 28! 5! ZUSAMMENFASSUNG 29! 6! ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 30! 7! ABBILDUNGSVERZEICHNIS 31! 8! LITERATURVERZEICHNIS 32! - III -

5 1 Einleitung Die vorliegende Arbeit beruht auf den Erkenntnissen aus meiner Bachelorarbeit "Visualisierungstechniken einer Zungenbewegung bei der Tonerzeugung auf Blechblasinstrumenten" Es zeigte sich, dass die Magnetresonanztomographie das größte Potenzial hat, um die Zungenbewegung beim Spielen eines Blasinstrumentes darzustellen. Diese Methode wurde im Zuge der Bachelorarbeit mit Röntgenstrahlung und Ultraschall als alternative diagnostische bildgebende Systeme verglichen. Bei der Magnetresonanztomographie besteht kein gesundheitliches Risiko für die Testpersonen. Ultraschall, welcher sich ebenfalls für eine unbedenkliche Untersuchung eignet, hat den Nachteil, dass sich die Zunge während der Bewegung im Schallfeld befinden muss und Lufteinschlüsse nicht aufscheinen. Beim Zungenstoß wird sie aus dem Ultraschallfeld gezogen und daher nicht dargestellt. Bei der Röntgenstudie wurde hingegen ionisierende Strahlung verwendet und kann heutzutage auf Grund der hohen Dosis nicht wiederholt werden. 1.1 Thema Thema dieser Arbeit ist die Dokumentation der Zungenartikulation beim Spielen eines Blechblasinstrumentes mithilfe Magnetresonanztomographie. Das Spiel auf besagtem involviert spezifische und rasche Zungenartikulationen. Der Tonbeginn, der Anstoß von Tönen (eigentlich ein Zungenrückstoß), prägt den Ton und Klang und setzt zahlreiche feinmotorische Fähigkeiten voraus. Die Dokumentation dieses Vorgangs ist mithilfe der MRT zu visualisieren. 1.2 Problemstellung In der MR-Bildgebung gibt es verschiedene Artefakt-Typen, denen unterschiedliche Ursachen zu Grunde liegen. Der häufigste Artefakt entsteht durch Bewegungen des Objektes während der Aufnahme wie z.b. durch Atmung, Herzschlag oder Schluckbewegungen. Bei der Darstellung der Zungenbewegung stehen jedoch gerade die Bewegungen des Objektes im Mittelpunkt, wodurch es eine Herausforderung darstellt, diese Artefakte zu minimieren. Durch die Erprobung verschiedener Aufnahmeparameter bzw. -techniken sollen optimale Ergebnisse erzielt werden. Als Ausgangsbasis dienen Angaben einer re- 1

6 zenten Studie aus Freiburg mit dem Titel "Motor functions in trumpet playing a real time MRI analysis" von Schumacher et al. (2013). 1.3 Zentrale Fragestellung Die zentrale Fragestellung lautet: Welche Parameter bei der Magnetresonanztomographie ermöglichen die optimale Visualisierung der Zungenbewegung? 1.4 Methode In einer empirischen Studie werden mehrere Versuche mit einem Blechbläser im Magnetresonanztomographen durchgeführt. Unter Verwendung eines Kunststoff-Mundstücks und eines Kunststoff-Behelfsinstruments werden sequenzielle Einzelbildaufnahmen während der Tonerzeugung aufgenommen. Ausgangsbasis der Einstellungen bilden die Angaben der in Kapitel 1.2 publizierten Studie von Schumacher et al. (2013). In ausführlichen Versuchsprotokollen werden die Arbeitsschritte dokumentiert und die von Mitwirkenden der Untersuchung entwickelten Techniken und Einstellungen erläutert. Ergänzend zur Studie werden theoretische Grundlagen der Techniken erläutert. Die Studienrecherche erfolgte ausschließlich in der Onlinedatenbank PubMed. 1.5 Struktur der Arbeit Die vorliegende Arbeit setzt sich aus drei Teilen zusammen. Im ersten Teil werden die Grundlagen der Magnetresonanztomographie, wichtige Definitionen, die Theorie zum Thema und die dafür geeigneten Sequenzen dargelegt. Daran schließt das zentrale Kapitel mit den Beschreibungen der Versuchsanordnungen an. Im letzten Teil, dem Kapitel vier, wird die Forschungsfrage beantwortet und das Ergebnis zusammengefasst. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung geeigneter Parameter zur Dokumentation der Zungenartikulation von einem Probanden mit fortgeschrittener Spieltechnik auf Blechblasinstrumenten während Messungen in der Magnetresonanztomographie. 2

7 2 Grundlagen, Definitionen und Stand der Forschung Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Grundlagen der Magnetresonanztomographie, die Definitionen, Theorien und Untersuchungen zum Thema sowie Sequenzen, welche die Durchführung von Bewegungsaufnahmen ermöglichen. 2.1 Grundlagen der Magnetresonanztomographie Bei der Magnetresonanztomographie werden zur Bildgebung die Kerne von Wasserstoffatomen ( 1 H) verwendet. Wasserstoffatome bestehen nur aus einem einzigen Kernteilchen, dem Proton. Die Hülle beinhaltet ein um das Proton kreisendes Elektron. Abbildung 1 Wasserstoffatom (Weishaupt, 2009, S. 1) Die elektrische Ladung des Protons ist positiv, die des Elektrons negativ, daraus resultiert eine elektrische Neutralität des gesamten Atoms. Zusätzlich besitzt das Proton die Eigenschaft des Spins (engl. to spin = sich drehen), dieser rotiert um seine eigene Achse wie ein Kreisel. Daraus entsteht ein Drehimpuls durch die rotierende Masse m und ist gleichzeitig eine rotierende elektrische Ladung mit einem magnetischen Moment B. Daher wird es von Magnetfeldern und elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Abbildung 2 Drehimpuls und Magnetisches Moment (Weishaupt, 2009, S. 2) 3

