Visual Universitätsmedizin Mainz

Lunge

In Zusammenarbeit mit: Thorax-Arbeitsgruppe der Klinik für Radiologie, der Klinik für Anästhesiologie und dem Bereich Pneumologie

Inhaltverzeichnis

  1. Quantifizierung der Ventilation der Lunge mittels hochpolarisiertem 3He
  2. Diffusionsgewichtete Lungenbildgebung mit hochpolarisiertem 3He
  3. Absolute Quantifizierung der Lungenperfusion

Bildbeispiele der Lungen-MRT

Helium-3 MRT-Bild der Lunge in zwei Schichten.
Helium-3 MRT-Bild der Lunge in zwei Schichten.

MRT der Lunge mit Hilfe von hyperpolarisiertem Helium-3 und perfluorierten Gasen

Die MRT-Bildgebung der Lunge ist im allgemeinen schwierig, da sie in herkömmlichen MR-Bildern dunkel ist. Um dieses Problem zu umgehen, setzen wir exogene Gase als Kontrastmittel ein, d.h. es wird ein Gas inhaliert und dieses dargestellt.

Hyperpolarisiertes Helium-3 ist besonders gut für die funktionelle Bildgebung der Lunge geignet. Es kann nicht nur für statische Aufnahmen von Ventilationsdefekten genutzt werden, sondern auch für die dynamische Bildgebung der örtlichen und zeitlichen Verteilung des Gasflusses in der Lunge, für die nicht-invasive Messung der intrapulmonaren Sauerstoffkonzentration (pAO2), für Messungen der Geschwindigkeit des Gasflusses, als auch zur Beurteilung der Mikrostruktur der Lunge, d.h. ob der der Alveolarraum intakt oder zerstört ist (z.B. bei Emphysemen).

Der Bereich Medizinische Physik war bei diesem Projekt für die Entwicklung aller Pulssequenzen als auch für die Entwicklung der Nachberarbeitungsstrategien  für die Berechnung physiologischer Parameter verantwortlich. Jüngst haben wir ein Verfahren entwickelt, um thermisch polarisierte, perfluorierte Gase (z.B. SF6, C2F6) für die MRT der Lunge zu nutzen. Ein Ansatz der aufgrund der einfachen und niedrigen technischen Ansprüche besonders für den klinischen Einsatz von Interesse ist.

MRT-Bilder unter Verwendung von hyperpolarisiertem Helium-3
MRT-Bilder unter Verwendung von hyperpolarisiertem Helium-3 einer normalen Lunge (links) und eines asymptomatischen Rauchers (rechts). Bei der Raucherlunge sind Ventilationsdefekte in der Pheripherie der Lunge deutlich erkennbar (Guenther et al. NMR Biomed 13, 182-189 (2000)).
MRT des intrapulmonaren Sauerstoffpartialdruckes mit Hilfe von Helium-3
MRT des intrapulmonaren Sauerstoffpartialdruckes mit Hilfe von Helium-3. (Links) Gesunder Proband, bei dem die homogene Verteilung des intrapulmonaren Sauerstoffs auf eine homogene Sauerstoff Ventilation als auch einen homogenen Transfer von Sauerstoff vom Alveolargasraum ins Blut hinweist. (rechts) Patient mit einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung mit inhomogener Verteilung des intrapulmonaren Sauerstoffpartialdruckes aufgrund des örtlich beeinträchtigten Sauerstofftransfers ins Blut. (Schreiber W, Respiratory Physiol Neurobiol 18. 23-42 (2005))

Literatur

W.G. Schreiber, A.E. Morbach, T. Stavngaard, K.K. Gast, A. Herweling, L.V. Søgaard, M. Windirsch, J. Schmiedeskamp, C.P. Heussel, H.-U. Kauczor. Assessment of lung microstructure with magnetic resonance imaging of hyperpolarized Helium-3. Respiratory Physiology and Neurobiology 148 (2005) 23 -42

A.E. Morbach, K.K. Gast, J. Schmiedeskamp, A. Dahmen, A. Herweling, C.P. Heussel, H.-U. Kauczor, W.G. Schreiber. Diffusion Weighted MR-Imaging of the Lung with Hyperpolarized Helium-3. A Study of Reproducibility. Journal of Magnetic Resonance Imaging 21 (2005) 765 – 774

U. Wolf, A. Scholz, C.P. Heussel, K. Markstaller, W.G. Schreiber. Subsecond fluorine-19 MRI of the lung. Magnetic Resonance in Medicine 55 (2006) 948 – 951

B. Eberle, N. Weiler, K. Markstaller, R. Surkau, H.-U. Kauczor, W.G. Schreiber, T.P.L. Roberts, W. Heinrichs, E.W. Otten, M. Thelen. Analysis of Regional Intrapulmonary O2-Concentrations by Magnetic Resonance Imaging of Inhaled Hyperpolarized 3Helium. Journal of Applied Physiology 87 (1999) 2043-2052

