T2*-Messungen bei externer Gabe von Sauerstoff und Carbogen

T2*-Messungen bei externer Gabe von Sauerstoff und Carbogen :
Vergleich zwischen EPI und FLASH
A. Bongers, L.R. Schad
Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg
Abteilung für Biophysik und med. Strahlenphysik
Arbeitsgruppe Physiologische und Funktionelle MR-Bildgebung
EINLEITUNG:
Sauerstoffgehalt und -aufnahme eines Tumors sind
wichtige Parameter für den Erfolg einer
Strahlentherapie. Hypoxische Tumore sprechen
deutlich schlechter auf die Strahlentherapie an und
zeigen daneben auch eine stärkere Neigung zur
Metastasierung. [1] Zur Erhöhung des O2-Pegels
im Tumor wird dem Strahlentherapiepatienten daher
oftmals
Atemgas
mit
erhöhtem
Sauerstoffpartialdruck, meist 100% O2 oder
Carbogen (95% O2 / 5% CO2), zugeführt. Der CO2Anteil soll dabei durch seine starke vasodilatorische
Wirkung die Tumorperfusion zusätzlich erhöhen.
Für die Beurteilung der Aussichten einer
Strahlentherapie und der Tumorvitalität ist die
nichtinvasive Messung der O2-Versorgung im
Tumor von Bedeutung. In der MRT bietet sich die
Nutzung der unterschiedlichen magnetischen
Eigenschaften
des
oxygenierten
und
desoxygenierten Blutes und die damit verbundene
Beeinflussung der T2*-Relaxationszeiten an (sog.
BOLD Effekt). Obwohl absolute Messungen der
Sauerstoffsättigung derzeit noch nicht möglich sind,
lassen sich über die Messung von T2*-Änderungen
nach externer Gabe von Carbogen bzw. O2
Aussagen über die relative Änderung der
Sauerstoffversorgung im Gewebe machen. [2]
Als Voraussetzung für die reproduzierbare
Detektion der Signalantwort von Tumoren auf O2bzw. Carbogenatmung wurden in dieser Studie die
Sensitivität einer FLASH und einer EPI Sequenz
auf die durch Carbogen bzw. O2 induzierte
Änderung von T2* untersucht.
METHODEN:
Auf
einem
Siemens
Vision
1,5
T
Ganzkörpertomographen wurde an 5 Probanden
jeweils ein Experiment mit einer T2*-gewichteten
flußrephasierten FLASH und einer blipped GE-EPI
Sequenz unter Carbogenatmung (95%O2 / 5%CO2)
und zwei entsprechende Experimente bei 100% O2
Atmung durchgeführt.
Während der Versuche wurde den Probanden
alternierend Raumluft und Atemgas über eine
Atemmaske zugeführt und jeweils eine BOLD
sensitive Bilderserie aufgenommen.
Die FLASH Serie beinhaltete 120 Zeitframes mit je
einer transversalen Schicht, jeweils alternierend 30
Bilder Raumluftatmung und 30 Bilder Gasatmung.
Die Zeitdauer einer Atmungsperiode betrug 4
Minuten. Für die EPI Sequenz wurden 240
Zeitframes mit je 4 transversalen Schichten
aufgenommen,
die
Blocklänge
für
eine
Gasatmungsperiode betrug 60 Frames, bzw. 3min.
Die Parameter für die benutzten Sequenzen waren:
GE-EPI: TE=60ms, TR=3s, Matrix 128x128,
FOV= 220 mm, Schichtdicke=5mm; FLASH:
TE=48ms, TR=76ms,
Matrix 108x128,
FOV=220mm, Schichtdicke=5mm
Nach Bewegungskorrektur wurde für jede Bildserie
die pixelweise Korrelation mit einer 30 (FLASH)
bzw. 60 (EPI) Zeitframes breiten Boxcarfunktion
ermittelt und aus den Korrelationskoeffizienten
(unter der Annahme gaußverteilten Rauschens) der
p-Wert für die Signifikanz des Signalanstieges im
Pixel berechnet. Der Signalanstieg unter Gasatmung
wurde bei einem Schwellenwert von p=0.001 als
signifikant angesehen.
Aus den Korrelationskarten wurde für jedes
signifikante Pixel der relative Signalanstieg durch
Differenzbildung der Mittelwerte über die Zeitserie
berechnet. Für jeden Probanden wurden 3 ROIs mit
signifikanten Pixeln im Hirnparenchym ausgewählt
und gemittelt, um eine mittlere T2*-Änderung im
Hirnparenchym zu erhalten.
Abb. 1 Vergleich der T2*-Änderung bei 100% O2 und
Carbogenatmung (95%O2/5%CO2) für die EPI Serie. Die Pixel
der berechneten Korrelationskarten mit einer Signifikanz
p>0,001 sind den anatomischen Bildern in schwarz überlagert.
a) Korrelationskarte bei 100% O2 Atmung b) Korrelationskarte
bei Carbogenatmung Der CO2 Zusatz macht sich in einer
deutlich besseren Korrelation des MR Signals mit der
Gasatmung bemerkbar.