8 Der Spin ist eine Konstante, kann daher weder beschleunigt noch abgebremst werden. Wirkt ein Magnetfeld B 0 auf die Spins von Protonen ein, so werden diese wie Kompassnadeln entlang des Feldes ausgerichtet. Sie reagieren darauf mit einer Präzessionsbewegung (Ausweichbewegung). Abbildung 3 Präzessionsbewegung (Weishaupt, 2009, S. 3) Dies erfolgt mit einer charakteristischen Frequenz der Larmorfrequenz, die von der Stärke des Magnetfeldes abhängig ist und kann mit der Larmorgleichung berechnet werden.!! =!!!! Formel 1 Larmorgleichung ω 0 Larmorfrequenz in MHz γ 0 gyromagnetisches Verhältnis (charakteristische Konstante eines Atomkerns γ = 42,58 MHz/T) B 0 statisches Hauptmagnetfeld Die Larmorfrequenz für Protonen beträgt 42,58 MHz/Tesla T. Die Spins, die im Magnetfeld präzessieren, richten sich langsam aus und kommen in einen stabilen Zustand. Währenddessen baut sich eine Längsmagnetisierung M z in der Z-Richtung auf, wodurch sich die Magnetvektoren der Spins addieren. Je stärker das Magnetfeld ist, umso größer ist die M z. Wird in das Spin-System mit einer elektromagnetischen Welle Energie eingebracht, die der Larmorfrequenz entspricht, wird dieser Zustand Resonanzbedingung genannt. Diese Energie wird in einem starken Radiosender erzeugt und mittels einer Antennenspule auf das Untersuchungsobjekt eingebracht. Eine Auslenkung um genau 90 kann mit 4

9 einem Hochfrequenzimpuls erreicht werden (90 -Impuls). Dadurch wird die gesamte Magnetisierung M z in die XY-Ebene umgeklappt. Der magnetische Summenvektor wird nicht mehr M z genannt, sondern M xy, weil er jetzt in der XY-Ebene liegt. Diese Bewegung von M xy wirkt wie ein elektrischer Generator und induziert eine Wechselspannung in der Empfangsspule, deren Frequenz gleich der Larmorfrequenz ist. Dieses MR-Signal wird mit Verstärkern und Softwareprogrammen für die Bildgebung weiterverarbeitet (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 1ff). Abbildung 4a-d (a) Rotation der Spins. (b) Ausrichtung der Spins in einem Magnetfeld B 0. (c) HF- Impuls. (d) Transversalmagnetisierung (Weishaupt, 2009, S. 4) In der MRT laufen zwei Vorgänge, die longitudinale und die transversale Relaxation, ab. Longitudinale Relaxation T1: Die Magnetisierung klappt aus der transversalen Ebene in die Z-Richtung entlang des äußeren Magnetfeldes B 0. Die in der XY-Ebene verbleibende transversale Magnetisierung nimmt langsam ab und das MR-Signal wird immer kleiner. Langsam baut sich die Längsmagnetisierung M z wieder auf (longitudinale Relaxation). Die longitudinale Relaxation wird auch Spin-Gitter-Relaxation genannt, weil dabei Energie an die Umgebung abgegeben wird. Die Zeitkonstante dieses Vorgangs wird T1 genannt und ist abhängig von der Stärke des äußeren Magnetfeldes B 0 wie auch der inneren Bewe- 5

10 gung der Moleküle. Ihre Dauer für Gewebe (bei 1,5 T) liegt bei einer halben bis mehreren Sekunden (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 5). Abbildung 5 T1-Relaxation (Weishaupt, 2009, S. 5) Transversale Relaxation T2/T2*: Gleich nach der Anregung präzediert ein Teil der Spins synchron, die Spins haben alle eine Phase von 0 (diese sind in Phase = Phasenkohärenz). Diese Phasengleichheit geht mit der Zeit verloren. Die einzelnen Magnetvektoren heben sich gegenseitig auf und addieren sich nicht. Die transversale Magnetisierung wird immer kleiner, bis sie verschwindet und somit auch das MR-Signal. Abbildung 6 T2- und T2*-Relaxation (Weishaupt, 2009, S. 7) Die transversale Relaxation verfügt über zwei Komponenten: Energieaustausch der Spins untereinander passiert durch rasch wechselnde lokale Magnetfeldveränderungen aufgrund benachbarter Spins, die sich gegenseitig beeinflussen. Sie sind kleine Magnete, die ständig das Magnetfeld verändern, einmal etwas stärker und dann wieder schwächer. Dadurch präzessiert jeder Spin etwas schneller und dann wieder langsamer. Es kommt zur Dephasierung und die Phasenkohärenz zerfällt = reine Spin-Spin-Wechselwirkung. Zeitliche Konstante: D.h. die Inhomogenität des äußeren Magnetfeldes B 0 ist immer gleich stark. Diese wird durch die Maschine selber und dem Körper der unter- 6

11 suchten Person verursacht und bewirkt eine zusätzliche Dephasierung. Das Signal zerfällt nicht mit T2, sondern mit einer raschen Zeitkonstanten T2*. Die Relaxationszeit T2* ist kürzer als die der T2-Zeit. Der Großteil der Inhomogenität tritt an Grenzflächen wie z.b. Gewebe/Luft auf. Das mit T2* abklingende MR-Signal heißt auch Free Induction Decay (FID). T1- und T2-Relaxationen laufen gleichzeitig ab, sind aber voneinander unabhängig (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 6). Abbildung 7 Free Induction Decay (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 14) 2.2 Begriffe und Definitionen In diesem Abschnitt werden die Begriffe erklärt, die in der Arbeit verwendet werden. Der Auslenkwinkel bei der Anregung des Spin-Systems wird Flipwinkel (Pulswinkel) genannt. Das Umklappen der gesamten Längsmagnetisierung MZ in die XY-Ebene entspricht einem Winkel von genau 90 (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 159). Die Bandbreite ist das Spektrum der Spin-Frequenzen, welches bei der Frequenzkodierung erfasst wird (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 26). Das MR-Bild besteht aus einer Vielzahl von Pixeln. Die Pixel sind zu einer Matrix angeordnet. Eine Matrix ist ein zweidimensionaler Raster und besteht aus Zeilen und Spalten. Jedes Quadrat des Rasters ist ein Bildpunkt und die Matrix bestimmt die Anzahl der Bildelemente (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 26). Das Field of View (FOV) ist die Größe des gewählten Bildausschnitts und ist quadratisch. Je kleiner das FOV ist, desto besser ist die räumliche Auflösung (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 151). Unter dem GRAPPA-Faktor versteht man eine parallele Akquisitionstechnik, die bei gleichbleibender Auflösung die Messzeit reduziert (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 430). 7