Quantifizierung der Ventilation der Lunge mittels hochpolarisiertem 3He

Die dynamische 3He-MRT erlaubt die Visualisierung und Quantifizierung der Ventilation der Lunge. In dieser Studie wird eine Methodik entwickelt, um den Einfluss der nicht-idealen Helium-3-Applikation auf die quantitativen Ventilationsparameter zu untersuchen und zu eliminieren. Die Signal-Zeit-Kurve in der Lunge stellt sich als Faltung einer Gewebefunktion mit einer Trachea-Inputfunktion dar. Mittels Entfaltung kann daher aus der Signal-Zeit-Kurve die Gewebefunktion für eine ideal kurze Helium-3-Applikation berechnet werden. Als Entfaltungsverfahren wird die Singulärwertzerlegung (SVD) verwendet.

Ventilationskarten eines gesunden Probanden.

Diffusionsgewichtete Lungenbildgebung mit hochpolarisiertem 3He

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie von hochpolarisiertem Helium-3 eröffnet die Möglichkeit die Mikrostruktur der Lunge zu untersuchen. Im Rahmen einer Doktorarbeit werden zur Zeit Untersuchungen sowohl an Patienten und Probanden als auch am Tier und an Phantomen durchgeführt. Es gilt verschiedene Eigenschaften der Methode wie z.B. die Reproduzierbarkeit besser zu verstehen und die Methode selbst zu optimieren.

Wir messen dazu die Diffusion von Helium-3 Atomen in der Lunge. Diese wird quantitativ durch den Diffusionskoeffizienten beschrieben. In der Lunge ist die Diffusion eingeschränkt. Man spricht daher – analog zur zerebralen Diffusionsmessung – vom sog. Apparent Diffusion Coefficient, ADC.
Zur Helium-3 Bildgebung wurde eine gespoilte Gradientenechosequenz eingesetzt. Die Diffusionsgewichtung wurde mit Hilfe eines symmetrischen bipolaren Gradientenpaares erzielt Aufgrund der Diffusion ändern die Atome ständig ihren Ort, wodurch die dephasierende Wirkung des ersten Gradienten durch den Zweiten nicht vollständig aufgehoben wird. Dies führt zu einer Signalabnahme. Um diese bestimmen zu können, wurde zusätzlich zu den diffusionsgewichteten Bildern noch ein Referenzbild ohne Diffusionsgradient aber mit ansonsten identischen Aufnahmeparametern gemessen. Aus der Signalabnahme lässt sich der Diffusionskoeffizient berechnen.

Bildbeispiel einer ADC-Karte.
Beispiel einer ADC-Karte.

Gefördert durch: Europäische Gemeinschaft (“PHIL”), Deutsche Forschungsgesellschaft (FOR 474/1).

Absolute Quantifizierung der Lungenperfusion

 

Absolute Quantifizierung der Lungenperfusion beschäftigt sich mit der Messung hämodynamischer Parameter wie „regionalem, pulmonalem Blutfluss“ (rPBF), „regionalem, pulmonalem Blutvolumen“ (rPBV) und der „mittleren Transitzeit“ (mean transit time MTT). Aus diesen Daten können Rückschlüsse auf die Lungenfunktion gezogen werden.

Im Bereich „medizinische Physik“ der Radiologie an der Universitätsklinik Mainz sollen die genannten Parameter mit Hilfe der Magnetresonanz-Technologie bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird dem Probanden bzw. Patienten eine geringe Menge Kontrastmittel („Magnevist“) intravenös verabreicht und dessen Verlauf, der sogenannte Bolus, mit MR-Technologie direkt vor dem Einströmen in die Lunge gemessen. Des weiteren wird der im Anschluss daran folgende Signalverlauf in der Lunge bestimmt. Durch die Entfaltung dieser beiden Kurven ist es möglich, die genannten hämodynamischen Parameter pixelweise zu bestimmen.

Untersuchungen zeigen vielversprechende Ergebnisse; die berechneten Werte lassen sich reproduzieren und sind in guter Übereinstimmung mit Literaturangaben.

Abbildungen eines typischen Signalverlaufs im truncus pulmonalis und im Lungenparenchym.

Die Abbildungen zeigen einen typischen Signalverlauf im „truncus pulmonalis“ vor Einfluss des Kontrastmittels in die Lunge (Kreuze) sowie im Lungenparenchym (Kreise). Ebenso sind exemplarische Parameterkarten angegeben, in denen rPBF, rPBV und MTT farblich kodiert dargestellt sind. Bisher sind diese Messungen ausschließlich an Probanden durchgeführt worden.

Exemplarische Parameterkarten, in denen rPBF, rPBV und MTT farblich kodiert dargestellt sind.

Die weitere Planung beinhaltet ein Anpassen für klinische Zwecke. Dieser Punkt ist nötig, da die gezeigten Kurven und Ergebnisse der Probanden sowohl qualitativ als auch quantitativ stark von bei Patienten zu erwartenden Werten abweichen.