Bildgebung und Drumherum

Bildgebung und Drumherum

Kontrast Akademie 2014 Modul 2 Kontrastmittel-verst채rkte Angiographie

Radiology & Interventional

Modul 2 Kontrastmittel-verstärkte Angiographie Die MRT hat seit ihrer Einführung zu Beginn der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts eine rasante Entwicklung genommen.

Dies spiegelt die Entwicklung der MR-Angiographie deutlich wider, da hier die physiologischen Eigenschaften große Ansprüche an die Technik stellen. Die reine arterielle Verweildauer eines KM-Bolus ist recht kurz, so dass schnelle Sequenzen benötigt werden.

Eine der ersten Veröffentlichungen zu dem Thema stammt bereits aus dem Jahr 1993 von Martin R. Prince, einem Pionier auf dem Gebiet. Die damalige Messzeit betrug etwas über 5 Minuten für eine Phase im Abdomen („Dynamic Gadolinium-enhanced Three-dimensional Abdominal MR-Arteriography“, JMRI 1993).

Mit der Weiterentwicklung der MR-Technik wurden auch schnellere Sequenzen etabliert, die dank verschiedener Beschleunigungsmethoden eine bessere Auflösung in einem Zeitraum ermöglichen, in dem der Patient die Luft anhalten kann.

Dadurch hat die MRT die diagnostische Digitale Subtraktionsangiographie (DSA) mit ihren Risiken in vielen Bereichen abgelöst – besser verträgliches Kontrastmittel, wesentlich unproblematischere Punktion einer peripheren Vene statt einer Arterie, und nicht zuletzt der Patientenkomfort sind nur die drei größten Vorteile.

Die Herausforderung Im Gegensatz zu allen anderen radiologischen Verfahren wird das gesamte Untersuchungsvolumen hier tatsächlich gleichzeitig gemessen, also nicht wie beim CT Schritt für Schritt abgetastet.

Für die Bildberechnung benötigt der Scanner genau so viele Echos, wie die Matrix in Phasenkodierrichtung Spalten hat – also bei einer 256er-Matrix 256 Echos – bei einer 3D-Messung kommen noch einmal so viele Spalten dazu, wie unser Paket Schichten hat.

Jedes dieser Echos liefert jetzt Informationen über den gesamten Untersuchungsbereich. Die Echos unterscheiden sich nur dadurch, dass sie entweder vorwiegend Auflösungs-Information kodieren (also Gewebegrenzen, feine Linienstrukturen, die das Bild „scharf“ machen) oder eben Informationen liefern, wo es im Untersuchungsbereich hell (in unserem Fall: Wo ist das Kontrastmittel) oder dunkel ist – eben die Kontrastinformation.

Da diese Informationen (Auflösung und Kontrast) nacheinander gemessen werden, ist es zwingend erforderlich, die Passage des KM-Bolus mit dem Auslesen der Hell-Dunkel-Information zu synchronisieren.

Wann genau liest der Scanner diese Informationen aus?

Dazu müssen wir uns den Speicher, in dem die Echos bis zur Bildberechnung abgelegt werden, etwas genauer anschauen – diesen Speicher bezeichnet man auch als k-Raum. Er ist streng schematisch aufgebaut.

Doch erst noch einmal zurück zur Ortskodierung: Es reicht nicht, 256 Mal das selbe Echo auszulesen (der Einfachheit halber blieben wir bei einer 2D-Aufnahme, also einer einzelnen Schicht).

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Unsere 256 Echos müssen jedes Mal manipuliert werden, und zwar mit den Gradienten, die der Scanner bei Bedarf schaltet.

Gradienten sind zusätzliche Magnetfelder, die das Hauptmagnetfeld überlagern und so auf eine bestimmte Art abändern. Gradientenfelder besitzen eine Richtung und eine Stärke – im Gegensatz zum Hauptmagnetfeld, dass immer, egal ob Nacht oder Tag, z. B. 1,5 T beträgt.

