Magnetresonanztomographie

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Magnetresonanztomographie-geführte Interventionen
Bock, Michael
Deutsches Krebsforschungszentrum (dkfz), Abt. Medizinische Physik in der Radiologie,
Im Neuenheimer Feld 280, 69120 Heidelberg
Einleitung
Zur Überwachung von minimalinvasiven Eingriffen mit Kathetern oder Nadeln werden heute meistens Röntgenverfahren oder Ultraschallbildgebung verwendet, da diese beiden kostengünstigen bildgebenden Verfahren
fast überall verfügbar sind. In weichen Geweben wäre jedoch bei Interventionen die Magnetresonanztomographie (MRT) vorteilhaft, da die MRT zwei- und dreidimensionale Bilder in beliebigen Schnittorientierungen akquirieren kann, funktionelle Informationen wie den Blutfluss quantitativ erfasst, ohne ionisierende Strahlung
auskommt [1] und insbesondere einen exzellenten Weichteilkontrast aufweist. MR-geführten Interventionen in
geschlossenen MR-Tomographen durchzuführen ist schwierig, da vollständig nichtmagnetische Instrumente eingesetzt werden müssen, der Magnet den Zugang zum Patienten stark einschränkt, der Operateur während der
MR-Bildaufnahme erheblichem Lärm ausgesetzt ist und weil es in elektrisch leitende Strukturen in den Instrumenten zu gefährlichen Erhitzungen kommen kann.
Durch technische Neuentwicklungen an den MR-Tomographen und den Peripheriegeräten wurde es in den
beiden letzten Jahrzehnten jedoch möglich, minimalinvasive Eingriffe und neurochirurgische Operationen teilwiese oder vollständig unter MR-Kontrolle durchzuführen. Initial hat man hierzu Niederfeld-MR-Tomographen
mit Feldstärken von B0 < 0.5 T verwendet [2], da sie auf Grund des vertikalen Magneten einen besseren Patientenzugang bieten. In den letzten Jahren wurden Interventionen jedoch vermehrt auch an MR-Tomographen mit
supraleitenden Solenoidmagneten bei höheren Feldstärken (B0 = 1.5-3 T) durchgeführt, da mit zunehmder Feldstärke das Signal-Rausch-Verhältnis ansteigt. Die hierbei eingesetzten Bildgebungsverfahren und -technologien
und deren medizinische Anwendungen sollen im Folgenden näher dargestellt werden (siehe auch [3,4]).
Technische Anforderungen an die interventionelle MR-Bildgebung
An die Bildgebungstechniken für interventionellene Eingriffe in Hochfeld-MR-Tomographen werden Anforderungen gestellt, die sich deutlich von den Techniken für diagnostische Anwendungen unterscheiden. Die verwendeten Sequenzen müssen dazu folgende Bedingungen erfüllen:
 Die Bildabtastrate sollte in Abhängigkeit von der untersuchter Körperregion und der Art des Eingriffs zwischen 1 Bild/s (langsamer Nadelvorschub in Muskelgewebe) bis zu 15 Bildern/s (Katheter in herznahen
Blutgefäßen) betragen.
 Je nach Größe des verwendeten Instrumentes und der Zielstruktur sollte eine räumliche Auflösung von
0.5 mm und 2 mm erreicht werden.
 Die Bilder müssen in Echtzeit, d.h. mit einer Latenzzeit von weniger als 0.2 s, rekonstruiert und dem Operateur dargestellt werden.
 Zu jedem Zeitpunkt der Intervention sollte der Operateur ausgewählte Parameter der Messsequenz (z.B.
Schichtorientierung und –lage oder Bildkontrast) ohne aufwändige Interaktion mit der MR-Konsole verändern können.
Abb. 1: Links: Aktiver 5F Katheter mit Hochfrequenzspule zur Positionsbestimmung. Rechts: Saggitales MR-Bild der Aorta
mit Katheter (Spule als grünes Kreuz markiert) und koronares Übersichtsbild mit Markierung der dynamisch ausgewählten
Bildgebungsspulen zur parallelen Echtzeitbildgebung. In diesem Tierversuch wurde eine Abtastrate von mehr als 3 Hz bei
einer räumlichen Auflösung von 1 mm erreicht.
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Für hohe Abtastraten verwendet man Gradientenechosequenzen (trueFISP oder FLASH), die so modifiziert
werden, dass der Kontrast dynamisch über ein spezielles Interface gewechselt werden kann [5]. Die Aufnahmerate lässt sich dann weiter erhöhen, indem Beschleunigungstechniken wie partielle k-Raumauslese (half Fourier)
oder parallele Bildgebung [6] verwendet werden. Im Gegensatz zur diagnostischen Bildgebung müssen allerdings die Rekonstruktionsalgorithmen so angepasst werden müssen, dass Bildberechnung und Bildaufnahme
immer synchron ablaufen – hierzu ist es nützlich, nur die Daten der nahe beim Instrument befindlichen Bildgebungsspulen zu rekonstruieren (dynamic coil selection [7]).
