Nicht-invasive Beurteilung des Myokards durch kardiales T1-Mapping

Abstract

Die kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie (MRT) spielt aufgrund ihrer technischen Möglichkeiten eine wichtige Rolle bei der nicht-invasiven Beurteilung myokardialer Erkrankungen. T1-Mapping basiert im Gegensatz zu konventionellen MRT-Techniken auf der parametrischen Darstellung der longitudinalen Relaxationszeit T1 und erlaubt direkte quantitative Vergleiche der Signalintensität eines Gewebes im Verlauf oder zwischen unterschiedlichen Individuen. Die Nutzbarmachung von T1-Mapping für kardiale Anwendung könnte es ermöglichen, diffuse pathologische Prozesse am Myokard zu charakterisieren, die der MRT-Diagnostik bislang nicht gut zugänglich sind. In einer ersten Pilot-Studie an Patienten mit akutem Myokardinfarkt konnte das diagnostische Potential von kardialem T1-Mapping erfolgreich demonstriert werden. Es folgte die Entwicklung eines neuen Pulssequenz-Schemas („modified Look-Locker inversion recovery“ = MOLLI), welches hochauflösendes T1-Mapping für kardiale Anwendungen innerhalb eines Atemanhaltezyklus ermöglicht. In der Folge wurde diese Methode systematisch bei gesunden Probanden getestet und validiert, wobei sich eine hohe Genauigkeit und gute Reproduzierbarkeit der abgeleiteten T1-Werte zeigten. Bei Patienten mit Myokardinfarkt konnten die akut infarzierten, ödematös veränderten Myokardareale mit hoher Genauigkeit anhand verlängerter T1-Zeiten identifiziert werden, und T1-Mapping ließ sich für eine semi-automatische Abgrenzung der Infarktareale einsetzen. Es erfolgten eine systematische Optimierung und anschließende erneute Validierung von MOLLI, und ein Ausbau des für die Rekonstruktion der T1-Maps entwickelten flexiblen Softwarepaketes, welches im Internet (open source) zur Verfügung gestellt wurde. Um auch an Kleintiermodellen umfassende in-vivo Untersuchungen von Myokardschäden zu ermöglichen, wurde eine weitere neue Technik etabliert („small animal Look-Locker inversion recovery“ = SALLI), welche eine speziell für die Anwendung bei hohen Herzfrequenzen abgestimmte Pulssequenz mit einer innovativen multimodalen Bildrekonstruktion verbindet. Damit lassen sich aus einem Datensatz sowohl T1-Maps als auch bewegte Cine-Bilder und typischerweise für die Narbendarstellung verwendete sog. IR-präparierte Bilder („late gadolinium enhancement“) generieren. Der Nutzen dieser Methode zeigte sich in einer experimentellen Studie an einem Kleintiermodell mit pharmakologisch induzierter linksventrikulärer Hypertrophie, in der anhand von SALLI-Daten das extrazelluläre Verteilungsvolumen (ECV) des Myokards bestimmt wurde. Dabei korrelierte ECV mit einem Anstieg der histologisch gemessenen Kollagenvolumen- Fraktion, so dass sich die Eignung von ECV als nicht-invasiven Marker für den myokardialen Kollagen-Gehalt bestätigen ließ. In Zukunft könnte kardiales T1-Mapping bei klinischen Fragestellungen zur quantitativen Beurteilung entzündlicher und fibrotischer Prozesse am Herzen eingesetzt werden. Möglicherweise werden dabei auf MOLLI beruhende Techniken eingesetzt werden oder solche, welche das Konzept der multi-modalen Bildrekonstruktion von SALLI benutzen. Der Schwerpunkt unserer weiteren klinischen Forschung liegt somit auf dem Einsatz dieser Methoden zur nicht-invasiven Myokardcharakterisierung bei Patienten mit Kardiomyopathien und angeborenen Herzfehlern.

Cardiovascular magnetic resonance imaging (MRI), due to its technical characteristics, plays an important role in the non-invasive assessment of myocardial disease. In contrast to conventional MRI techniques, T1 mapping is based on parametric visualisation of the longitudinal relaxation time T1, and allows for direct quantitative comparison between the signal intensities of a given tissue at different time points or from different subjects. The exploitation of T1 mapping for cardiac applications could make it possible to characterise diffuse pathologic processes of the myocardium, which so far are not amenable to MRI. A pilot study in patients with acute myocardial infarction served to successfully demonstrate the diagnostic potential of cardiac T1 mapping. Subsequently, a novel pulse sequence scheme was developed (modified Look-Locker inversion recovery = MOLLI), which enables high- resolution T1 mapping for cardiac applications within a single breath-hold. Following this step, this method was systematically tested and validated in healthy volunteers, where high accuracy and reproducibility of the derived T1 values could be observed. In patients with myocardial infarction, areas of acutely infarcted and oedematous myocardium with prolonged T1 times could be identified with high accuracy, and T1 mapping could be used to delineate infarcted areas in a semi-automatic fashion. MOLLI was then further optimised and again validated. The flexible software package developed for the generation of MOLLI T1 maps was further enhanced and made available on the internet as open-source software. In order to also enable comprehensive in- vivo assessment of myocardial injury in small animal models, an additional novel technique was established (small animal Look-Locker inversion recovery = SALLI), which combines a pulse sequence that is optimised for high heart rates with an innovative multi-modal image reconstruction method. This approach allows for a simultaneous generation of T1 maps, cine images, and inversion recovery-prepared images (as used for scar imaging in “late gadolinium enhancement“) from one single data set. The value of this technique was shown in an experimental study in a small animal model of pharmacologically induced left-ventricular hypertrophy, where the extracellular volume fraction (ECV) of the myocardium was determined using pre- and post-contrast SALLI data. In that study, ECV correlated with an increase of the collagen volume fraction as assessed by histology, confirming the value of ECV as a non-invasive marker for myocardial collagen content. In the future, cardiac T1 mapping might be applied clinically to assess inflammatory and fibrotic processes of the heart in a quantitative way. Possibly, the technologies for these applications might be based on MOLLI and/or make use of the multi-modal reconstruction concepts introduced with SALLI. Consequently, the focus of our further research will be on the application of these methods for non-invasive characterisation of the myocardium in patients with cardiomyopathies and congenital heart disease.