Dadurch wird das Signal künstlich verändert – man könnte auch sagen manipuliert oder verfälscht. Diese Gradienten müssen jetzt also 256 Mal mit einer anderen Stärke geschaltet werden, so dass sie das OriginalSignal auf 256 unterschiedliche Arten verfälschen. Die Stärke variiert dabei von negativ (Hauptmagnetfeld wird abgeschwächt, Spins rotieren langsamer) über positiv (Spins rotieren etwas schneller). Es gibt aber auch Echos, die mit ganz geringen Stärken bzw. sogar ganz ohne zusätzliche Gradienten aufgenommen werden.

Diese Verteilung der Echos spiegelt sich im k-Raum wider.

Die Auswirkungen sind relativ einleuchtend: Die Echos mit starken Gradienten sind auch stark verfälscht, während die Echos, die mit schwachen bzw. ohne Gradient aufgenommen werden, weitgehend „original“ aus dem Patienten kommen.

Doch zurück zu unserer Frage: Warum beinhalten jetzt manche Echos mehr Auflösungsinformation, manche mehr Kontrastinformation?

Der Schritt ist nun nicht mehr groß – wodurch kommt denn der Kontrast zwischen zwei Geweben zu Stande?

Ganz einfach: Gewebe 1 hat noch Signal, also viel Spins, die parallel (in der gleichen Phasenlage) laufen, während Gewebe 2 diese Phasenkohärenz – also den Gleichschritt – schon weitgehend verloren hat. Die unterschiedliche Phasenlage von zwei Geweben entscheidet also über den Kontrast zwischen den beiden im Bild.

Und jetzt zu unseren Gradienten: Die starken Gradienten (egal ob positiv oder negativ) verfälschen das Echo so stark, dass keiner mehr weiß, ob die Phasenunterschiede zwischen zwei Geweben echt sind oder ob sie von uns hineinmanipuliert worden sind. Bei den Echos ohne Gradienten ist klar, dass vorhandene Unterschiede aus dem Patienten selber kommen, also echt sein müssen.

Phase

Frequenz

Abbildung 1: Schematische Abbildung eines gefüllten k-Raums. Man sieht gut, dass die Stärke der Echos im Zentrum des k-Raums am stärksten ist. Von oben nach unten läuft die Stärke des Phasenkodiergradienten, von rechts nach links die im Echo enthaltene Frequenz. Rechts das resultierende Bild nach der Fourier-Transformation.

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Dieses Schema ist bei allen Sequenzen gleich – in der k-Raum-Mitte ist der Kontrast kodiert. Unterschieden wird nur, wann das Zentrum gefüllt wird. Dies muss man wissen, wenn man jetzt Boluspassage und Sequenz mit einander kombinieren will.

Füllmethoden Lineare k-Raum-Füllung: Dies ist der Klassiker und die robusteste Art, die Echos zu kodieren. Der Scanner beginnt dabei an einem k-Raum-Ende (z.B. unten, mit einem negativ geschalteten Phasenkodiergradienten) und füllt den den k-Raum von unten nach oben Zeile für Zeile. Hierbei gelangt er etwa nach einem Drittel der Messzeit in die k-RaumMitte. Vorteil ist, dass diese Methode sehr robust ist und manche Artefakte, die bei zentrischer Füllung (s.u.) auftreten können, vermieden werden.

Zentrische k-Raumfüllung: Hier beginnt der Scanner direkt mit den kontrast-kodierenden Echos in der k-Raum-Mitte (also mit schwachen Phasenkodiergradienten) und arbeitet sich dann nach und nach in die äußeren Anteile vor.

Ein möglicher Nachteil besteht hier darin, dass dadurch die Sprünge zwischen einzelnen Gradientenstärken recht groß sind. Das kann u. U. dazu führen, dass im Tunnel Wirbelströme induziert werden, die sich als vermehrtes Rauschen bemerkbar machen.

Daher ist diese Methode nicht immer sinnvoll, auch wenn sie an allen Geräten implementiert ist. Die zentrisch-elliptische Füllung, die z.B. bei GE zur Verfügung steht, ist eine Sonderform und berücksichtigt die Dreidimensionalität des k-Raums. Bei Toshiba ist die zentrische Füllung unter dem Namen „Quirl“ implemeniert.

Phase

Frequenz

Abbildung 2: Zentrische k-Raum-Füllung Zu Beginn wird die k-Raum-Mitte gefüllt, dadurch ist der Bildkontrast sofort da. Danach geht die Bahn nach und nach in die äußeren Bereiche. Dadurch sind die Sprünge zwischen den aufeinander folgenden Echos aber sehr groß, was mitunter Probleme bereiten kann.

