Neue Entwicklungen der abdominellen Magnetresonanz-Elastographie (MRE)

Abstract

Hintergrund und Methodik: In der vorliegenden Arbeit wurden zwei aufeinander aufbauende In-vivo-Magnetresonanz-Elastographie-Studien (MRE) und eine Grundlagen-Studie zur Mikro-MRE zusammengefasst. In der ersten In-vivo-MRE- Studie wurden technische Weiterentwicklungen, wie die Integration der Anregungseinheit in den Untersuchungstisch und die hochauflösende Parameter- Rekonstruktion in die abdominelle MRE eingeführt. Die Experimente wurden an Phantomen, zehn Probanden und vier Patienten mit portaler Hypertension (PHT) durchgeführt. Die zweite darauf aufbauende In-vivo-MRE-Studie wurde um das Konzept der Poroelastizität erweitert. Mittels drucksensitiver MRE wurden intrahepatische Blutdruckveränderungen bei 13 Patienten mit PHT vor und nach transjugulärem intrahepatischem portosystemischem Stent-Shunt (TIPS) untersucht. Trotz des Erfolges der MRE zur Fibrosegraduierung ist wenig bekannt über den Zusammenhang von mechanischen Kenngrößen und der Lebergewebestruktur. Aus diesem Grund wurde eine dritte Studie an 16 humanen Leberproben verschiedener Fibrosestadien durchgeführt. Mittels Mikro-MRE wurden die frequenzabhängigen Schermodule (Realteil-Modul G' und Imaginärteil- Modul G'') sowie der frequenzunabhängige Schermodul (μ) und der Dispersionskoeffizient (α) nach dem Springpot-Modell bestimmt. Statische Indentationsexperimente wurden zur Bestimmung des Young'schen Moduls (E) durchgeführt. Diese mechanischen Parameter wurden mit der Histologie, dem Hydroxyprolingehalt, Blutwerten und einem In-vivo-Funktionstest verglichen. Ergebnisse: Adipositas und Aszites stellten keine Untersuchungseinschränkungen der MRE dar. In der Probandengruppe waren die gemittelten Werte des Betrags |G*| und des Phasenwinkels ϕ des komplexen Schermoduls in der Milz größer als in der Leber (p = 0,015 bzw. p = 6,58 ∙ 10-5). In der PHT-Kohorte stieg die Volumendeformation |d*| nach TIPS signifikant an (p = 1,38 ∙ 10-5), bei jedoch konstanter Scherdeformation |C*| und konstantem Schermodul |G*|. Die über die Frequenz gemittelten Parameter in humanen Gewebeproben korrelierten signifikant mit dem Fibrosegrad (G': R = 0,762; G'': R = 0,830; µ: R = 0,744; p < 0,01) und Hydroxyprolin (G': R = 0,712; G'': R = 0,720; µ: R= 0,731; p < 0,01). α zeigte eine negative Korrelation für den Fibrosegrad (R = −0,590; p = 0,034). E korrelierte geringer mit dem Fibrosegrad (R = 0,587; p = 0,022). Schlussfolgerung: Die Integration der Anregungseinheit in den Untersuchungstisch ermöglicht eine leichtere klinische Anwendung. Bei einer kurzen Untersuchungszeit von 6 – 8 Minuten wurden erstmals hochaufgelöste Karten der Verteilung von Elastizität und Viskosität im Abdomen erzeugt. Durch die drucksensitive MRE wurde zum ersten Mal die Sensitivität der volumetrischen Deformation für den Gewebedruck in der Leber vor und nach TIPS- Intervention nachgewiesen. Die mittels Mikro-MRE gemessenen viskoelastischen Parameter sind sensitiv für histologisch gesicherte Leberfibrose. Zusätzlich zum Gehalt des Bindegewebes beeinflussen subtile Strukturveränderungen des viskoelastischen Netzwerkes die mechanischen Eigenschaften der fibrotischen Leber.

Background and Methods: The present thesis summarizes two related in-vivo magnetic resonance elastography (MRE) studies and one fundamental micro-MRE study. The first study implemented technical advances such as driver integration into the patient table and high-resolution reconstruction algorithms and was performed on phantoms, ten healthy volunteers, and four patients with portal hypertension (PHT). In the corresponding second study, the initial concept was expanded by incorporating poroelasticity. Pressure- sensitive MRE was used to measure intrahepatic blood pressure in 13 patients with PHT before and after transjugular intrahepatic portosystemic shunt (TIPS). Despite the success of MRE in grading hepatic fibrosis the relationship between viscoelastic constants in the liver and tissue structure remains unclear. Therefore, in a third study, 16 human liver specimens with different degrees of fibrosis were examined. Micro-MRE and static indentation experiments provided the shear modulus (storage modulus G', loss modulus G''), the frequency-independent shear modulus (μ), powerlaw exponent (α), and Young's modulus (E). The mechanical parameters were compared with histology, hydroxyproline, blood markers, and in-vivo function tests. Results: Image quality was not compromised by ascites or obesity. In the group of healthy volunteers, averages of magnitude |G*| and phase ϕ of the complex modulus were significantly higher in spleen than liver (p = 0.015 and p = 6.58 ∙ 10-5, respectively). In the PHT cohort, volumetric strain |d*| was significantly higher after TIPS (p = 1.38 ∙ 10-5), while neither shear strain |C*| nor shear modulus |G*| were affected. The frequency-averaged parameters of micro-MRE were significantly correlated with fibrosis (G': R = 0.762, G'': R = 0.830; µ: R = 0.744; p < 0.01) and hydroxyproline (G': R = 0.712, G'': R = 0.720; µ: R= 0.731; p < 0.01). α was inversely correlated with fibrosis (R = −0.590, p = 0.034). E was less correlated with fibrosis (R = 0.587, p = 0.022). Conclusion: The new setup allows integration of abdominal MRE into clinical workflow. The proposed method provides for the first time high-resolution abdominal maps of viscoelasticity within 6 – 8 minutes. Also for the first time, the results show that volumetric strain |d*| is sensitive to high values of tissue pressure. Viscoelastic constants measured by micro-MRE are highly sensitive to histologically proven fibrosis. In addition to the amount of connective tissue, subtle structural changes in the viscoelastic matrix determine the sensitivity of mechanical tissue properties to hepatic fibrosis.