12 Bei der rf-spoiled 2D Gradientenecho-Sequenz wird durch die Radiofrequenz das verbleibende Signal zerstört (Schumacher, et al., 2013, S. 1172). Die Ortsauflösung wird auch als Räumliche Auflösung bezeichnet. Diese wird durch das FOV, der Matrix und der Schichtdicke definiert. Die Echozeit (TE) ist die Zeitspanne zwischen der Anregung der Spins und der Messung des MR-Signals und beeinflusst den T2-Kontrast (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 150). Die Repetitionszeit (TR) ist die Zeit zwischen zwei Anregungsimpulsen derselben Schicht und beeinflusst den T1-Kontrast (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 160). Bei der T1-Relaxation kehren die Protonen nach Beendignung der Anregung in ihre Ausgangsposition zurück und die Energie der Protonen wird an die Umgebung (Gitter) abgegeben (Longitudinale Relaxationszeit = Spin-Gitter-Relaxation) (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 12). Die T2-Relaxation beschreibt den Zerfall der Quermagnetisierung durch den Verlust der Phasengleichheit (aufgrund gegenseitiger Wechselwirkung) der präzedierenden Kerne (transversale Relaxation = Spin-Spin Relaxation) (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 13). Die Schichtdicke ist die eingestellte Dicke einer zu messenden Schicht. Wird eine kleine Schichtdicke gewählt, wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis schlechter (Schwarzmüller- Erber & Silberstein, 2010, S. 118). Bei der Gradientenecho-Sequenz (GRE-Sequenz) wird kein Hochfrequenzimpuls, sondern es werden die Gradientenspulen zur Erzeugung des Echos verwendet. Der Scout, auch Übersichtsbild (Localizer) genannt, ermöglicht die Schichtpositionierung. Bei der Fast Low Angle Shot-Sequenz (FLASH) wird die Längsmagnetisierung genutzt. Die verbleibende Quermagnetisierung wird durch einen Gradienten (Spoilergradient) zerstört (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 94). Bei der TrueFisp-Sequenz (True Fast Imaging with Steady State Precession) trägt die verbleibende Quermagnetisierung zum Signal bei, dadurch entsteht ein Fließgleichgewicht zwischen Quer- und Längsmagnetisierung (Schwarzmüller-Erber & Silberstein, 2010, S. 97). Der Phasenkodiergradient ist ein Magnetfeldgradient, der in Y-Richtung (von oben nach unten) geschaltet wird (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 18). 2.3 Theorie oder Modell zum Thema Die motorischen Funktionen bei der Tonproduktion auf Blasinstrumenten wurden am Freiburger Institut für Musikermedizin an der Hochschule für Musik Freiburg von Schumacher 8

13 et al. (2013) untersucht. Die Leitung dabei hatten Claudia Spahn, Bernhard Richter, Matthias Echternach und Johannes Pöppe. In einer weiterführenden Studie Motor functions in trumpet playing a real-time MRI analysis von Schumacher et al. (2013) lag der Fokus auf der simultanen Darstellung der oralen und pharyngealen Funktionen während der Tonproduktion auf einer Trompete. Diese Untersuchung wurde mit zwölf freiwilligen professionellen Trompetenspielern auf gleichem Spielniveau durchgeführt. Untersucht wurden die Probanden mit einem 3T-TIM-Trio-Magnetresonanztomographiegerät (Siemens) mit einer 12-Kanal-Kopfspule. Die sagittalen Schichten wurden mit einer Dicke von 16 mm mit einer rf-spoiled 2D-Gradientenecho-Sequenz aufgenommen. Die Realtime- Aufnahmen hatten eine zeitliche Auflösung zwischen vier und zehn Bildern/s. Folgende Parameter wurden dabei verwendet: Ortsauflösung 1,1 x 1,5 mm, TE 1,23 ms, TR 3,5 ms, Flip-Winkel 10, Bandbreite 450 Hz/Pixel, Matrix 192 x 192, Field of View 240 x 240 mm, GRAPPA-Faktor 2 bei 4 Bildern/s, Schichtdicke 11 mm. Ortsauflösung 1,7 x 2,7 mm, TE 1,29 ms, TR 2,72 ms, Flip-Winkel 10, Bandbreite 795 Hz/Pixel, Matrix 128 x 128, Field of View 220 x 220 mm, GRAPPA-Faktor 3 bei 10 Bildern/s. Zur Aufnahme der Tonproduktion wurde speziell für diese Untersuchung ein Keramik- Trompetenmundstück konstruiert, welches mit einem Gummischlauch und einem Trichter aus Karton verbunden war. Um dieses Mundstück in der GRE-Sequenz sichtbar zumachen, wurde es in einem dünnen Plastikschlauch eingepackt, der mit Heidelbeersaft gefüllt war (paramagnetische Eigenschaften, T1-Verkürzung). Alle Probanden wurden instruiert, die festgelegten Aufgaben zu spielen: zunächst die Technik des Lippenblasens (summen ohne Mundstück), dann mit dem Mundstück und am Ende mit dem Trompetenersatz (Schumacher, et al., 2013, S. 1172f). Das Ergebnis zeigte, dass die kontinuierliche real-time-darstellung des gesamten Oralund Pharyngealtraktes bzw. der Mundstückposition nur mit der kurzen Datenerfassungszeit in paralleler Bildgebung mit der 3T-MRT möglich war. Die Beurteilung der anatomischen Messpunkte der Regionen während der dynamischen Prozesse waren ohne Artefakte möglich. Die dynamischen Sequenzen wurden besser mit einer hohen Bildfrequenz von zehn Akquisitionen/s als mit einer zeitlichen Auflösung von vier Bildern/s abgebildet. Eine Bildfrequenz von zehn Bildern/s war nicht ausreichend, um sehr schnelle Bewegungen wie die Dreifachzunge zu visualisieren (Schumacher, et al., 2013, S. 1174ff). 9