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Bei einer zentrischen k-Raum-Füllung ist die Sache also klar – das KM muss bereits zu Beginn der Messung in der Arterie sein.

Die KM-Ankunft können wir hierbei fluoroskopisch beobachten. Der gesamte KM-Bolus (und das Kochsalz) wird injiziert, der Scanner macht eine niedrig aufgelöste Messung im Zielgebiet, die so lange wiederholt wird, bis das KM anfließt. Die Angio-Messung wird manuell ausgelöst.

Diese Methode heißt je nach Hersteller „Carebolus“, „Bolustrak“, „Fluorotrigger“ oder „Visual Prep“.

Ein großer Nachteil dieser Methode ist allerdings die schwierige Kombination mit einem Atemkommando, daher ist sie nur für Carotis- oder Becken-Bein-Angiographien wirklich gut geeignet. Weiterer Stolperstein dieser vermeintlich einfachen und schnellen Methode ist die gerade bei AnfängerInnen am MRT bei der Methode einsetzende Hektik und Unsicherheit. Aber dies lässt sich in den Griff bekommen – schließlich ist noch kein(e) Meister/in vom Himmel gefallen, warum sollte dies gerade am MR so sein.

Aber auch technisch gibt es ein paar Dinge zu beachten: Der Tischvorschub zwischen Abbruch des Carebolus / Bolustrak / Fluorotrigger und Beginn der Angiosequenz sollte auf ein Minimum reduziert werden, oder je nach Geschwindigkeit des Tisches ganz unterbleiben. Eine weitere Fehlerquelle sind die nötigen Vorbereitungen – auch die müssen bereits erledigt sein.

Dies ist normalerweise mit der Nativmessung der Fall. Da manche Hersteller nicht immer eine komplette Nativmessung zum Subtrahieren fahren, muss dann das Shimmen auf jeden Fall vorher erledigt werden.

Etwas anders sieht die Sache mit dem Timing nun aber bei der linearen Füllung aus.

Synchronisation von Bolus und MRT bei der linearen Füllung Die Kombination von der fluoroskopischen Beobachtung der KM-Ankunft und die lineare k-Raum-Füllung ist also normalerweise keine gute Kombination. Ein Beispiel an der Carotis macht dies klar: Linear heißt, das der Scanner erst mit Auflösungsinformationen beginnt, bevor er in die k-Raum-Mitte geht. Dies dauert etwa ein Drittel der Messzeit, also bei einer Messung von 21 s etwa 7 s.

Wird die Sequenz jetzt gestartet, wenn das KM gerade in die supraaortalen Abgänge fließt, wäre es viel zu spät, wenn dann der Bildkontrast 7 s später gemessen wird. Alternativ müsste man also sehr viel früher starten, nämlich 7s vor der Füllung der Abgänge.

Die elegantere Variante ist das Arbeiten mit einem Testbolus oder Timing.

Hierbei wird eine kleine Menge Kontrastmittel (1-2 ml) unter absolut identischen Bedingungen wie später der eigentliche Angio-Bolus (Flussrate und Kochsalz-Menge) vorab gespritzt. Gleichzeitig mit Injektionsbeginn wird – ähnlich wie beim fluoroskopischen Verfahren – eine niedrig aufgelöste Schicht im Zielgebiet sehr schnell hintereinander gemessen.

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In diese Schicht kann man dann in die interessierende Arterie eine Region-of-Interest (RoI) einzeichnen, innerhalb derer der Scanner dann den Signalverlauf nach Messbeginn ausrechnet. Man erhält eine Anflutungskurve, die eine genaue Aussage über die Kreislaufzeit des Patienten zulässt – allerdings nur wenn Beobachtungssequenz und Testinjektion gleichzeitig gestartet werden! Dies ist auch gleich eine ganz wichtige Voraussetzung für das Gelingen der Methode!

Abbildung 3: Anflutungskurve Die RoI wurde in die Aorta platziert – die Auswertung zeigt die Anflutung und das maximale Signal. Auf der Kurvenskala ist unten die Bildnummer aufgetragen – stellt man die Testbolus/Timing-Sequenz so ein, dass ein Bild eine Sekunde dauert, gilt Bildnummer = Zeit p.i.

