Quantitative T1-Bildgebung des Gehirns

Werbung
Quantitative T1-Bildgebung des Gehirns
Preibisch, Christine
Universitätsklinikum Frankfurt, Brain Imaging Center
Einleitung
In den letzten Jahren hat das Interesse an der so genannten quantitativen Magnetresonanz-Tomographie
(qMRT) enorm zugenommen (1). Dabei werden Parameterbilder berechnet, deren Intensität nur den Wert eines
einzelnen MR Parameters repräsentiert. Dadurch werden die Messergebnisse unabhängig von speziellen
Messparametern und der Gerätehardware. Dies ist von Vorteil bei der Durchführung von longitudinalen und
multizentrischen Studien. Klinische Bedeutung erhalten die Verfahren durch die Möglichkeit der Erhebung
normaler Kontrollwerte zur Aufdeckung diffuser Pathologien, die zu einer globalen Veränderung der
Parameterwerte führen. Insbesondere für die Messung der longitudinalen Relaxationszeit T1 wurden schnelle
Methoden entwickelt, die die Aufnahme eines 3D Datensatzes des gesamten Gehirns in akzeptabler Zeit
ermöglichen. Neben Methoden zur schnellen Abtastung der Signalerholung nach einer Sättigung oder Inversion
(2,3), wurden in den letzten Jahren vor allem Methoden weiterentwickelt, die auf der Aufnahme von T1gewichteten spoiled FLASH Datensätzen mit verschiedenen Flipwinkeln beruhen (4,5).
Anwendungen
In den letzten Jahren wurden einige Arbeiten zum diagnostischen Wert der quantitativen T1 Bildgebung
vorgestellt. Bei Untersuchungen an Patienten mit Multipler Sklerose konnte gezeigt werden, dass die T1 Werte
nicht nur in Läsionen, sondern auch in normal erscheinender weißer Substanz (NAWM) erhöht sind (6). Bei
Patienten mit Multisystem Atrophie und Parkinson’scher Krankheit wurde festgestellt, dass die T1-Werte in
Kortex, Putamen und Thalamus gegenüber den Normalwerten erniedrigt sind (7), und bei Patienten mit
hepatischer Enzephalopathie korrelieren die T1-Werte im Globus Pallidus, Nucleus Caudatus, und im hinteren
Teil der Capsula Interna mit der Schwere der Erkrankung (8). Andere Anwendungen der quantitativen T1
Bildgebung sind die Untersuchung der Lungenfunktion (9,10) und anatomische Bildgebung. Bestimmte
Hirnstrukturen, z.B. der Nucleus Dentatus, sind in T1- und Spindichte-gewichteten Bildern unsichtbar, können
aber in quantitativen T1-Karten abgebildet werden (11).
Techniken
Wie schon erwähnt, besteht eine Möglichkeit zur Kartierung der T1 Relaxationszeit in der Abtastung des
Signalzeitverlaufs nach einer Inversion oder Sättigung (Inversion oder Saturation Recovery) (2,3). Um eine gute
Messgenauigkeit zu erreichen, müssen normalerweise lange Erholungszeiten ( 5  T1) eingehalten werden (2),
oder zusätzliche Sättigungspulse angewendet werden (3), um eine stabile Gleichgewichtsmagnetisierung zu
erreichen. Dadurch benötigen auch schnelle Methoden relativ lange Messzeiten von ca. 19 sec/Schicht (2),
sodass in der Regel entweder relativ dicke
Schichten (3-4 mm) verwendet werden, oder nur
Teilbereiche des Gehirns abgebildet werden.
Kürzere Messzeiten und damit eine höhere
Volumenabdeckung ermöglichen Methoden, die
auf der Aufnahme von T1-gewichteten spoiled
FLASH
Datensätzen
mit
verschiedenen
Flipwinkeln beruhen (4,5). Diese Methoden
basieren darauf, dass das Signal in spoiled
FLASH vom Flipwinkel abhängt. Dabei kann
schon aus zwei Datensätzen mit verschiedenen
Flipwinkeln ein quantitativer T1-Datensatz
berechnet werden (12). Allerdings müssen die
Flipwinkel den zu messenden T1-Werten und der
verwendeten Repetitionszeit angepasst sein. Ein
Problem dieser Methode ist die räumliche
Inhomogenität des Flipwinkels über das
Bildgebungsvolumen. Deswegen ist es notwendig
Abb. 1: Simulation: Abhängigkeit des gemessenen
die Flipwinkelverteilung zu kartieren (13) und die
scheinbaren T1-Wertes vom Phaseninkrement. Für  =
118.2° und 121.8° stimmen gemessenes und wahres T1
T1-Parameterkarten entsprechend zu korrigieren
(horizontale Linie) überein.  = 50° liegt in einem
(4). Trotzdem erscheinen die mit dieser Methode
Plateaubereich
in weißer Substanz gemessenen Werte von mehr
als 1000 ms (4,14) zu lang im Vergleich zu Werten von etwa 800-900 ms, die mit Inversion Recovery Methoden
gemessen werden (15,16). Eine wahrscheinliche Ursache dieser Diskrepanz ist eine unvollständige Auslöschung
(Spoiling) der transversalen Restmagnetisierung. Neben Spoiler-Gradienten wird bei spoiled FLASH RFSpoiling (17) eingesetzt, um Restmagnetisierungen vor der nächsten Anregung völlig zu beseitigen. Bei diesem
Verfahren werden aufeinander folgende Hochfrequenzpulse mit verschiedenen Orientierungen der Drehachse
(„Phasen“) eingestrahlt. Allerdings hängen die erreichte Gleichgewichtsmagnetisierung (18) und damit auch das
gemessene scheinbare T1 (19), stark vom verwendeten Phaseninkrement  ab. Simulationen (siehe Abb. 1)
zeigen, dass es Werte für das Phaseninkrement gibt, für die das gemessene scheinbare T1 dem wahren T1-Wert
entspricht. Allerdings ändert sich das gemessene scheinbare T1 in diesen Bereichen sehr stark mit , sodass
zumindest in vivo starke Instabilitäten auftreten. Es gibt aber Plateaubereiche, in denen stabile Messungen
möglich sind. In diesen Bereichen wird zwar das wahre T1 durch die gemessenen Werte stark überschätzt,
allerdings ist auf Grundlage von Simulationen die Berechnung von Korrekturwerten möglich, die aber wiederum
vom aktuellen Flipwinkel abhängen (20). Mittels Phantom und in vivo Messungen konnte gezeigt werden, dass
spoiled FLASH mit zwei verschiedenen Flipwinkeln und einem Phaseninkrement von 50° stabile und
zuverlässige T1 Werte liefert wenn eine entsprechende zusätzliche Korrektur durchgeführt wird. Die erhaltenen
T1 Werte von etwa 940 ms in weißer Substanz stimmen gut mit T1 Werten eines Referenzexperimentes (IR-EPI)
(etwa 900 ms) (20) und Literaturwerten (15) überein.
