Kernspintomographische Techniken zur myokardialen Gewebecharakterisierung inklusive Entwicklung und Erprobung der Magnetresonanz-Elastographie am Herzen

Abstract

Im ersten Teil dieser Habilitationsarbeit wurden Möglichkeiten der MR- tomographischen Gewebecharakterisierung bei nichtischämischen Kardiomyopathien untersucht. Es wurde an 20 Patienten gezeigt, dass irreversible Kontrastmittelspätanreicherungen (LGE) bei nichtischämischen Kardiomyopathien mit einer schnellen phasensensitiven Inversions-Rekonstruktionstechnik (PSIR) zuverlässig nachweisbar sind. Darüber hinaus wurde die Messzeit im Vergleich zu segmentierten Standardsequenzen deutlich verkürzt. Die MRT ist außerdem in der Lage, potentiell reversible myokardiale Veränderungen zu erfassen. Dafür wurden die Signaleigenschaften von Herz- und Skelettmuskel mittels zweier zusätzlicher Techniken verglichen: Anhand von T2- gewichteten Aufnahmen wurde der relative myokardiale Wassergehalt bestimmt (T2-Quotient). T1-gewichtete Aufnahmen vor und nach Applikation Gd-haltigem Kontrastmittel dienen zur Bestimmung der frühen globalen Anreicherung. An 26 Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie wurde gezeigt, dass hier der T2-Quotient die höchste diagnostische Genauigkeit im Nachweis myokardialer Inflammation gegenüber der Endomyokardbiopsie als Referenzstandard aufweist. An sechs Patientinnen mit der in Europa seltenen peripartalen Kardiomyopathie (PPCM) wurden Verlaufsuntersuchungen mittels MRT durchgeführt. Im akuten Stadium einer PPCM wurden erstmals nichtinvasiv entzündliche Veränderungen des Herzmuskels nachgewiesen. Die MR-Elastographie (MRE) ermöglicht die Bestimmung viskoser und elastischer Eigenschaften von Weichgeweben im menschlichen Körper. Dafür wird die Deformation von Gewebe aufgrund externer akustischer Stimulation gemessen. Die kardiale Anwendung der MRE zielt auf die Beurteilung von myokardialen Elastizitätsveränderungen im Verlauf eines Herzzyklus. Die Bestimmung derartiger konstitutiver Kenngrößen verspricht eine hohe diagnostische Sensitivität insbesondere bei diffusen Erkrankungen mit diastolischen Funktionsstörungen. Aufbauend auf der Erfindung der fraktionierten MRE wurde deshalb im zweiten Teil dieser Habilitationsarbeit die MRE für die Anwendung am Herzen weiterentwickelt und erprobt. In Phantomversuchen wurde erstmals die Wellenamplitude als sensitive Kenngröße zur Bestimmung von Elastizitätsverhältnissen eingesetzt. Dieses neuartige Prinzip wurde im Tierversuch validiert. Dabei wurde eine reziproke Korrelation mit dem invasiv bestimmten linksventrikulären Druck gefunden. In einer Machbarkeitsstudie wurde an acht gesunden Probanden erstmalig die Atmung zur Bildaufnahme synchronisiert. Die im linken Ventrikel gemessenen Wellenamplituden wurden mit dem peripher bestimmten systolischen Blutdruckwert normiert und mit Volumen-Zeit-Funktionen korreliert. So konnte die im Herzzyklus verrichtete Druck- Volumen-Arbeit nichtinvasiv gemessen werden. Erste Untersuchungen zur Ableitung diagnostischer Kenngrößen wurden an elf Patienten im Vergleich zu 16 bzw. 35 Freiwilligen durchgeführt. Die Sensitivität der Wellenamplitude bezüglich Relaxationsstörungen wurde in zwei verschiedenen Ansätzen bestätigt: Einerseits sind die zeitlich gemittelten normierten Wellenamplituden im linken Ventrikel bei Relaxationsstörungen verringert. Zum anderen zeigen die mittels MRE bestimmten isovolumetrischen Zeiten eine hohe Sensitivität gegenüber Relaxationsstörungen.

The first part of this habilitation thesis presents studies investigating magnetic resonance (MR) imaging with regard to its potential for tissue characterization in nonischemic cardiomyopathy. The first study, performed in 20 patients, shows that irreversible myocardial changes as late gadolinium enhancement (LGE) can be reliably detected using a fast phase-sensitive inversion recovery (PSIR) sequence. Moreover, the PSIR sequence markedly reduces image acquisition time compared with segmented standard pulse sequences. MRI also allows identification of potentially reversible myocardial damage. To this end, the signal intensities of myocardium and skeletal muscle were compared using two additional techniques: T2-weighted images served to estimate the relative water content of myocardium (T2 ratio). T1-weighted sequences were acquired before and after administration of gadolinium-based contrast medium to identify early global enhancement. A study including 26 patients with dilated cardiomyopathy showed the T2 ratio to have the highest diagnostic accuracy in demonstrating myocardial inflammation in comparison with endomyocardial biopsy as the reference standard. Furthermore, six women with peripartal cardiomyopathy (PPCM), which is rare in Europe, were investigated by serial MRI. This study for the first time allowed noninvasive detection of inflammatory myocardial processes during acute PPCM. MR elastography (MRE) assesses viscous and elastic properties of soft tissues in the human body. This is done by measuring tissue deformation induced by external acoustic stimulation. Cardiac MRE evaluates changes in myocardial elasticity during the cardiac cycle. Determination of these constitutive parameters promises high diagnostic sensitivity especially in patients with diffuse myocardial diseases and diastolic dysfunction. Following the advent of fractional MRE, the second part of this habilitation project aimed at further developing and testing MRE for cardiac applications. In phantom experiments, wave amplitude was measured as a sensitive parameter for evaluating elastic properties. This novel approach was then validated in animals. The animal studies identified a reciprocal correlation with invasively determined left ventricular pressure. A feasibility study in eight healthy subjects for the first time synchronized respiration for image acquisition. The wave amplitude measured in the left ventricle was normalized based on peripherally measured systolic blood pressure and correlated with volume-time functions. In this way, it was possible to noninvasively measure the pressure-volume work performed during the cardiac cycle. An initial investigation for deriving diagnostic parameters was performed in eleven patients in comparison with 16 and 35 volunteers. The sensitivity of the wave amplitude for detecting relaxation abnormalities was confirmed using two different approaches: on the one hand, the normalized wave amplitudes in the left ventricle averaged over time are reduced when relaxation is disturbed. On the other hand, isovolumetric times derived by MRE are highly sensitive to relaxation abnormalities.