Eine weitere Besonderheit der interventionellen MRT ist die automatische Instrumentenlokalisierung, bei der
die Position der Instrumente im MR-Tomographen detektiert und die Ortsinformation zur automatischen
Schichtpositionierung verwendet wird, so dass der Operateur allein durch die Bewegung der Instrumente die
MR-Bildgebung steuert [8]. Dazu werden an den Instrumenten Lokalisatoren angebracht, die beispielsweise als
kleine Hochfrequenzspulen ausgelegt sein können. Zur Detektion der Lokalisatorkoordinaten nutzt man schnelle
Projektionsverfahren (Aufnahmezeit < 20 ms), die zwischen der Aufnahme zweier aufeinanderfolgender MRBilder ausgespielt, rekonstruiert und zur Neupositionierung der Messschicht eingesetzt werden.
Perkutane und Intravaskuläre Interventionen
Minimalinvasive Eingriffe lassen sich grundsätzlich anhand der zwei verwendeten Zugangswege unterscheiden: durch die Haut (perkutan) oder über ein Blutgefäß (intravaskulär). Bei intravaskulären Interventionen liegt
die Zielregion oft weiter als 20 cm von der Zugangsstelle (Schleuse) zum Blutgefäß entfernt, so dass sie auch bei
eingeschränktem Zugang zum Patienten am Ende der Bohrung des Magneten mit Hilfe von Kathetern durchgeführt werden können. Perkutane Interventionen wie die Hochfrequenzablation von Leberläsionen benötigen
einen direkten Zugang, so dass der Operateur die Instrumente entweder außerhalb des Tomographen positioniert
und die Lage im MR-Bild verifiziert, oder mit Hilfe eines Führungssystems im Inneren unter Echtzeitbildkontrolle positioniert.
Intravaskuläre Interventionen [9] können teilweise mit konventionellen Kathetern durchgeführt werden, solange diese keine elektrisch leitenden Strukturen aufweisen (Gefahr der Erwärmung im Hochfrequenzfeld) und
nichtmagnetisch ausgeführt sind. Leider bestehen jedoch die Führungsdrähte aus Stahl oder Nitinol, so dass von
ihnen eine Erhitzungsgefahr ausgeht. Dennoch sind in den letzten Jahren vermehrt intravaskuläre Interventionen
insbesondere bei Kindern mit angeborenen Gefäßmissbildungen durchgeführt worden, um den Patienten eine erhöhte Strahlendosis zu ersparen. Die aktive Katheterverfolgung, bei der die Katheterspitze eine kleine Lokalisationsspule beinhaltet, konnte bisher wegen der Erhitzungsproblematik nur im Tierversuch etabliert werden – jedoch werden zur Zeit verschiedene technische Methoden zur Reduktion der Erhitzung untersucht, so dass möglicherweise auch diese Eingriffe in absehbarer Zukunft allein unter MR-Kontrolle durchgeführt werden können.
Für perkutane MR-geführte Interventionen wie Biopsien oder Instillationen wird eine Vielzahl von MR-kompatiblen Nadeln und Trokaren (meist auf der Basis der Legierung Nitinol) angeboten. Zur Zerstörung von tiefer
im Körper liegenden Läsionen wie Lebermetastasen existieren Therapiesysteme, die entweder das Gewebe mit
hochfrequenten Strömen koagulieren, mit kurzen Laserimpulsen verdampfen (LITT) oder durch Kälteeinwirkung die Zellen zum Platzen bringen (Kryotherapie). Zusätzlich steht auch die Technik des fokussierten Ultraschalls (HIFU) zur Verfügung, bei der ein externer Schallwandler im Körperinneren einen Schallfokus erzeugt.
Alle diese Techniken verwenden zur Überwachung der Intervention temperatursensitive MR-Sequenzen, mit denen die Temperaturverteilung in der Nähe der Zielregion dargestellt werden kann. Trotz bestehender technischer
Probleme bietet die interventionelle Magnetresonanztomographie gegenüber den etablierten Bildgebungsverfahren zur Überwachung der Intervention erhebliche Vorteile. In einigen Anwendungsgebieten ist sie bereits die
Methode der Wahl, und mit zunehmender Verfügbarkeit von zugelassenen Instrumenten wird das Anwendungsspektrum dieser Technologie weiter wachsen.
[1] Bock M, Umathum R, et al. Interventional magnetic resonance imaging: an alternative to image guidance with ionising
radiation. Radiation Protection Dosimetry 117: 74-78 (2006)
[2] Grönemeyer DHW, Lufkin RB. Open-field Magnetic Resonance Imaging. Equipment, Diagnosis and Interventional
Procedures. Springer, Berlin (1999)
[3] Lufkin RB. Interventional MRI. Mosby, St. Louis (1999)
[4] Debatin JF, Adam G. Interventional Magnetic Resonance Imaging. Springer, Berlin (1998)
[5] Bock M, Volz S, et al. MR-guided Intravascular Procedures: Real-time Parameter Control and Automated Slice
Positioning with Active Tracking Coils. J Magn Reson Imag 19: 580-589 (2004)
[6] Bock M, Müller S, et al. Active Catheter Tracking using Parallel MRI and Real-Time Image Reconstruction. Magn Reson
Med 55: 1454-1459 (2006).
[7] Müller S, Umathum R, et al. Dynamic Coil Selection for Real-Time Imaging in Interventional MRI. Magn Reson Med 56:
1156-1162 (2006).
[8] Bock M, Volz S, et al. Automatische Schichtverfolgung in der interventionellen Magnetresonanztomographie. Zeitschrift
für Medizinische Physik 13: 177-182 (2003).
[9] Bock M, Wacker F. MR-guided Intravascular Interventions: Techniques and Applications. J Magn Reson Imag 27: 326338 (2008)
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