14 2.4 Verwendete Sequenzen Um die Zungenbewegung in der MRT darzustellen bedarf es einer Auswahl von bestimmten Sequenzen. Nicht jede Sequenz kann dafür herangezogen werden, zumal die Bewegung eine der häufigsten Artefakte in der MRT ist. Durch die Anwendung schneller Sequenzen, die Körperregionen innerhalb weniger Millisekunden aufnehmen, kann die Artefaktbildung minimiert werden. Welche Sequenzen dabei Anwendung finden, wird im nachfolgenden Kapitel beschrieben Fast-Spin-Echo-Sequenzen Fast-Spin-Echo-Sequenzen (FSE) oder Turbo-Spinecho-Sequenzen (TSE) reduzieren die Bildaufnahmezeiten. Es werden mehrere 180 -Pulse pro Repetitionszeit (TR) verwendet, zwischen den einzelnen Echos wird der Phasenkodiergradient eingeschaltet. Dadurch ist es möglich, mehrere Messungen mit unterschiedlichen Phasenkodierungen pro Anregung aufzunehmen. Eine Serie von Spinechos (Echozüge) wird hervorgerufen. Die Anzahl der erzeugten Echos pro TR wird auch Echozuglänge genannt (Echo Train Length, ETL). FSE-Sequenzen differenzieren sich von SE-Sequenzen nicht nur durch kürzere Aufnahmezeiten sondern auch dadurch: FSE-Sequenzen brauchen eine längere TR, um viele 180 -HF-Pulse zu setzen. Die TR von FSE-Sequenzen beläuft sich zwischen 4000 ms und mehr, die von SE-Sequenzen bei ms (FSE-Sequenzen sind für T2-gewichtete Bilder geeignet). TE von FSE-Sequenzen für T2-gewichtete sind weiters länger (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 49f) Gradientenecho-Sequenzen Bei der Gradientenecho-Sequenz (GRE) wird nicht ein Hochfrequenzimpuls zur Erzeugung der Echos, sondern es werden nur die Gradientenspulen verwendet. Der Impuls fällt weg, dadurch kann eine sehr kurze TR erreicht werden. Die TR bestimmt die Bildaufnahmezeit, dadurch ist eine viel schnellere Bildaufnahme durchführbar. GRE- Sequenzen sind auch weniger sensitiv gegenüber Bewegungsartefakten. Da die GRE-Sequenzen sehr schnell sind und sehr kurze Repetitionszeiten haben, kann es sein, dass von der vorherigen Anregung noch ein Signal vorhanden ist. Dieses muss vor der nächsten Messung zerstört werden um einen T1-gewichteten Kontrast zu erhalten. Das wird verursacht von der Dephasierung der Spins durch den Schichtwahlgradien- 10

15 ten der nächsten Anregung und durch die speziell dafür geschalteten Gradienten- oder Hochfrequenzimpulse (spoiling = absichtliches Zerstören des verbleibenden MR-Signals). Gebräuchliche Namen für diese Sequenzen sind z.b. Spoiled Gradienten Echo (SPGR) oder Fast Low Angle Shot (FLASH). Der typische Kontrast von gespoilten GRE-Sequenzen ist die T1-Wichtung: Die T1-Wichtung nimmt bei kürzerer TR zu. Die T1-Wichtung nimmt mit zunehmendem Flip-Winkel zu. Die T2*-Wichtung nimmt mit bei zunehmender TE zu (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 46f). Schnelle Gradientenecho-Sequenzen (Turbogradientenecho) erzielen in Kombination mit modernen Gradientensystemen Echozeiten bis unter 1 msec und Repetitionszeiten von weniger als 5 msec. Dies ist möglich durch die schnelle Gradientenschaltung und durch die Verwendung mathematischer Tricks (Techniken der unvollständigen K-Raum- Abtastung). Schnelle GRE werden im klinischen Alltag als T1-gewichtete Sequenzen verwendet und in Atemanhalte-Technik mit paralleler Bildgebung durchgeführt. Schnelle gespoilte T1-gewichtete GRE-Sequenzen werden für die Kontrastmittel unterstützte MR- Angiographie und für die dynamische Bildgebung des Abdomens nach intravenöser Gabe von Kontrastmitteln verwendet. Diese Sequenzen können zwei- und dreidimensionale Datensätze übermitteln. Im Vergleich zu 2D-Aufnahmen ermöglichen 3D-Aufnahmen die Akquisition von dünneren Schichten ohne Schichtabstand mit besserem SNR (Weishaupt, Köchli, & Marincek, 2009, S. 52). 11

16 3 Untersuchung In diesem Kapitel wird beschrieben, wie die Zungenbewegung in der MRT dargestellt wird und welche Sequenzen sich dafür eignen, außerdem erörtert es die Erstellung der Versuchsanordnung. 3.1 Untersuchungsfrage und Untersuchungsziel Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit lautet: Welche Parameter bei der Magnetresonanztomographie ermöglichen die optimale Visualisierung der Zungenbewegung? Das Ziel dieser Arbeit ist die Zungenartikulation von einem Probanden mit fortgeschrittener Spieltechnik (schnellere Zungentechnik) mithilfe der Magnetresonanztomographie darzustellen. 3.2 Untersuchungsmethoden Die vorliegende Studie ist angelehnt an die wissenschaftliche Arbeit Motor functions in trumpet playing a real-time MRI analysis von Schumacher et al. Ziel jener Studie war die simultane Darstellung der oralen und pharyngealen Funktionen während der Tonproduktion auf einer Trompete, die mit zwölf freiwilligen professionellen Trompetenspielern durchgeführt wurde. In der Studie der Verfasserin wurde eine Versuchsperson ebenfalls mit einem 3 Tesla Verio MRT der Firma Siemens aufgenommen. Der Proband bekam während der laufenden Messung mehrere Aufgaben gestellt, die nachfolgend beschrieben werden. Der Proband wurde im Vorfeld auf eine MR-Tauglichkeit überprüft. Es wurde sichergestellt, dass er keine Zahnfüllungen mit ferromagnetischen Materialien besitzt und abgeklärt ob er Träger eines Herzschrittmachers ist. Da wegen der hohen Feldstärke des Magneten ein Herzschrittmacher eine absolute Kontraindikation darstellt Vortest 1 (08. März '14) Während der ersten Messung wurde versuchsweise die TrueFisp-Sequenz (True Fast Imaging with Steady Precession) verwendet, die normalerweise standardmäßig in der bildgebenden Diagnostik für Herzuntersuchungen eingesetzt wird. Dadurch gelingt eine 12

