Über die Anwendung der Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie zur Detektion verschiedener Läsionsmuster bei Patienten mit Multipler Sklerose

Abstract

Einführung: Verschiebungen der Phase des MR Signals in der Magnet-Resonanz- Tomografie (MRT) können zusätzliche Informationen über die Mikrostruktur des Hirngewebes erbringen. Dies kann durch Sequenzen erzielt werden, welche suszeptibilitätsinduzierte Phasenalternationen darstellen. Der Ursprung dieser Veränderungen bleibt allerdings spekulativ, da Phasenverschiebungen der weißen Substanz von mehreren Variablen beeinflusst werden, unter anderem dem Grad der Myelinisierung und dem Eisengehalt. Auch Veränderungen der Struktur von Axonen und Myelinscheiden können Phasenverschiebungen hervorrufen. Phasenveränderungen, die sich als dünner Rand von Läsionen darstellen wurden mit inflammatorischer Aktivität assoziiert. Es wird angenommen, dass verschiedene Muster von Phasenveränderungen verschiedenen Erkrankungsstadien zugeteilt werden. In dieser Querschnittsstudie wurden Phasenveränderungen bei MS Patienten mit unterschiedlicher Krankheitsdauer in hochauflösenden, suszeptibilitätsgewichteten (SWI)-gefilterten Phasenbildern in der 7 Tesla (T) MRT untersucht. Methodik: Eine 7T MRT wurde bei 17 Patienten mit MS oder Klinisch Isoliertem Syndrom mit kurzer (<60 Monate) Krankheitsdauer und 11 MS Patienten mit langer (>60 Monate) Krankheitsdauer durchgeführt. Ultrahochfeld- MRT Aufnahmen wurden mittels eines Ganzkörper 7 Tesla MR-Tomographen akquiriert. Das Akquisitionsprotokoll umfasste 2D T2* gewichtete fast low angle shot (FLASH), 3D T1 gewichtete magnetisation prepared rapid gradient echo (MPRAGE), 2D fluid attenuated inversion recovery (FLAIR) und 3D Gradientenecho, flusskompensierte suszeptibilitätsgewichtete Bilder (SWI). Aus der SWI Sequenz konnten Magnitude, SWI-gefilterte Phasenbilder und Rekonstruktionen generiert werden. Schließlich wurde die Morphologie und Sichtbarkeit der Läsionen mit einer Größe von mindestens 5mm Durchmesser in den erhobenen MR-Sequenzen untersucht. Ergebnisse: Insgesamt wurden 192 MS- Läsionen in der T2*gewichteten FLASH gefunden, deren Durchmesser mehr als 5mm betrug. Von diesen zeigten 126 (65.6%) Phasenverschiebungen, weshalb sie von der normal erscheinenden weißen Substanz abgegrenzt werden konnten. Anschließend wurde ein Quotient von Läsionen, welche sichtbar in der Phase waren im Verhältnis zur Anzahl der T2* gewichteten Läsionen für jeden Patienten ermittelt. Patienten mit langer Krankheitsdauer wiesen eine signifikant reduzierte Sichtbarkeit der Läsionen in der Phase (Mittelwert±Standardabweichung 51±37%, Spannweite 0-100%) auf, verglichen mit Patienten mit kurzer Krankheitsdauer (Mittelwert± Standardabweichung 90±19.5%, Spannweite 50-100%, p=0.003). Es zeigte sich keine Korrelation zwischen der Größe der Läsionen und der Sichtbarkeit in der Phasensequenz (p=0.825). Diskussion: Trotz Limitationen (kleines Patientenkollektiv und Querschnitts- Studiendesign) konnte diese Studie unterschiedliche Muster von Phasenalterationen in MS-Patienten identifizieren, da sich die Sichtbarkeit von Läsionen in der Phasensequenz von MS Patienten mit kurzer und langer Krankheitsdauer unterscheiden. Zukünftige longitudinale Studien sollten überprüfen, inwiefern Phasenalterationen innerhalb von MS-Läsionen Aufschluss über den Aktivitätszustand der Läsion geben.

Introduction: Magnetic resonance (MR) phase imaging may provide additional information on brain tissue microstructure by visualizing susceptibility induced phase alternations. The origin of these signal changes, however, remains speculative, since the MR phase of the white matter is determined by multiple variables, including the degree of myelination, the iron content and changes of the structural parenchymal integrity of axons and myelin bundles. Thin, rim-like phase changes around MS lesions were correlated with inflammatory activity and phase changes indicative of multiple sclerosis (MS) lesions preceding alterations in the MR magnitude signal were reported. Hence, it was hypothesized that the MR phase shifts during MS lesion evolution. According to this hypothesis, different patterns of phase changes should be detectable in different MS disease stages. Therefore, we compared phase changes of susceptibility weighted imaging (SWI)-filtered phase images in MS patients with different disease duration in a cross-sectional 7 Tesla (T) MR imaging (MRI) study. Methods: 17 MS or clinically isolated syndrome patients with short (<60 months) and 11 patients with long (>60 months) disease duration underwent 7T MRI. Ultrahigh field MR images were acquired using a 7T whole body MR scanner. The imaging protocol included 2D T2*weighted (w) fast low angle shot (FLASH), 3D T1w magnetisation prepared rapid gradient echo (MPRAGE), 2D fluid attenuated inversion recovery (FLAIR) and 3D gradient echo flow-compensated susceptibility weighted imaging (SWI) which yielded magnitude, SWI filtered phase and reconstructed SWI images. Morphology and visibility of lesions larger than 5mm were subsequently analyzed side-by-side on 2D T2*w fast low angle shot (FLASH) and 3D gradient echo flow-compensated SWI. The SWI yielded magnitude, SWI-filtered phase and reconstructed SWI images. Results: We visualized 192 MS lesions on T2*w images that were larger than 5mm in diameter. Of these, 126 lesions (65.6%) were characterized by phase changes and hence could be differentiated against the surrounding normal appearing white matter on phase images. Next, a score was calculated for each patient by dividing the number of lesions visible on phase by the number of lesions on T2*w images. Patients with longer disease duration had a significantly reduced proportion of lesions showing phase alterations (mean±SD 51±37%, range 0-100%) compared to patients with short disease duration (mean±SD 90±19.5%, range 50-100%, p=0.003). Lesion size was not related to the visibility of phase alterations (p=0.825). Conclusion: Despite limitations (small sample size and cross-sectional study design) this study identified different patterns of phase changes in lesions of MS patients. These patterns were distinctive in patients with short compared to long lasting disease. Longitudinal studies are warranted to prove that MR phase imaging is useful in determining the activity and the developmental stage of individual MS plaques.