ERGEBNISSE:
Die berechneten Korrelationskarten zeigen bei einer
Signifikanzschwelle p=0,001 für alle Probanden
eine gute Übereinstimmung zwischen T2*-
Änderung
unter
Gasatmung
und
der
morphologischen Lage der grauen Hirnsubstanz. In
der weißen Substanz konnte kein signifikanter
Anstieg beobachtet werden.
Bei reiner O2 Atmung wurde ein Signalanstieg von
6-8% im Hirnparenchym gemessen. Demgegenüber
war
die
ermittelte
T2*-Änderung
bei
Carbogenatmung mit 10-15% etwa doppelt so groß.
Für Carbogen zeigten außerdem deutlich mehr Pixel
der
grauen
Substanz
einen
signifikanten
Signalanstieg.
Abb. 2 Vergleich der T2*-Änderung für unterschiedliche
Sequenztypen bei 100% O2 Atmung. Die Pixel der berechneten
Korrelationskarten mit einer Signifikanz p>0,001 sind den
anatomischen Bildern in schwarz überlagert.
a) Korrelationskarte der EPI Serie b) Korrelationskarte der
FLASH Serie. Es werden bei gleicher Signifikanzschwelle für
die EPI Sequenz nur vereinzelte Pixel sichtbar, die bei O2Atmung einen Signalanstieg zeigen. Die FLASH Pulssequenz
zeigt dagegen einen Signalanstieg über die gesamte graue
Substanz.
Für die beiden getesteten T2*-gewichteten
Sequenzen zeigten sich große Unterschiede in der
Anzahl
der
signifikanten
Pixel
der
Korrelationskarte.
Die Signalantwort der EPI
Sequenz korreliert für alle Probanden schlechter
mit der Gasatmung als diejenige der FLASH
Sequenz.
Während bei der FLASH Serie auch für 100%
Sauerstoffatmung fast alle Pixel der grauen
Substanz eine signifikante Signaländerung zeigen,
lieferte die EPI Sequenz generell nur vereinzelte
Pixel über der Signifikanzschwelle.
Ein exemplarischer Fall für den Unterschied im
Signalanstieg
beider
Sequenztypen
bei
Sauerstoffatmung ist in Abb. 2 dargestellt.
Signifikante Ergebnisse konnten für die EPI
Sequenz erst durch zusätzliche CO2 Beimengung
(Carbogenatmung) erreicht werden (Abb.1).
DISKUSSION:
Der gemessene Signalanstieg bei beiden Gasen
korrelieret wie erwartet mit der erhöhten
Kapillardichte und O2-Versorgung der grauen
Hirnsubstanz .
Trotz leicht schlechterer Auflösung der FLASH
Sequenz (1,72 x 2,04 mm) gegenüber der EPI
Technik (1,72 mm2), wurde für die FLASH Sequenz
eine deutlich bessere Korrelation
des
Signalanstieges in der grauen Substanz mit der
Gasatmung festgestellt. Die schlechtere Korrelation
bei EPI Messungen macht sich besonders negativ
bemerkbar bei der Darstellung von T2*Änderungen, die auf einer reinen Erhöhung der
Blutsauerstoffsättigung beruhen.
Der Signalanstieg nach 100% O2-Atmung lässt sich
mit der getesteten single-shot GE-EPI Sequenz
nicht reproduzierbar darstellen. Daher muss unter
Verzicht auf die höhere Zeitauflösung auf die
Aufnahme einer T2*-gewichteten FLASH Serie
zurückgegriffen werden, die deutlich sensitiver auf
einen extern induzierten BOLD Effekt reagiert.
Der Grund für die höhere Sensitivität der FLASH
Sequenz auf den BOLD Kontrast bleibt zunächst
noch unklar. Eine mögliche Ursache könnte bei der
EPI Technik in der Variation der T2*-Wichtung
über den gesamten k-Raum liegen.
Im Gegensatz zum O2 induzierten Kontrast lässt
sich der stärkere, durch Carbogen induzierte BOLD
Effekt
mit
beiden
Bildgebungsmodalitäten
reproduzierbar darstellen. Dies läßt Carbogen für
einen Einsatz zur Detektion schlecht mit Sauerstoff
versorgter Tumorareale am Patienten zunächst
besser geeignet erscheinen.
Allerdings
ist
der
Mechanismus
der
Kontrastentstehung bei Carbogenatmung schwer zu
quantifizieren, da hier neben der höheren
Blutsauerstoffsättigung auch die höhere Perfusion
im Gewebe eine Rolle spielt.
AUSBLICK:
Die durchgeführten Experimente zeigen das
Potenzial des extern durch Gasatmung induzierten
BOLD Kontrastes für die Abbildung der relativen
Sauerstoffversorgung im Gewebe.
In einer
Patientenstudie wird diese Bildgebungsmodalität
derzeit auf ihre Möglichkeiten hinsichtlich der
Abgrenzung hypoxischer, nekrotischer und vitaler
Tumorareale untersucht.
REFERENZEN:
[1] Molls, M., P. Stadler, et al. (1998). “Relevance of oxygen in
radiation oncology. Mechanisms of action, correlation to low
hemoglobin levels.” Strahlenther Onkol 4: 13-6.
[2] Robinson, S. P., D. R. Collingridge, et al. (1999). “Tumour
response to hypercapnia and hyperoxia monitored by FLOOD
magnetic resonance imaging.” NMR Biomed 12(2): 98-106.
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