Validierung der Nierenperfusionsmessung mittels DCE

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Validierung der Nierenperfusionsmessung mittels DCEMRI mit einem intravasalen Kontrastmittel an einem
Schweinemodell
Lutz Lüdemann, Benno Nafz, Franz Elsner, Michael Meissler, Nicola Kaufels, Hagen
Rehbein, Philipp Lengsfeld, Christian Große-Stiestrup, Pontus Persson, Matthias
Voth, Matthias Gutberlet
Klinik für Strahlenheilkunde, Charité, Campus Virchow-Klinikum, Berlin
Einleitung
Die Magnetresonanztomographie (MRT) der Niere wird derzeit überwiegend zur Darstellung der
Nierenmorphologie verwendet. Die zusätzliche Verwendung der Perfusionsmessung könnte es ermöglichen
neben der Morphologie bisher fehlende funktionelle Informationen bereitzustellen, die eine Diagnostik von
suspekten Nierenstenosen komplettieren. Eine Methode zur Quantifizierung des gesamten Nierenflusses sowie
der kortikalen als auch der medullären Perfusion ist jedoch bisher nicht etabliert. Es ist zu erwarten, dass die
verlängerte Verweildauer von intravaskulären Kontrastmitteln im Blut die Zuverlässigkeit und
Quantifizierbarkeit der Perfusionsmessung von dynamischen kontrastmittelverstärkten MRT-Methoden (DCEMRI) verbessert. Daher war es das Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Studie, die Machbarkeit der
Quantifizierung des gesamten Nierenflusses als auch die Quantifizierung der kortikalen und medullären
Perfusion mittels DCE-MRI unter Verwendung eines zugelassenen intravaskulären Kontrastmittels (KM),
Gadofosveset Trisodium (Vasovist®), zu untersuchen.
Material und Methoden
Insgesamt 18 weibliche Schweine (45-65 kg Körpergewicht) wurden untersucht. Sieben Schweine dienten der
Optimierung der Sequenzen, der Kontrastmitteldosierung und der Akquisitionsparameter für die
Perfusionsmessung und die anatomischen Sequenzen der Niere. Zusätzlich wurde die Kontrastmitteldosierung
für die Studie optimiert und die Reproduzierbarkeit der MR-Perfusionsmessmethode untersucht. Eine
modifizierte Ultraschalldopplersonde (Typ 4RB, MRT kompatibel, Transonic Systems Inc., USA) wurde an die
Nierenvene angebracht, um den Gesamtnierenfluss zu bestimmen.
Die MRT-Untersuchung erfolge an einem TwinSpeed-System (GE, USA) unter Verwendung einer 8Kanalherzoberflächenspule für den Signalempfang. Alle Unersuchungen wurden in Atemanhaltetechnik in
koronaler Schichtführung mit einem Gesichtsfeld von 460 mm durchgeführt. Vor der Perfusionsmessung
wurden ohne Kontrastmittelverstärkung eine T 1-gewichtete gespoilte Gradientenechosequenz mit Fettsättigung
und eine gemischt T1/T2-gewichtete SSFP (steady state free procession) Sequenz akquiriert.
Jeder dynamischen Messung gingen fünf Bildakquisitionen mit einer 3D T1-gewichteten
Gradientenechosequenz mit einer TE von 0,88 ms, TR von 2,65 ms, Schichtdicke 8,8 mm, 4 Schichten, Matrix
128128, Phasen-FOV 0,62, Rekonstruktionsmatrix 256256, 4 Mittelungen und unterschiedlichen
Anregungswinkeln (2°, 5°, 10°, 20°, 30°) voraus. Unmittelbar nach Akquisition dieser Bilder wurde in der
gleichen Schichtposition eine 3D T1-gewichtete Gradientenechosequenz mit denselben Sequenzparametern mit
Ausnahme des Anregungswinkels 30°, halber Fourierabtastung und ohne Mittelung aufgenommen. Die
Kontrastmittelanflutung wurde über einen Zeitraum von 105,6 s an 65 Zeitpunkten mit einer zeitlichen
Auflösung von 1,65 s gemessen. 3 ml des albuminbindenden intravaskulären Kontrastmittels (0,25 mmol/ml
Gadofosveset Trisodium, Bayer Schering Pharma AG, Deutschland) wurden mit einer Geschwindigkeit von 3
mL/s gefolgt von 20 mL isotonischer Kochsalzlösung injeziert. Die Infusion wurde während der Akquisition
des fünften 3D-Bilddatensatzes gestartet.
Vor Beginn der MR-Bildgebung wurde der Gesamtnierenfluss mit der Ultraschallsonde im MRT-Raum
gemessen. Die Perfusionsmessung wurde bei jedem Schwein im Abstand von ca. 20 min vier mal wiederholt.
Es wurde angestrebt den Nierenblutfluss bei der ersten Messung auf 60 %, bei der zweiten Messung auf 40 %
und bei der dritten Messung auf 20 % des Ruheflusses zu reduzieren. Die vierte Messung wurde zu
Kontrollzwecken mit vollständig geöffneter Stenose durchgeführt.