Je nach Hersteller heißt dies Testbolus oder Timing.

Von der Kreislaufzeit zur Startverzögerung Die so erhaltene Kreislaufzeit (abgekürzt englisch „BAT“, Bolus-Arrival-Time bzw Bolus-Ankunftszeit) ist der wichtigste Baustein auf dem Weg zu einer guten Angio – doch zum Gelingen einer guten Angio tragen noch zwei weitere Faktoren bei: Der Einfluss des Scanners Wie wir ja gesehen haben, ist es von entscheidender Bedeutung, wann die k-Raum-Mitte gefüllt wird. Die modernen Scanner zeigen die Zeit von Messbeginn bis k-Raum-Mitte direkt an – diese Zeit muss jetzt noch von der gemessenen Kreislaufzeit abgezogen werden.

Der Einfluss des KM-Bolus Es ist durchaus möglich, nur unter Berücksichtigung der Messparameter und des Patientenkreislaufs zum Startzeitpunkt zu gelangen. Hierbei subtrahiert man einfach von der gemessenen Kreislaufzeit die Zeit bis k-Raum-Mitte: Gleichung 1: Delay-Bestimmung 1: Startverzögerung = BAT – k0 Ein etwas umfassenderer Ansatz ist aber, noch die Eigenschaft des KM-Bolus zu beachten. Der eigentliche Bolus ist ja etwas länger als die Probeinjektion und fällt daher nicht so schnell wieder ab, sondern wird eher ein Plateau bilden. Wie lang dieses Plateau ist, hängt nun davon ab, wie viel KM-Volumen mit welcher Injektionsrate verabreicht wird – 15ml mit einem Flow von 3ml/s machen ein kürzeres Plateau als 20 ml, die mit einem Flow von 2 ml/s injiziert werden.

Um dem Rechnung zu tragen, wird auf die Startverzögerung, die wir aus Gleichung 1 erhalten haben, jetzt wieder die Hälfte der Länge des KM-Plateaus addiert: Gleichung 2: Delay-Bestimmung 2: Startverzögerung = BAT – k0 + ½ KM-Injektionsdauer

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Sieht auf den ersten Blick kompliziert aus, ist es aber nicht: Bei unserem Beispiel würde das also für 15ml KM mit einem Fluss von 3ml/s bedeuten, dass wir 2,5 s wieder hinzu addieren (Bolusdauer: 15 ml : 3 ml/s = 5 s, davon die Hälfte, also 2,5 s).

Bei einem Bolus mit 20 ml KM und einem Flow von 2 ml/s entsprechend 5 s (20 ml : 2 ml/s = 10 s, davon die Hälfte sind 5 s).

Und da bei Angios ja ohnehin gerne mit Standarddosen gearbeitet wird und an den Sequenzen eher nichts verändert wird, ändert sich auch kaum etwas an der Zeit bis zur k-Raum-Mitte – das Einzige, was sich ändert, ist die Kreislaufzeit.

Tipp: Die abzuziehende Zahl (k0 + ½ KM-Injektionsdauer) einfach ins Kommentarfeld oder den Sequenznamen schreiben! Wenn die Sequenz z.B. Angio_Niere_4s heißt, ist das doch wesentlich aussagekräftiger als T1_CE_HR_512_iso_FS_art.

Die Hauptvorteile der Testbolus/Timing-Methode: QQ Sehr gute Kombination mit Atemkommando Da man ja beim Start des Angio-Bolus schon genau weiß, wann es ankommt und wann man die Sequenz starten muss, kann man das Atemkommando sehr gut auf den Patienten abpassen. Daher hat sich der Testbolus bei allen Angios, die in Atemstillstand gemessen werden, eigentlich durchgesetzt.

QQ Unanfälliger gegen Artefakte Da sich die Stärke der aufeinander folgenden Gradienten nicht so stark unterscheidet wie bei der zentrischen Füllung, treten Wirbelstromartefakte seltener auf.

QQ Einfachere Methode Trotz der Rechnerei wird die Methode gerade am Anfang als einfacher und weniger hektisch empfunden, da der Startzeitpunkt ja ganz in Ruhe ausgerechnet werden kann.