17 optimale Darstellung der Bewegung des schlagenden Herzens und anatomischer Strukturen mit wenigen Bewegungsartefakten. Um die schnellen Bewegungen der Herzkontraktionen ohne Artefakte darzustellen, werden die Messungen in der Diastole durchgeführt. Dies ist nur möglich mit einer kardialen Triggerung (Nitz, Runge, Schmeets, Faulkner, & Desai, 2007, S. 182). Folgende Parameter wurden verwendet: FOV 360 mm, Schichtdicke 8 mm, TR 261 ms, TE 1,56 ms, Flipwinkel 30 und 10, Bandbreite 1240 Hz/Px. Anstelle der EKG-Triggerung des Herzens wurde das EKG-Signal, mit Hilfe von Elektroden an der Muskulatur der linken oberen Extremität abgeleitet. Dadurch konnte die Messung willkürlich durch die Kontraktion des Muskels und somit synchron zum Zungenstoß durch den Probanden selbst ausgelöst werden. Es traten auch vermehrt Bendingartefakte auf (Abbildung 8 Artefakt in der TrueFisp). Dieser Artefakt ist systembedingt bei 3T-MRT und kommt zustande, wenn das FOV zu groß gewählt wird. Trotz Veränderung des Flipwinkels von 30 auf 10 wurde der Bildeindruck nicht verbessert (Abbildung 9 Flipwinkel 30 und Abbildung 10 Flipwinkel 10 ). Ein weiterer Punkt, warum diese Sequenz sich nicht eignet war, dass das in Heidelbeersaft getränkte Mundstück nicht dargestellt werden konnte. Im Zuge der Recherche wurde Kontakt zu Herrn Thomas Bachleitner-Hoffman (MR- Applikationsspezialist bei der Firma Siemens) aufgenommen, auf dessen Empfehlung die Dynamic Turbo Flash-Sequenz in der Studie verwendet wurde. Bendingartefakt Abbildung 8 Artefakt in der TrueFisp ( Deutsch, 2014) 13

18 Abbildung 9 Flipwinkel 30 ( Deutsch, 2014) Abbildung 10 Flipwinkel 10 ( Deutsch, 2014) Ein weiterer Versuch zeigte wie auch auf den Bildern in der Studie von Freiburg sichtbar bei der Verwendung der gleichen Parameter auf dem Bild einen Einfaltungsartefakt. Bei einem Einfaltungsartefakt werden anatomische Strukturen, die über den definierten Bildbereich hinausragen, in die entgegengesetzte Richtung in das Bild wieder eingefaltet. Das FOV ist kleiner als das zu messende Objekt. Dieser Artefakt ist einerseits durch die Vergrößerung des Bildbereiches, andererseits durch die Technik des Oversampling (Erhöhung der Anzahl der Phasenkodierschritte) zu vermeiden (Nitz, Runge, Schmeets, Faulkner, & Desai, 2007, S. 214). In dieser vorliegenden Studie wurde das FOV vergrößert: anstatt 240 mm wurden 300 mm gewählt, um den Artefakt zu vermeiden. 14

19 Einfaltungsartefakt Abbildung 11 Einfaltungsartefakt mit FOV 240 mm ( Deutsch, 2014) Vortest 2 (15. März '14) Der Schwerpunkt bei diesem Testverfahren lag darin, das Mundstück mit einer T1- gewichteten Sequenz sichtbar zu machen. Dafür wurde das Plexiglasmundstück mit einem saugfähigen Material (Abbildung 13 Plexiglasmundstück und Ansatz ( Deutsch, 2014) ummantelt und dieses wurde dann in Heidelbeersaft getränkt Vortest 3 (22. März '14) Das Ziel des Versuches war, die Sequenz des MRT mit Hilfe der EKG-Triggerung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu starten. Dabei wurde ein Mikrokontroller verwendet, der ein künstliches EKG-Signal erzeugt. Das EKG-Signal wurde anschließend mit Hilfe eines Spannungsteilers aus elektrischen Widerständen, an das vorhandene EKG-Monitoring des MRT angeschlossen. Periodisch wurde damit exakt alle 1,2 s eine Messung gestartet. Bei der Messung wurde eine Dynamic Turbo Flash-Sequenz verwendet, die einen guten Kontrast von wassergefüllten Objekten erzeugt. Die Akquisitionszeit lag bei ca. 130 ms Proband und Durchführung der Studie Tonguing-MRI (29. März '14) Als Proband stand mein Co-Betreuer Matthias Bertsch zur Verfügung. Er ist fortgeschrittener Trompeter und hat keine Zahnfüllungen, welche zu Artefakten führen könnten. Da er 15

20 bei der Konzeption der Aufgabenstellung beteiligt war, genügte bei der Durchführung die kurze Ansage der Vorgaben. Zu Beginn wurde die Versuchsperson in Rückenlage auf dem Untersuchungstisch positioniert, sein Kopf wurde in einer 12-Kanal-Kopf- und 4-Kanal-Halsspule gelagert und mit Schaumpölstern fixiert. Erst dann wurde in das Isozentrum gefahren. Nach der Lagerung des Probanden wurde der Untersuchungsraum verlassen. An der Bedienkonsole wurden für die Registrierung die Daten in die entsprechenden Felder eingetragen. Anschließend daran wurden die Sequenz aufgerufen und der Scout gestartet. In diesem wurde die sagittale Schicht genau in der Medianlinie mit einer Dicke von 11 mm eingezeichnet und mit einer 2D-Gradientenecho-Sequenz gemessen. Folgende Parameter kamen dabei zur Anwendung: TE 1,3 ms, TR 275 ms, FOV 300 mm, Bandbreite 501 Hz/Pixel, Matrix 192 x 192, Flipwinkel 10. Abbildung 12 Spielposition ( Deutsch, 2014) Für die Durchführung des Zungenstoßes wurde ein Trompetenmundstück aus Plexiglas verwendet, welches mit einem saugfähigen Material umschlossen wurde. Dieses saugfähige Material wurde mit Heidelbeersaft getränkt um es in der GRE-Sequenz sichtbar zu machen. 16

21 Abbildung 13 Plexiglasmundstück und Ansatz ( Deutsch, 2014) Um die Messung überhaupt starten zu können, wurde in dieser Studie das Triggersignal mit einem Mikrokontroller erzeugt. Die Messung eines MR-Bildes ist verglichen mit der Zungenbewegung viel langsamer. Die Triggerung dient dazu, die Bewegungsunschärfen der Zunge im MR-Bild zu vermeiden bzw. zu minimieren. Der Trigger ist der Referenzpunkt, der die Datenakquisition auslöst. Der Mikrokontroller, welcher genau auf ein EKG- Signal programmiert war und der EKG-Sensor wurden linksseitig neben der Versuchsperson außerhalb der roten Sicherheitslinie positioniert. Das akustische Signal wurde exakt jede Sekunde abgegeben, dadurch war es dem Probanden möglich synchron dazu die Aufgaben zu spielen. Da die Zunge eine periodische Bewegung durchführt, wurde das Signal bei jedem Zungenstoß jeweils um 20 ms verzögert vom Mikrokontroller abgegeben. Dadurch konnte das MR-Gerät starten und es war möglich im Cinemode artefaktfreie Bilder zu erhalten. 17