Der Satz von fünf 3D T1-gewichteten Gradientenechobildern mit den unterschiedlichen Anregungswinkeln
(2°, 5°, 10°, 20°, 30°) akquiriert vor jeder dynamischen Messung wurden dazu verwendet die longitudinale
basale Relaxationsrate (R10) und die Magnetisierung (M0) voxelweise zu berechnen [1]. Anschließend wurden
die Parameterkarten R10 und M0 dazu verwendet, um die dynamischen bewegungskorrigierten Messungen in 4D
Karten der Relaxationsratenänderung (R1(t)) umzurechnen [1]. Die arterielle Eingangsfunktion (AIF) wurde
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gemittelt nur aus denjenigen Voxeln der R1(t)-Karte, die definitiv vollständig innerhalb der Aorta lagen, um
Partialvolumeneffekte zu vermeiden. Anschließend wurde mit Hilfe der AIF und der R 1(t)-Karte mit Hilfe der
Singulärwertzerlegung die Perfusion voxelweise berechnet [2].
Die morphologischen Bilder wurden dazu verwendet, die ipsilaterale Niere, d.h. die Niere, bei der der Fluss
variabel eingestellt worden war, in Mark, Rinde und Rest zu segmentieren. Der Volumenbeitrag jedes
Segmentes zu der gesamten Niere wurde daraus berechnet. Die Perfusionsbilder wurden verwendet, um Rinde
und Kortex ein weiteres mal zu definieren, wobei eine möglichst große partialvolumenfreie Abdeckung in den
Perfusionbildern angestrebt worden war, woraus die mittlere Rinden- und Markperfusion berechnet wurden.
Das Volumen berechnet aus den morphologischen Bildern und die mittlere Perfusion jedes Segementes wurden
verwendet um den Gesamtnierenfluss zu bestimmen. Dabei wurde angenommen, dass nur Rinde und Mark
signifikant zum Gesamtnierenfluss beitragen.
Ergebnisse
Zwei Schweine wurden vier mal unter identischen Perfusionsbedingungen untersucht. Dabei konnte die AIF
als auch eine gemitteltes Gewebesignalzeitkurve in Einheiten der Relaxationsrate mit einer Genauigkeit von
besser als 5% reproduziert werden. Zusätzlich wurde eine Dosiseskalationsstudie mit Einzeldosen von bis zu 5
ml Kontrastmitteldosis bis zu einer Gesamtdosis von 18 ml durchgeführt. Dabei wurde festgestelllt, dass die
KM-dynamik bis zu einer Gesamtdosis von 15 ml KM reproduziert werden konnte. Daher konnte die im
vorliegenden Protokoll realisierte vierfache Injektion von jeweils 3 ml KM reproduzierbar durchgeführt werden.
Bei elf Schweinen wurden vier unterschiedliche Perfusionszustände nacheinander gemessen. Der kontrolliert
reduzierte Gesamtnierenfluss gemessen mit der Ultraschallsonde korreliert hochgradig mit dem
Gesamtnierenfluss aus der MRT-Messung, P<0,001 (siehe Abb. A). Der Korrelationskoeffizient zwischen
beiden Messmethoden beträgt 0,843. Die lineare Regression ergab eine Steigung von 0,777 und einen yAchsenabschnitt von 24,1 ml/min. Die Perfusion von Nierenkortex und Nierenmark korrelieren ebenfalls
hochgradig mit dem relativen Gesamtnierenfluss, P<0,001 (siehe Abb. A + B). Perfusionswerte niedriger als 50
ml/(min cm3) wurden überschätzt. Der Grund dafür ist höchstwahrscheinlich, dass der dynamische Signal-zuRauschabstand bei niedrigen Perfusionswerten zu gering ist und Rauschen bei der Singularwertzerlegung als
Perfusion interpretiert wird. Hohe Perfusionswerte werden geringfügig unterschätzt.
Schlußfolgerungen
Die in der vorliegenden Studie angewendete DCE-MRI-Technik ermöglicht die Absolutquantifizierung der
Nierenperfusion wie auch die separate Bestimmung der Mark- und Rindenperfusion. Die vorliegenden
Ergebnisse zeigen, dass die Technik eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hat, um sie in einer
klinischen Umgebung einsetzen zu können.
Literatur
[1] Li, K-L et al 2000 JMRI 12:347-357
[2] Ostergaard, L et al 1996 MRM 36:715-725
Abb.: A) Korrelation des Gesamtnierenflusses gemessen mit der DCE-MRI mit dem Fluss an derselben Niere
gemessen mit der Doppler-ultraschallsonde (US). B) Mittlere Nierenkortexperfusion in Abhängigkeit vom
relativen Nierenfluss (US) C) Mittlere Nierenmarkperfusion in Abhängigkeit vom relativen Nierenfluss (US).
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