Referenzen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Tofts P. Quantitative MRI of the Brain: Measuring Changes Caused by Disease. Chichester: John Wiley and Sons;
2003.
Deichmann R. Fast high-resolution T1 mapping of the human brain. Magn Reson Med 2005;54(1):20-27.
Shah NJ, Zaitsev M, Steinhoff S, Zilles K. A new method for fast multislice T(1) mapping. NeuroImage
2001;14(5):1175-1185.
Deoni SC. High-resolution T1 mapping of the brain at 3T with driven equilibrium single pulse observation of T1
with high-speed incorporation of RF field inhomogeneities (DESPOT1-HIFI). J Magn Reson Imaging
2007;26(4):1106-1111.
Venkatesan R, Lin W, Haacke EM. Accurate determination of spin-density and T1 in the presence of RF-field
inhomogeneities and flip-angle miscalibration. Magn Reson Med 1998;40(4):592-602.
Stevenson VL, Parker GJ, Barker GJ, Birnie K, Tofts PS, Miller DH, Thompson AJ. Variations in T1 and T2
relaxation times of normal appearing white matter and lesions in multiple sclerosis. Journal of the neurological
sciences 2000;178(2):81-87.
Vymazal J, Righini A, Brooks RA, Canesi M, Mariani C, Leonardi M, Pezzoli G. T1 and T2 in the brain of healthy
subjects, patients with Parkinson disease, and patients with multiple system atrophy: relation to iron content.
Radiology 1999;211(2):489-495.
Shah NJ, Neeb H, Zaitsev M, Steinhoff S, Kircheis G, Amunts K, Haussinger D, Zilles K. Quantitative T1 mapping
of hepatic encephalopathy using magnetic resonance imaging. Hepatology (Baltimore, Md 2003;38(5):1219-1226.
Arnold JF, Fidler F, Wang T, Pracht ED, Schmidt M, Jakob PM. Imaging lung function using rapid dynamic
acquisition of T1-maps during oxygen enhancement. Magma (New York, NY 2004;16(5):246-253.
Jakob PM, Hillenbrand CM, Wang T, Schultz G, Hahn D, Haase A. Rapid quantitative lung (1)H T(1) mapping. J
Magn Reson Imaging 2001;14(6):795-799.
Deoni SC, Catani M. Visualization of the deep cerebellar nuclei using quantitative T1 and rho magnetic resonance
imaging at 3 Tesla. NeuroImage 2007;37(4):1260-1266.
Deoni SC, Rutt BK, Peters TM. Rapid combined T1 and T2 mapping using gradient recalled acquisition in the
steady state. Magn Reson Med 2003;49(3):515-526.
Yarnykh VL. Actual flip-angle imaging in the pulsed steady state: a method for rapid three-dimensional mapping
of the transmitted radiofrequency field. Magn Reson Med 2007;57(1):192-200.
Cheng HL, Wright GA. Rapid high-resolution T(1) mapping by variable flip angles: accurate and precise
measurements in the presence of radiofrequency field inhomogeneity. Magn Reson Med 2006;55(3):566-574.
Wansapura JP, Holland SK, Dunn RS, Ball WS, Jr. NMR relaxation times in the human brain at 3.0 tesla. J Magn
Reson Imaging 1999;9(4):531-538.
Zhu DC, Penn RD. Full-brain T1 mapping through inversion recovery fast spin echo imaging with time-efficient
slice ordering. Magn Reson Med 2005;54(3):725-731.
Zur Y, Wood ML, Neuringer LJ. Spoiling of transverse magnetization in steady-state sequences. Magn Reson Med
1991;21(2):251-263.
Ganter C. Steady state of echo-shifted sequences with radiofrequency phase cycling. Magn Reson Med
2006;56(4):923-926.
Yarnykh VL. Improved accuracy of variable flip angle T1 measurements using optimal radiofrequency and
gradient spoiling. Proc Intl Soc Mag Reson Med 2008;16:234.
Preibisch C, Deichmann R. The influence of RF spoiling on the stability and accuracy of T1 mapping based on
spoiled FLASH with varying flip angles. Magn Reson Med 2008;submitted.
Herunterladen
Explore flashcards