Abbildung 4 a und b: Angio der Aorta thoracalis / Übergang zur abdominalis, bekanntes Aneurysma dissecans, Frage nach Abgang der Nierenarterien. Standarddosis, Startzeitbestimmung über Testbolus/Timing. Man sieht keinerlei Atemartefakte, da die Patientin optimal mit ausreichend Vorlauf instruiert werden konnte.

Dadurch optimale Beurteilbarkeit der Lage der Abgänge aus dem wahren Lumen.

Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Prof Michaely / Prof Schönberg, Großhadern, München

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Die Rolle des Kochsalzes Aufgabe und Menge Die Kochsalz-Spülung hat eine ganz zentrale Bedeutung für das Gelingen einer Angio. Wichtig ist, die gesamte KM-Menge ins rechte Herz zu befördern. Ab da übernimmt der Patient mit seinen Kreislaufparametern (Ejektionsfraktion, Herzfrequenz) den Weitertransport.

Der Kochsalzbolus muss dafür sorgen, dass das gesamte Volumen auch dort ankommt und ihn mit der gewünschten Geschwindigkeit dorthin „schieben“ – er hat also eine ganz ähnliche Aufgabe wie die Schieber der Croupiers im Casino. Genau wie es im Casino wichtig ist, dass diese Schieber lang genug sind (sonst kommt der Croupier ja nicht an unseren Einsatz heran), ist es auch beim Kochsalz wichtig, das der Bolus lang genug ist – lang meint in diesem Falle Volumen.

Das physiologische Volumen zwischen Ellenbeuge und Herz sind etwa 30 ml – die müssen wir also schon einmal überbrücken. Dazu kommt dann noch das Schlauchvolumen am Injektor, das wir ebenfalls erstmal leerspülen müssen.

Es dürfen also durchaus 40 ml NaCl sein, mit denen hinterher gespült wird. KM, welches vor dem Herz liegen bleibt, trägt nicht zur Angio bei, im ungünstigsten Fall überdeckt es wichtige Arterien, die wir sehen wollen (z.B. verbliebenes KM in der V. subclavia bei einer Carotis-Angio).

Abbildung 5: Carotis-Angio & NaCl-Menge Bolus ist zwar optimal getroffen, aber das KM in der V. subclavia ist dort nicht benötigt bzw. kann u. U. sogar zu Auslöschungsartefakten führen.

Mehr NaCl würde diesen Anteil weiter transportieren, so dass es auch in den interessierenden Gefäßen ankommt – die Angio wäre entweder „noch schöner“ oder man würde mit weniger KM für die gleiche Bildqualität auskommen.

Kochsalz beim Testbolus/Timing Die gemessene Kreislaufzeit ist essentiell. Auch hier spielt das NaCl eine große Rolle: Die Kreislaufzeit gilt nur für den verwendeten Flow und die NaCl-Menge!

Wird der eigentliche Angio-Bolus jetzt mit weniger NaCl weitertransportiert und nicht komplett ins Herz geschoben, dauert es auch länger, bis er im Zielgebiet ankommt! Dieser Zusammenhang ist ganz wichtig und sollte bei der Testbolus/Timing-Methode immer beachtet werden! Das Gleiche gilt für die Flussrate – die Kreislaufzeit gilt nur für absolut reproduzierbare Bedingungen!

Tipp: Die Zeit zwischen Testbolus/Timing und Angiobolus möglichst kurz halten! Mögliches Szenario: MRT Niere mit Angio, Testbolus gleich zu Beginn, da man dann Zeit hat, ihn auszuwerten. In der Zwischenzeit beruhigt sich der anfangs aufgeregte und etwas ängstliche Patient, die Herzfrequenz sinkt, der Kreislauf verlangsamt sich. Die Angio wird zu früh gestartet.

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Die Angio-Sequenz abseits vom k-Raum Die verwendete Sequenz ist eine stark T1-gewichtete 3D-Sequenz. Damit das KM nicht davonfließt, werden Gradienten-Echo-Sequenzen verwendet.

Das verwendete TR ist extrem niedrig (je nach MRT unter 5 ms) – in dieser kurzen Zeit kann sich die Magnetisierung nicht erholen, so dass wir kaum Signal bekommen, da die Spins gesättigt sind.

