Anwendung der Hochfeld-(3-Tesla)-NMR-Tomographie:: Abbildung des menschlichen Herzens und NMR-Thermographie an Phantomen für eine Tiefenhyperthermie

Abstract

Ziel der Arbeit war es, für ausgewählte medizinische Anwendungen die Eignung einer NMR-Tomographie bei 3 Tesla und die mit der hohen Feldstärke verbundenen Vor- und Nachteile zu untersuchen.

Für die Herzbildgebung bei 3 T wurde eine schnelle EKG-getriggerte und flußkompensierte Gradienten-Echo-Sequenz implementiert und optimiert sowie auf ihr Artefaktverhalten hin untersucht. Mit dieser Sequenz konnten innerhalb einer Atemanhalteperiode (17 Herzschläge) artefaktfreie Schnittbilder beliebiger Orientierung, u.a. auch Kurzachsenschnitte, sowie sogenannte Cine- Sequenzen, d.h. die Abbildung der Herzbewegung in einer Schicht während des Herzzyklus, aufgenommen werden. Durch den Einsatz speziell für die Herzbildgebung entwickelter und gebauter Mehr-Element-Oberflächen- Empfangsspulen in Kombination mit dem Ganzkörperresonator als Sendespule wurde im Mittel eine Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/R) etwa um den Faktor 2 gegenüber Messungen bei 1,5 T erzielt.

Die durch Bereiche unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilitäten verursachte größere B0-Feldinhomogenität (± 1 ppm) und die daraus resultierenden kürzeren T2*-Relaxationszeiten im linken Ventrikel (< 20 ms) erschweren die Herzbildgebung bei 3 T im Vergleich zu niedrigeren Feldstärken, wobei insbesondere die artefaktanfällige Echtzeitbildgebung betroffen sein sollte. Die durch Suszeptibilitätseffekte bedingte Verkürzung der T2*-Relaxationszeiten mit steigender Feldstärke läßt hingegen einen höheren BOLD-(Blood Oxygenation Level Dependent)-Kontrast erwarten, der zur Messung der Gewebe-Oxygenierung und Perfusion ausgenutzt werden kann.

Bei 3 T erreicht die HF-Wellenlänge im Menschen die Abmessungen im Körper, so daß dielektrische Resonanzen die elektromagnetische Feldverteilung im Körper beeinflussen, was zu einer inhomogenen B1-Feldverteilung führen kann. Zusammen mit der für denselben Drehwinkel der Magnetisierung bei gleicher HF-Pulslänge benötigten höheren Sendeleistung (Faktor 4 gegenüber 1,5 T) wird somit in erheblichem Maße der Einsatz von Spin-Echo- sowie verschiedenen Präparationssequenzen erschwert.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine MR-Thermographiemethode (Thermosonden- Methode), bei der als Kontrastmittel ein paramagnetischer Praseodym-Chelat (Pr-MOE-DO3A) eingesetzt wird, in Kombination mit einem schnellen spektroskopischen Bildgebungsverfahren (Echo Planar Spectroscopic Imaging, EPSI) hinsichtlich der Eignung für eine Therapiekontrolle während einer regionalen Hyperthermie-Behandlung untersucht. In einem Phantom wurde mit der EPSI-Methode die Verteilung der absoluten Temperatur in einem Volumen von 24 ´ 24 ´ 24 cm3 (Voxelgröße 1,5 ´ 1,5 ´ 1,5 cm3) innerhalb von 14 s mit einer Genauigkeit von ± 0,45 °C gemessen.

Diese Arbeit hat gezeigt, daß mit der hohen Feldstärke nicht nur Vorteile, sondern auch erhebliche Nachteile verbunden sind. Deshalb erscheint der Einsatz der MR-Bildgebung und -Spektroskopie bei hohen Feldstärken (? 3 T) zwar in der medizinischen Forschung und für spezielle Anwendungen der medizinischen Diagnostik und Therapiekontrolle sinnvoll, jedoch ist ein Ersatz der hochentwickelten MR-Tomographie bei niedrigeren Feldstärken (1,0 1,5 T) eher unwahrscheinlich.

The aim of this work was to demonstrate the feasibility of NMR tomography at 3 Tesla for selected medical applications and to investigate the advantages and disadvantages of the high field strength.

For cardiac imaging a fast, ECG gated, flow compensated gradient echo sequence was implemented and optimized. Within a breath-hold period (17 heartbeats) artifact-free images of slices of any desired orientation, e.g. short axis slices, and cine-sequences, i.e. the movement of the heart within a slice during the heart cycle, could be acquired. With the use of specially developed multi-element surface coils for receiving in combination with the whole body resonator for transmitting, an increase in signal-to-noise ratio (SNR) by a factor of 2 was achieved compared to a field strength of 1.5 T.

Regions of different magnetic susceptibility cause larger B0 inhomogeneities (± 1 ppm), leading to shorter T2* relaxation times within the left ventricle (< 20 ms). Therefore cardiac imaging, and especially the use of real-time imaging sequences, which are prone to artifacts, is likely to be ore difficult at 3 T compared to lower field strength. The decrease of T2* with increasing magnetic field strength is attributed to susceptibility effects; hence a higher BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) contrast is expected at 3 T, which can be exploited for tissue oxygenation and perfusion measurements.

At 3 T the RF-wavelength within the body is comparable to body dimensions, thus dielectric resonances influence the electromagnetic field distribution. This may lead to B1 field inhomogeneities. Furthermore, compared to 1.5 T, 4 fold higher RF-power is needed to achieve the same flip angle of the magnetization at the same pulse length. Therefore the use of spin echo sequences and various preparation sequences is more difficult at 3 T.

In the second part of the work a MR thermography technique (temperature probe method), using a paramagnetic Praseodymium complex (Pr-MOE-DO3A) as a contrast media, was investigated in combination with a fast spectroscopic imaging technique (Echo Planar Spectroscopic Imaging, EPSI) aiming at therapy control of regional hyperthermia treatment. Using the EPSI method, in a phantom the distribution of absolute temperature was measured in a volume of 24 ´ 24 ´ 24 cm3 (voxel size 1.5 ´ 1.5 ´ 1.5 cm3) within 14 s to an accuracy of ± 0,45 °C.

This work demonstrates that the use of higher field strengths is not only accompanied by advantages but also by substantial disadvantages. Although having great potential for medical research and special areas of medical diagnostics and therapy control, MR imaging and spectroscopy at high field strengths (? 3 T) is unlikely to replace the clinically well-established MR tomography at lower field strengths (1.0 1.5 T).