Neue Entwicklungen der Magnetresonanztomografie in der hepatobiliären Diagnostik: Bewegungskorrektur und Elastografie

Abstract

Das Indikationsspektum der hepatobiliären Magnetresonanztomografie konnte durch technische Innovation in den letzen Jahren erheblich erweitert werden. Dennoch bestehen aufgrund physiologischer als auch pathophysiologischer Gegebenheiten Limitationen. In der Abdomendiagnostik muss die Messzeit einer MRT-Sequenz der Länge eines Atemstopps angepasst werden, da ansonsten durch Atembewegung Artefakte und Bildunschärfe entstehen. Eine Steigerung der räumlichen Auflösung und des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses kann erreicht werden, indem eine Sequenz in freier Atmung mittels Atemtriggerung akquiriert wird. Die vorliegende Arbeit hat sich daher zum Ziel gesetzt, den klinischen Stellenwert der Atemtriggerung im Vergleich zu den etablierten atemangehaltenen Pulssequenzen zu untersuchen. Daher wurden Studien in Bezug auf 1. Detailerkennbarkeit wichtiger anatomischer Strukturen der Leber und der Gallenwege, 2. Kontrasteffekte zwischen Leberparenchym und fokalen Leberläsionen, 3. Vorhandensein von Artefakten und Güte der erreichbaren Bildqualität sowie 4. Verkürzung der Messzeit durch Anwendung der parallelen Bildgebung durchgeführt. Auf dem Gebiet der T1-gewichteten Leber-MRT profitieren insbesondere Sequenzen, die in der hepatobiliären Phase nach Applikation eines Hepatozyten-spezifischen Kontrastmittels aufgenommen werden, von der durch Atemtriggerung erreichbaren höheren räumlichen Auflösung. An einem Kollektiv von 20 Patienten mit Lebertumoren untersuchten wir eine hochaufgelöste 3D-Gradientenecho-Sequenz mit Atemtriggerung. Signifikant höhere Leber-Läsions-Kontrastwerte und qualitative Bewertungen für die Erkennbarkeit fokaler Leberläsionen und Lebergefäße konnten im Vergleich zu einer atemangehaltenen Sequenz nachgewiesen werden. T2-gewichtete Sequenzen sind für Detektion und Charakterisierung fokaler Leberläsionen essentiell, insbesondere mit echo-planar-imaging (EPI) basierten Sequenzen können starke T2-Kontraste erzeugt werden. Hohe Signale, ausgehend von Lebergefäßen und Gallenwegen, reduzieren hingegen die Erkennbarkeit von Läsionen, daher sind diffusionsgewichtete Sequenzen (DWI) interessant, da sie flussbedingte Signale durch Diffusionsgradienten unterdrücken. In einer Studie an 40 Patienten verglichen wir eine atemgetriggerte EPI-DWI Sequenz und eine atemgetriggerte T2-gewichtete Turbo Spin-Echo Sequenz. Die EPI-DWI Sequenz lieferte einen signifikant höheren Leber-Läsions-Kontrast, Artefakte und allgemeine Bildqualität unterschieden sich hingegen nicht. Somit kann die Leber mittels EPI-DWI Sequenzen mit Atemtriggerung bei robuster Bildqualität untersucht werden. Durch starken T2-Kontrast und Unterdrückung von flussbedingten Signalen erzeugt die EPI-DWI Sequenz für die Erkennung von Leberläsionen vorteilhafte Kontrasteigenschaften. Die Abbildung der Gallenwege mittels stark T2-gewichteter Sequenzen ist eine elegante nicht-invasive Methode, da keine Einbringung von Kontrastmittel in die Gangsysteme notwendig ist. Pathologische Veränderungen der Gallenwege können jedoch sehr diskret sein, sodass eine hohe räumliche Auflösung erstrebenswert ist. In einer Studie an 50 Patienten untersuchten wir daher eine hochaufgelöste atemgetriggerte T2-gewichtete Sequenz und konnten signifikant höhere Kontrastparameter für die Gallenwege sowie eine bessere Erkennbarkeit der verschiedenen Abschnitte des Gallengangssystems bei reduzierten Artefakten im Vergleich zu atemangehaltenen Sequenzen nachweisen. Da die durch Atemtriggerung erreichbare Ausweitung der Messzeit die Gesamtdauer einer Leber-MRT deutlich verlängert, untersuchten wir an 30 Patienten, ob mittels paralleler Bildgebung eine vergleichbar gute Bildqualität bei Verkürzung der Messzeit erreicht werden kann. Eine mittels integrierter paralleler Bildgebung beschleunigte atemgetriggerte Sequenz zeigte im Vergleich zu einer identischen Sequenz ohne parallele Bildgebung keine signifikanten Unterschiede bezüglich der qualitativen und quantitativen Kriterien der Bildqualität, die Messzeit konnte jedoch um 37,7% gesenkt werden. Trotz der hohen morphologischen Aussagekraft der Leber-MRT gibt es Lebererkrankungen, die mit konventionellen MRT-Techniken nicht ausreichend diagnostiziert werden können. Insbesondere die Leberfibrose ist in frühen Stadien makroskopisch nicht erkennbar. Durch Entwicklung der Magnetresonanz- Elastografie (MRE) gelang es, mechanisch in den Körper eingekoppelte akustische Scherwellen darzustellen, die Aufschluss über die elastischen Eigenschaften der Leber geben. So wurde die Hypothese aufgestellt, dass Veränderungen im Rahmen einer Leberfibrose durch eine Änderung der elastischen Eigenschaften erkannt werden können. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurde die MRE Messtechnik an einem 1.5 Tesla MR-Tomographen am Charité Campus Mitte implementiert und Untersuchungen mit folgenden Zielen durchgeführt: 1. Testung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei Probanden, 2. Entwicklung einer multifrequenten Messtechnik, die durch simultane Bestimmung von Elastizität und Viskosität eine höhere Genauigkeit zur Erkennung einer Fibrose ermöglicht, 3. Unterscheidung von Probanden und Patienten mit höhergradiger Fibrose anhand viskoelastischer Kenngrößen, 4. Identifizierung geeigneter rheologischer Modelle zur Bestimmung der Viskoelastizität. Zunächst wurden MRE- Untersuchungen an 12 Probanden durchgeführt, zwei Probanden wurden über einen Zeitraum von 6 Monaten repetitiv untersucht. Bei einer mechanischen Anregung von 51 Hz wurde bei den Probanden eine mittlere Scherelastizität μ = 2.61 kPa ± 0.21 kPa ermittelt (Streuung von 1.99 kPa ± 0.16 kPa bis 3.07 kPa ± 0.21 kPa). Die Reproduzierbarkeitsmessungen lieferten geringe mittlere Abweichungen von 0.74 kPa ± 0.47 kPa. Somit ist die Bestimmung des Schermoduls der Leber reliabel und valide. Die technische Weiterentwicklung durch unsere Arbeitsgruppe ermöglichte die simultane Einkopplung mehrerer Anregungsfrequenzen (zumeist 4) in einer Überlagerung von harmonischen Schwingungen. Diese als multifrequente MRE bezeichnete Technik erlaubt die Bestimmung frequenzabhängiger Größen (Scherwellengeschwindigkeit, Dämpfung), wodurch neben elastischen auch viskose Gewebeeigenschaften ermittelt werden können. Da Daten von 4 Frequenzen zur Verfügung stehen, können rheologische Modelle angewendet werden, die mehrere freie Parameter enthalten und die viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes potentiell exakter beschreiben. Schliesslich wurden multifrequente MRE Untersuchungen an 8 Patienten mit bioptisch gesicherter höhergradiger Leberfibrose (Metavir Skala 3-4) durchgeführt. Gegenüber den gesunden Probanden konnten eine signifikant erhöhte Viskosität (η =14.4 ± 6.6 Pa•s vs. 7.3 ± 2.3 Pa•s) und auch signifikant erhöhte Scherelastizitäten (μ1 = 2.91 ± 0.84 kPa vs. 1.16 ± 0.28 kPa bzw. μ2 = 4.83 ± 1.77 kPa vs. 1.97 ± 0.30 kPa) ermittelt werden. In Zusammenschau mit den Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen ist somit die Erkennung einer höhergradigen Fibrose mit hoher Genauigkeit mittels MR- Elastografie möglich. Um geeignete rheologische Modelle zu identifizieren, wurde das Springpot-Modell untersucht, welches eine viskoelastische Beurteilung mit nur zwei Parametern ermöglicht (Viskoelastizität μ, Strukturparameter α). Bei 10 Patienten mit fortgeschrittener Leberfibrose wurde eine signifikant erhöhte Viskoelastizität (μ = 9.77 ± 4.16 kPa) gegenüber einem Kollektiv gesunder Probanden (4.06 ± 0.86 kPa) festgestellt, gleichzeitig wurde ein Trennwert von μ = 6.20 ± 0.12 kPa zur Unterscheidung gesunder und fibrotischer Leber ermittelt. Bezüglich des Strukturparameters α wurden zwischen Probanden und Patienten keine signifikanten Unterschiede ermittelt. Somit ist durch das Springpot-Modell die viskoelastische Charakterisierung der Leber mit nur einem Parameter und somit deutlich einfacher möglich. Die Herausforderung an die MR-Elastografie besteht sicherlich in der Erkennung früher Stadien der Fibrose. Eine Steigerung der Genauigkeit zur Differenzierung zwischen frühen und fortgeschrittenen Fibrosegraden mittels der multifrequenten MRE wird derzeit noch evaluiert, erste Ergebnisse sind viel versprechend. Mittelfristig ist eine Integration der Elastografie in das Leber-MRT Untersuchungsprotokoll wünschenswert, um sowohl eine morphologische als auch eine viskoelastische Diagnostik der Leber anbieten zu können.

This work investigated new developments in hepatobiliary magnetic resonance imaging with respect to motion correction using navigator triggering (please see original works 1-4) and elastography (please see original works 5-7).