Nur in der Nähe des KM-Bolus ist es den Blutspins dann möglich, sich zu erholen und neue Längsmagnetisierung in der kurzen Zeit aufzubauen, die dann wieder geklappt und gemessen werden kann.

Bei den meisten Herstellern wird trotz des ohnehin geringen Signals eine Nativmessung gefahren, die dann von der KM-Serie subtrahiert wird.

Störendes verbliebenes Fett-Signal kann weggesättigt werden, aber da man ja ohnehin subtrahiert und die Fettsättigung Messzeit kostet, kann eher darauf verzichtet werden. Die gesparte Zeit kann dann in PatientenKomfort (kürzere Atemanhaltezeit!) und/oder eine höhere Auflösung investiert werden.

Die Auflösung ist ein sehr wichtiges Kriterium für die Zuverlässigkeit einer Diagnose. Man sagt, dass eine sichere Aussage erst dann möglich ist, wenn das Gefäß von mindestens 3 Voxeln erfasst wird.

Da die Serie ja hinterher noch in anderen Ebenen rekonstruiert wird, empfiehlt es sich, eine Voxelgröße anzustreben, die in jeder Raumrichtung gleich groß ist – dann gibt es keine Stufenartefakte.

Man spricht von isotroper Auflösung – so ähnlich wie beim Zauberwürfel, denn dessen einzelne Elemente haben in jeder Richtung die selbe Kantenlänge.

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Anforderungen an das KM Im Gegensatz zum Röntgen sehen wir hier übrigens nicht direkt das Kontrastmittel, sondern nur die „normalen“ Wasserspins in der Nähe des Kontrastmittels.

In Gegenwart eines Kontrastmittels ist die Relaxation erleichtert und die Spins können trotz des kurzen TRs neue Längsmagnetisierung aufbauen, die wir dann anregen können.

Ein Kontrastmittel ist dann ganz anschaulich umso effektiver, je mehr Wasserspins relaxiert werden können.

Um dies zu beschreiben, gibt es den Begriff „Relaxivität“.

Da Gadolinium, der eigentliche Wirkstoff des KM – anders als das Jod im Röntgen-KM – toxisch ist, muss er sicher verpackt werden. Dies beeinträchtigt die Relaxivität der verschiedenen Produkte.

Die Relaxivität hängt daneben noch ab von der Umgebung (Wasser, Blut, …) und der Magnetfeldstärke.

Wenn man bloße Relaxivitätsangaben vergleicht, muss man also immer darauf achten, bei welcher Magnetfeldstärke und in welcher Umgebung dies gemessen wurde.

Doch die Relaxivität ist nur die eine Seite der Medaille. Das beste Kontrastmittel nutzt nichts, wenn kaum welches davon vor Ort ist – das ist der Einfluss der Konzentration des KMs. Eine relativ einfache Gleichung bringt dies auf den Punkt: Gleichung 3: Relaxivität

T1-Zeit des Blutes

T1-Zeit des Blutes

nach KM

ohne KM

KM-Konzentration

Daraus ergibt sich umgeformt: Gleichung 4: Konzentration & Relaxivität

Erzielte Verkürzung der T1-Zeit, praktisch:

Konzentration des KMs * Relaxivität

Wie weiß wird mein Bild?

Die Konzentration können wir in gewissem Rahmen beeinflussen – je nach Zulassungsstatus kann man ganz einfach die Flussrate erhöhen. Aber selbst dann wird sich mit einem höher konzentrierten Produkt immer auch eine höhere lokale Konzentration in der Arterie erreichen lassen.

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Abbildung 6: Vergleich von zwei gadoliniumhaltigen Kontrastmitteln, identischer Patient:

Gd-DOTA: 0,2ml / kg KG

Gd-BT-DO3A: 0,1ml / kg KG

Beide Aufnahmen wurden am selben Patienten und am selben Gerät angefertigt.

Dosierung: Gewichtsadaptierte Standarddosis mit Gd-haltigem Kontrastmittel, Injektionsgeschwindigkeit 2 ml/s.

Man sieht gut den Einfluss von Konzentration und Relaxivität auf den Kontrast.

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