22 EKG-Sensor! Mikrokontroller MR-Gerät + Proband Lautsprecher Bedienkonsole Abbildung 14 Darstellung des Versuchsaufbaus ( Deutsch, 2014)! Triggerungseinheit 9 V-Batterie Buzzer Mikrokontroller Abbildung 15 Mikrokontroller zur Triggerung und Anschluss ( Houska, 2014) 18

23 Gleichzeitig erhielt der Proband über das Mikrofon Anweisungen laut Protokoll ( Abbildung 16 Protokoll der Aufnahmenserie Tonguing MRI ), die Aufgaben zu spielen, erst dann wurde die Messung gestartet. Dieses Protokoll mit der Versuchsanordnung wurde von M. Bertsch, Co-Betreuer vorliegender Arbeit, speziell für die Studie angefertigt. Darin wurde zu jeder Aufgabe die jeweilige Serie eingetragen um retrospektiv die Bilder zu jeder Serie zuzuordnen. Es wurden zwei Versuchsanordnungen, eine mit Triggerung und eine ohne Triggerung (statisch) durchgeführt. Folgende Versuchsanordnung mit Triggerung: Lange Töne tief Lange Töne mittel Lange Töne hoch Doppelzunge langsam Doppelzunge schnell Trippelzunge Flatterzunge Folgende Versuchsanordnung ohne Triggerung: Vokal I Vokal E Vokal A Vokal O Vokal U Naturtonreihe schnell Naturtonreihe langsam Crescendo-Decrescendo Einfachzunge Doppelzunge 19

24 Statisch/Triggerung Nummer Detail Serienbeschreibung Lange Töne T 1a tief Lange Töne T 1b mittel Lange Töne T 1c hoch Doppelzunge T 2 langsam Doppelzunge T 2 schnell Trippelzunge T 3 Flatterzunge T 4 Vokale S 5i Vokale S 5e Vokale S 5a Vokale S 5o Vokale S 5u Naturtonreihe S 6a schnell Task 1a, Tiefster Naturton, langsame Anstoßfolge mit Triggerung Task 1b, Naturton in mittlerer Lage, langsame Anstoßfolge mit Triggerung Task 1c, Naturton in mittlerer Lage, langsame Anstoßfolge mit Triggerung Task 2a, Naturton in mittlerer Lage, langsame Ausführung Spieltechnik Doppelzunge mit Triggerung Task 2a, Naturton in mittlerer Lage, schnellere Ausführung Spieltechnik Doppelzunge mit Triggerung Task 3, Naturton in mittlerer Lage, schnelle Ausführung der Spieltechnik Trippelzunge mit Triggerung Task 4, Naturton in mittlerer Lage, Langer Ton mit der Spieltechnik Flatterzunge mit Triggerung Gesprochener Vokal i ohne Instrument, Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Gesprochener Vokal e ohne Instrument, Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Gesprochener Vokal a ohne Instrument, Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Gesprochener Vokal o ohne Instrument, Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Gesprochener Vokal u ohne Instrument, Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Task 6a, Aufsteigende Naturtonreihe (keine harmonische Folge aufgrund des einfaches Instruments) in schneller Folge ausgeführt. Aufnahme ohne 20

25 Naturtonreihe S 6b Crescendo/Decres cendo S 7 Einfachzunge S 8a Doppelzunge S 8b langsam Triggerung (statisch) Task 6b, Aufsteigende Naturtonreihe (keine harmonische Folge aufgrund des einfaches Instruments) in langsamer Folge ausgeführt. Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Task 7, Ausgehaltener Ton in mittlerer Lage mit Dynamik (Lautstärkenänderung) Leise-Laut-Leise. Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Task 8a, Wiederholende Ausführung der Spieltechnik Einfachzunge in mittlerer Lage. Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Task 8b, Wiederholende Ausführung der Spieltechnik Doppelzunge in mittlerer Lage. Aufnahme ohne Triggerung (statisch) Abbildung 16 Protokoll der Aufnahmenserie Tonguing MRI ( Bertsch, 2014) DICOM und Osirix Die vom MRT angefertigten Schnittbilder wurden auf eine CD-R kopiert und liegen im DICOM-Format vor. In dieser DICOM-Datei sind die Meta-Daten, wie z.b. Schichtdicke, TE, TR, FOV, Matrix usw. gespeichert. DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) ist ein internationaler Standard und wurde speziell für die Übertragung von Bildern und den dazugehörigen Informationen unterschiedlicher bildgebender Verfahren entwickelt. Das American College of Radiologie (ACR) und der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) bildeten einen gemeinsamen Ausschuss im Jahr 1983, um diesen Standard ins Leben zu rufen (Association, National Electrical Manufacturers, 2011). Zur Bearbeitung der Bilder wurde eine Bearbeitungssoftware verwendet. Es stehen im Internet verschiedene Anbieter zum Download zur Verfügung. Für diese Arbeit wurde die Software Osirix ausgewählt. Osirix ist eine Software zum Bearbeiten und Darstellen von DICOM-Bildern. 21

26 3.2.6 MRT-Bilder Die folgenden Bilder zeigen einen Auszug aus dem Protokoll der verschiedene Zungenbewegungen. Die Abbildungen 18 und 19 zeigen die Doppel- und Dreifachzunge mit Triggerung. Die Zunge ist in ihrer Position weitgehend artefaktfrei und mit ihren Konturen gut zu erkennen. Es besteht kein Unterschied der Bildqualität zwischen Doppel- und Dreifachzunge. Vergleicht man die Aufnahmen ohne Triggerung, die der Einfach- und Doppelzunge, Abbildung 20 und Abbildung 21 sind vermehrt Bewegungsartefakte zu erkennen. Hingegen bei den Aufnahmen der Vokalen I-E-A-O-U Abbildung 22 und Abbildung 23 sind wenige bis gar keine Bewegungsartefakte zu erkennen. Abbildung 17 Doppelzunge tü/kü/tü ( Deutsch, 2014) 22

27 Abbildung 18 Doppelzunge mit Triggerung ( Deutsch, 2014) Abbildung 19 Trippelzunge mit Triggerung ( Deutsch, 2014) Abbildung 20 Einfachzunge ohne Triggerung ( Deutsch, 2014) Abbildung 21 Doppelzunge ohne Triggerung ( Deutsch, 2014) 23

