Ultraschnelle MRT der Lungenventilation mittels hochpolarisiertem Helium-3[*]

Zusammenfassung.

Ziel: Darstellung der räumlichen und zeitlichen Distribution der Ventilation der Lunge mittels ultraschneller Magnet-Resonanz-Tomographie von hochpolarisiertem Helium-3 in der Atemgasmischung. Methoden: Für die Studie wurden ultraschnelle Gradienten-Echo-Sequenzen mit TR/TE = 3,3 ms/1,3 ms (Schichtdicke 40 mm) und TR/TE = 2,0 ms/0,7 ms (ohne Schichtselektion) entwickelt. Die Meßzeit betrug 210 ms bzw. 130 ms je Aufnahme. Serien aus 80 bzw. 160 koronaren Aufnahmen wurden mit diesen Sequenzen während mehrerer Atemzyklen aufgenommen. Am Beginn der Messung wurde ein einzelner Bolus (300 ml) aus Helium-3 appliziert. Die Messungen erfolgten an 6 gesunden Probanden unter Spontanatmung. Die Beurteilung der zeitlichen Dynamik erfolgte in verschiedenen Regionen der Lunge und der Trachea. Ergebnisse: Mit den Aufnahmen konnten verschiedene Phasen der Inspiration und der Exspiration dargestellt werden. Während der Messung nahm das Helium-3-Signal durch Verdünnung von Helium-3 in alveolärem Gas, durch die Hochfrequenzanregungen, und aufgrund von T₁-Relaxation mit Sauerstoff sowie durch Ausatmung ab. Das Signal eines einzelnen Helium-3 Bolus konnte während bis zu 4 Atemzyklen in der Lunge nachgewiesen werden. Anatomische Strukuren waren auf den schichtselektiven Aufnahmen besser abgrenzbar als auf den Projektionsaufnahmen. Schlußfolgerungen: Das vorgestellte Verfahren könnte in der Zukunft eine regionale Analyse der Lungenfunktion mit einer Orts- und Zeitauflösung ermöglichen, die der konventioneller Verfahren überlegen sein dürfte.

Ultrafast MR-Imaging of Lung Ventilation Using Hyperpolarized Helium-3.

Objective: Assessment of the temporal and spatial dynamics of hyperpolarized Helium-3 (3He) distribution in the lung with ultrafast gradient-echo magnetic-resonance imaging. Material and Methods: Coronal images of the lung were acquired using ultrafast gradient-echo pulse sequences with TR/TE = 3.3 ms/1.3 ms (slice thickness, 40 mm) and TR/TE = 2.0 ms/0.7 ms (without slice selection). A series of 80 or 160 projection images was obtained with 210 ms or 130 ms temporal resolution, respectively. Imaging was performed during several respiratory cycles after application of a single bolus of 300 mL hyperpolarized 3He. Measurements were performed in six healthy volunteers (spontaneous breathing). Results: Different phases of in- and expiration could be visualized. During the course of consecutive respiratory cycles the 3He signal decreased due to dilution of 3He in residual alveolar gas and by inspired air, relaxation due to oxygen and the RF pulses, and due to Helium-3 washout. The signal of a single bolus of 3He was detected in the lung for up to four respiratory cycles. Anatomical structures were better visualized on slice selective images than on images without slice selection. Conclusion: Distribution of inspired 3He within the tracheobronchial tree and alveolar space and its washout can be visualized by ultrafast imaging of a single bolus of hyperpolarized 3He gas. This method may allow for regional analysis of lung function with temporal and spatial resolution superior to conventional methods.

Schlüsselwörter:

Ventilation - Magnet-Resonanz-Tomographie - Hyperpolarisierte Gase - Helium-3 - Lunge - Lungenfunktion

Key words:

Lung ventilation - Hyperpolarized gas - Magnetic Resonance - Ultrafast imaging - Helium - Human study

1 Herrn Prof. Dr. med. M. Thelen zum 60. Geburtstag gewidmet.

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1 Herrn Prof. Dr. med. M. Thelen zum 60. Geburtstag gewidmet.