Perfusionsbestimmung des menschlichen Herzens mittels First-Pass
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Perfusionsbestimmung des menschlichen Herzens mittels „First-Pass“MRT S. Hirn, F. Fidler, C.M. Wacker, P. Jakob, A. Haase Physikalisches Institut, Lehrstuhl für Experimentelle Physik V, Würzburg EINLEITUNG: Die Bestimmung der myokardialen Durchblutung ist unerlässlich für die Beurteilung der Vitalität und Leistungsfähigkeit des Herzmuskels. Die „First-Pass“ Methode ist eine dynamische Messung der Signaländerung des Myokardgewebes nach Gabe von MRKontrastmittel (Gd-DTPA). Die Möglichkeit der Perfusionsquantifizierung ist prinzipiell gegeben und wäre ein zusätzlicher wichtiger Schritt, um in Zukunft die Anatomie und Funktion des Herzens in einem Messprotokoll umfassend zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit soll die „First-Pass“ Messung, wie sie klinischer Standard ist, implementiert werden und erste am Probanden aufgenommene Daten dargestellt werden. Im zweiten Teil sollen effektivere Abtastmethoden wie „Radiale“ und „Helikale“ Bildgebungstechniken vorgestellt werden, mit denen schnelle Bilder mit einer räumlich ausreichend hohen Auflösung aquiriert werden können. Insbesondere sollen die Probleme, die im Rahmen dieser Arbeit aufgetreten sind, diskutiert werden. METHODEN: KLINISCHER FIRST PASS Die Perfusionsmessungen [1] erfolgten an einem 2T Bruker. Die verwendete SR-TurboFLASH Sequenz hat die Parameter TE 1.3 ms, TR 2.8ms, Flipwinkel 18°, Schichtdicke 10mm, FOV 25x25cm. Die sequentielle Aufnahme von 40 EKG-getriggerten Einzelaufnahmen erlaubt nach Injektion von 0.05 mmol/kg Gd-DTPA die Verfolgung des Kontrastmitteldurchgangs. Bild 1: zeigt 4 Bilder, aus einer Serie von 40 Bildern, Matrix 128x70 , (a) Precontrast ,(b) Bolusdurchgang im rechten Ventrikel, (c d ) im rechten u. linken Ventrikel Die Auflösung kann herzfrequenzabhängig von 128 x 50 bis 128 x 90 ( Lesepunkte x Phasenschritte) gewählt werden. Dabei werden 3 Kurzachsenschnitte pro Herzschlag aufgenommen. Für die quantitative Auswertung wird im Augenblick das MMID4 Modell [2] und das Fermimodell [3] verwendet. Bild 2: First-Pass Signal – Zeit Kurven Aus dem Signalverlauf des Blutes im linken Ventrikel kann die arterielle Inputfunktion unmittelbar vor Eintritt ins Myokard gewonnen werden. Vorteile der kontrastmittelgeschützten Methode sind • die kurze Messzeit des Verfahrens von etwa 40 sec. • Wiederholung der Messung je nach verwendetem Kontrastmittel (bei Gd-DTPA nach 20 min) • Keine Strahlenbelastung des Patienten im Gegensatz zu PET Nachteile sind • die geringe Ortsauflösung und geringe SignalRauschverhältnis aufgrund der kurzen Messzeit • die geringe Anzahl von nur 3 repräsentativen Schichten reicht nicht aus, das ganze Myokard abzudecken, unter Umständen liegt der Infarkt nicht im Schichtbereich und könnte so dem Nachweis entgehen • geringes Kontrast-Rauschverhältnis im Myokard, da geringe Kontrastmitteldosen verwendet werden müssen, um einen hinreichend linearen Zusammenhang zwischen Signalintensität und Kontrastmittelkonzentration auch im Ventrikel zu gewährleisten • zeitaufwendiges Segmentieren der Daten (siehe Bild 3) lückenlose Untersuchung des gesamten Herzens ist damit prinzipiell möglich, da nicht nur einzelne Schichten untersucht werden, sondern das gesamte Volumen. Man könnte ein genaues Bild über die Lage des Infarkts erhalten. Die Messungen am Phantom zeigten potentielle Möglichkeiten der Anwendung. Deren Vorteil sollen nun auch für medizinische Untersuchungen am Menschen genutzt werden. Diese Abtastmethoden der „Radialen“ und „Helikalen“ Bildgebung stehen noch am Anfang der Entwicklung, da die in vivo aufgenommenen Bilder noch nicht klinisch ausreichend sind. Bild 3: Segmentierungssoftware Cardio Perfusion RADIAL Mit „Radialer“ Abtastung des k-Raums und einer geringen Anzahl von Projektionen verkürzt sich die Aufnahmezeit pro Bild, ohne dass sich die Bildqualität wesentlich verschlechtert. Mit der Zeitersparnis wäre es möglich, mehr als 3 Schichten innerhalb eines Herzschlagintervalls aufzunehmen, um so das Myokard geeigneter abzudecken. An einem speziell für das Problem angefertigten Phantom erkennt man mit 128 x 32 Projektionen mehr Strukturen als mit einem vergleichbaren SR-TurboFLASH mit 2D FT Abtastung gleicher Auflösung. DISKUSSION: Um die quantitative MRI Perfusionsmessung zu einem klinisch relevanten diagnostischen Verfahren zu machen, sind die Verfahren zu optimieren, was Auflösung und Messzeit betrifft. Weiter ist es nötig, den Kontrast-Rauschabstand sowie den Signal-Rauschabstand zu optimieren. Für eine erfolgreiche quantitative MRI Perfusionsmessung müssen in Zukunft validiertere Auswertmodelle und einfache Segmentierungssoftware bereitgestellt werden. LITERATUR: [1] N Wilke, M Jerosch-Herold Assessing Myocardial Perfusion innn Coronary Artery Disease with Magnetic Resonance First-Pass Imaging, Card. Magn Reson. Imag. Vol.16 (2), pp.227-246, 1998 [2] National Simulation Resource, University of Washington, Seattle, WA 98195-7962, 2000 [3] M Jerosch-Herold, N Wilke Magnetic Resonance Quantification of the Myocardial perfusion Reserve with a Fermi Function Model for Constrained Deconvolution, Med. Phys. Vol.25 (1), pp.73-84, 1998 [4] Rasche V, de Boer RW, Holz D, et al. Continuous radial data acquisition for dynamic MRI. Magn Reson Med , Nov 1995, 34(5) p754-61 Bild 4: Phantombilder (a) radial 128 x 32, (b) 2D FT SR-TurboFLASH 128 x 32 Da der linke Ventrikel mit Myokard eine rotationssymmetrische Form besitzt (siehe Bild 3), ist die radiale Bildgebung also prinzipiell eine dem Problem besser angepasste Methode. HELIKAL Eine weitere Methode ist die „Helikale“ [4] Bildgebung, bei der Prinzipien der Spiral CT benutzt werden. Dabei wird bei jeder Projektion dem Anregungspuls eine neue Offsetfrequenz gegeben, wodurch bis zu 10 Schichten (Schichtdicke 10mm) mit einer Auflösung von 128 x 32 spiralförmig aufgenommen werden können. Eine