28 Abbildung 22 Vokale I-E-A ( Deutsch, 2014) Abbildung 23 Vokale O-U ( Deutsch, 2014) Mikrokontroller Wie bereits besprochen bestand das Problem, dass eine Sequenz von MR-Bildern angefertigt werden musste, welche eine Frequenz von 50 Hz hat. D.h. es musste alle 20 ms ein Bild einer quasi periodischen Bewegung der Zunge erzeugt werden. Da für eine optimale Bilderstellung ein T1-gewichteter Kontrast erzeugt werden musste und das ohne Einfaltungsartefakte waren leider nur Aufnahmezeiten von jenseits der 350 ms möglich. Eine Aufnahmezeit von 350 ms ermöglicht keine Sequenz von 50 Bildern pro Sekunde, da die Periodendauer bei 20 ms liegt. Da die Zunge beim Zungenstoß immer die gleiche Bewegung macht, entstand die Idee, die Bilder nicht bei einer einzigen Bewegung zu erzeugen, sondern jeweils einen Bewegungsbereich pro Zungenstoß zu erfassen. D.h. beim 24

29 ersten Zungenstoß wird der Scan unmittelbar gestartet. Beim zweiten wird der Scan nach 20 ms gestartet, und nach dem dritten Zungenstoß bereits nach 40 ms. Diese Möglichkeit der Aufnahme von schnellen Bewegungen wird z.b. in der Computertomographie bei Herzaufnahmen verwendet und nennt sich Segmentierung. Dabei wird von der quasi periodischen Bewegung des Herzens jeweils nur ein Segment aufgenommen. Anschließend werden die Segmente zu einer Bewegung zusammengefasst und dargestellt. Dies ergibt den Eindruck, dass es sich hierbei um eine einzige Bewegung des Herzens handelt (Kalender, 2006, S. 225 f). Für eine periodische Bewegung der Zunge wurde dem Musiker ein akustisches Signal von 1 Hz mittels Piezosummer zugespielt. Der Musiker musste exakt mit dem akustischen Signal den Zungenstoß bzw. die Zungenbewegung beginnen. Der Scan wurde anschließend jeweils um ein Vielfaches von 20 ms begonnen. Somit war es möglich, alle 20 ms ein Segment der Bewegung der Zunge zu erzeugen. Um dieses Problem zu lösen, wurde von Ingenieuren des TGM Wien 20 eine Schaltung mit Mikrokontroller angefertigt, welche periodisch ein akustisches Signal von 1 Hz erzeugt. Nach der Erzeugung des Signals wurde ein Spannungsimpuls erzeugt, welcher an das EKG-Modul des MR angelegt wurde und somit den Scan auslöste. Hierbei handelte es sich um einen einfachen 8-Bit-RISC-Prozessor der Familie ATMEGA8, welcher mit einen C-Compiler programmiert wurde (Atmel, 2013). Folgender Programm-Code wurde verwendet ( Houska, 2014): #include <avr/io.h> #include <avr/delay.h> #define ifrequenz 60 // Takte pro Minute #define idelay 20 // Zeit in Millisekunden #ifndef F_CPU /* Definiere F_CPU, wenn F_CPU nicht bereits vorher definiert (z. B. durch bergabe als Parameter zum Compiler innerhalb des Makefiles). Zus tzlich Ausgabe einer Warnung, die auf die "nachtr gliche" Definition hinweist */ #warning "F_CPU war noch nicht definiert, wird nun mit definiert" #define F_CPU UL /* Quarz mit Mhz */ #endif void long_delay_ms(uint16_t ms) { for(; ms>0; ms--) _delay_ms(1); } void beat(void) { 25

30 PORTB = 0b ; // Click ein long_delay_ms(20); PORTB = 0b ; // Click aus } void signal(int itime) { PORTB = 0b ; // Signal ein long_delay_ms(itime); PORTB = 0b ; // Signal aus } int main(void) { DDRB = 0b ; PORTB = 0b ; int iloop = 0; int iperiod = 60000/iFrequenz; while(1) { { int iphase = idelay*iloop; if (iphase > iperiod) } beat(); iloop = 0; iphase = 0; long_delay_ms(iphase); // 0 ms, 20 ms, 40 ms, 60ms,... signal(30); // 30 ms long_delay_ms(iperiod-iphase); } iloop++; } return 0; In einer Endlosschleife wurde ein Piezosummer mit einer Frequenz von 1 Hz angesteuert. Nach jedem Schleifendurchlauf wurde die Verzögerung zwischen akustischem Signal und auslösendem EKG-Signal um 20 ms erhöht. Als die maximale Periodendauer erreicht wurde, wurde die Verzögerung auf 0 ms zurückgesetzt. Das erzeugte EKG-Signal wurde mittels Widerstandsnetzwerk symmetrisch an die Elektroden des EKG-Moduls des MRT angelegt. Hierbei war zu beachten, dass die Signaldauer kurz zu wählen war, da der Tiefpass des EKG-Moduls zu berücksichtigen war. Eine zu lange Signaldauer verursachte ein Umladen der Kondensatoren im EKG-Modul und damit keine exakte Steuerung des MRT. Weiters wurde ein Spannungsteiler verwendet, um die hohe Spannung des Mikrokontrollers auf ca. 10 mv abzusenken. 26

31 Das größte Problem dabei war, dass das akustische Signal gegenüber der Geräuschentwicklung des MRT (Gradient) zu leise war. Somit hatte der Musiker größte Mühe gegen das MRT-Geräusch seine Zungenbewegung auszuführen. 510 Ω Elektrode Grün 240 kω 10,60 mv Elektrode Rot 240 kω 10,60 mv Elektrode Weiß 5 V 510 Ω 510!Ω!! = 5!! = 10,60!!" 240!!Ω + 510!Ω Abbildung 24 Schaltplan ( Houska, 2014) 27

32 4 Ergebnisse In dieser vorliegenden Arbeit, die auf dem Ergebnis meiner ersten Arbeit beruht, wurde die Zungenbewegung in der MRT untersucht. Die zentrale Fragestellung, welche Parameter bei der Magnetresonanztomographie die optimale Visualisierung der Zungenbewegung ermöglichen, kann wie folgt beantwortet werden. Dazu wurde mit mehreren Versuchen in einem 3T-MRT eine geeignete Sequenz ausgewählt. Letztendlich fiel die Wahl auf die Dynamic Turbo Flash-Sequenz, mit der sich die Zungenbewegung meiner Meinung nach am besten darstellen lässt. Für diese Studie wurde noch eigens ein Mikrokontroller, der ein künstliches EKG-Signal erzeugt, hergestellt um die Messung in der MRT starten zu können. Die Versuche wurden mit einem fortgeschrittenen Trompetenspieler durchgeführt. Die Anforderung an den Proband bestand darin, dass er einerseits ein erfahrener Trompetenspieler sein musste und andererseits die MR-Tauglichkeit gegeben sein musste. Diese Testperson wurde mit einem Plexiglasmundstück ausgestattet, um während der Messung die Zungenbewegungen auszuführen. Es wurde eine Versuchsanordnung mit unterschiedlichen Zungentechniken ( Abbildung 16 Protokoll der Aufnahmenserie Tonguing MRI ) erstellt, die mit Triggerung und ohne Triggerung durchgeführt wurden. Bei den Bildern der Doppel- und Trippelzunge mit Triggerung kann man festhalten, dass sie weitgehend artefaktfrei zur Darstellung kommen und kein wesentlicher Unterschied vom Bildeindruck besteht. Als Ergebnis der Einfach- und Doppelzunge ohne Triggerung lässt sich festhalten, dass vermehrt Bewegungsartefakte im Bereich der Zunge zu erkennen sind (Abbildung 20 Einfachzunge ohne Triggerung und Abbildung 21 Doppelzunge ohne Triggerung). Wobei bei den statischen Aufnahmen der Vokale I-E-A-O-U keine Bewegungsartefakte zu erkennen sind (Abbildung 22 Vokale I-E-A und Abbildung 23 Vokale O-U). 28

33 5 Zusammenfassung Thema dieser Arbeit ist die Dokumentation der Zungenartikulation beim Spielen eines Blechblasinstrumentes mittels Magnetresonanztomographie. Dabei wird versucht unterschiedliche Zungentechniken mithilfe der MRT darzustellen. Die MRT ist sehr empfindlich gegenüber Bewegungsartefakten. Bei der Darstellung der Zungenbewegung kommt es in der Regel vermehrt zu Artefakten. Ob man diese vermeiden oder optimieren kann, wird mit verschiedenen Aufnahmeparametern oder -techniken getestet. Aus dem Thema ergibt sich die zentrale Fragestellung: Welche Parameter bei der Magnetresonanztomographie ermöglichen die optimale Visualisierung der Zungenbewegung? Bei der Erstellung dieser Arbeit kommt als Methode eine Beschreibung der Versuchsanordnung zur Anwendung. Ein Proband wird mit einem Plexiglasmundstück ausgestattet um während einer laufenden Messung in einem 3T-MRT mehrere Aufgaben durchzuführen, um die Zungenbewegung darzustellen. Diese Aufgaben wurden in einem Protokoll zusammengefasst und dokumentiert. Als Ergebnis kann man sagen, dass die Zungenbewegungen, die mit Triggerung durchgeführt wurden, durch artefaktfreie Bilder zur Darstellung kommen. Bei der Zungenbewegung ohne Triggerung sind vermehrt Bewegungsartefakte im Bereich der Zunge zu erkennen. Bei den gesprochenen Vokalen I-E-A-O-U, die ebenfalls ohne Triggerung durchgeführt wurden, zeigen die Bilder keine Artefakte. 29

34 6 Abkürzungsverzeichnis B 0 EKG ETL FID FISP Flash FOV FSE GE Grappa K-Raum MRT SNR T T1 T1-Zeit T2 T2-Zeit TE TR True Fisp Das statische Hauptmagnetfeld des Kernspintomographen Echokardiogramm Echo Train Length, Echozuglänge Free Induction Decay Fast Imaging with Steady State = Grass, T2-Fast Field Echo Fast low Angle Shot, GE mit Spoiler = T1-Fast Field Echo Field of View, Bildausschnitt Fast Spin Echo Gradientenecho Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition, Parallelle Akquisitionstechnik, die bei gleicher Auflösung die Messzeit reduziert. Rohdatenraum, Fourierraum Magnetresonanztomographie Signal-Rausch-Verhältnis Tesla Längsrelaxation Längsrelaxationszeit Querrelaxation Querrelaxationszeit Time to Echo, Echozeit Time Repetition, Repetitionszeit True Fisp Imaging with Steady Precession 30

35 7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Wasserstoffatom... 3! Abbildung 2 Drehimpuls und Magnetisches Moment... 3! Abbildung 3 Präzessionsbewegung... 4! Abbildung 4a-d (a) Rotation der Spins. (b) Ausrichtung der Spins in einem Magnetfeld B 0. (c) HF-Impuls. (d) Transversalmagnetisierung... 5! Abbildung 5 T1-Relaxation... 6! Abbildung 6 T2- und T2*-Relaxation... 6 Abbildung 7 Free Induction Decay...8 Abbildung 8 Artefakt in der TrueFisp Abbildung 9 Flipwinkel ! Abbildung 10 Flipwinkel ! Abbildung 11 Einfaltungsartefakt mit FOV 240 mm... 15! Abbildung 12 Spielposition... 16! Abbildung 13 Plexiglasmundstück und Ansatz Abbildung 14 Darstellung des Versuchsaufbaus Abbildung 15 Mikrokontroller zur Triggerung und Anschluss... 18! Abbildung 16 Protokoll der Aufnahmenserie Tonguing MRI... 21! Abbildung 17 Doppelzunge... 22! Abbildung 18 Doppelzunge mit Triggerung... 23! Abbildung 19 Trippelzunge mit Triggerung... 23! Abbildung 20 Einfachzunge ohne Triggerung... 23! Abbildung 21 Doppelzunge ohne Triggerung... 23! Abbildung 22 Vokale I-E-A... 24! Abbildung 23 Vokale O-U Abbildung 24 Schaltplan

36 8 Literaturverzeichnis Association, National Electrical Manufacturers. ( ). medical.nema.org. Abgerufen am 08. April 2014 von medical.nema.org: Atmel. (28. Februar 2013). Abgerufen am 18. April 2014 von Kalender, W. A. (2000). Computertomographie. München: Publicis MCD Verlag. Nitz, W. R., Runge, V. M., Schmeets, S. H., Faulkner, W. H., & Desai, N. K. (2007). Praxiskurs MRT-Anleitung zur MRT-Physik über klinische Bildbeispiele. Stuttgart: Georg Thieme Verlag KG. Schumacher, M., Schmoor, C., Plog, A., Schwarzwald, R., Tschner, C., Echternach, M., et al. (2. Juli 2013). Motor functions in trumpet playing - a real time MRI analysis. Neuroradiology, S Schwarzmüller-Erber, G., & Silberstein, E. (2010). Angewandte Magnetresonanztomographie. Wien: Facultas Verlags- und Buchhandels AG. Weishaupt, D., Köchli, D. V., & Marincek, B. (2009). Wie funktioniert MRI? Heidelberg: Springer. 32