Einleitung
Die Darstellung der Ventilation der Lunge mit der 1H-Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) ist aufgrund der geringen Protonendichte des intrapulmonalen Gasgemisches nicht direkt möglich. Die geringe Dichte kann durch den Einsatz der Edelgase 129Xe und 3He als signalgebendes Medium kompensiert werden, indem die Kernpolarisation durch optisches Pumpen um fünf Größenordnungen gegenüber der thermischen Polarisation angehoben wird [1]
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[4]. Damit wird eine Darstellung der Lungenventilation in Echtzeit möglich [5]. Alternativ wurden fluorierte Gase wie beispielsweise Schwefel-Hexafluorid (SF6) als signalgebendes Medium für die 19F-MRT vorgeschlagen. Diese Gase besitzen sehr kurze T1-Relaxationszeiten im Millisekundenbereich, so dass die geringe Spindichte der Gase durch eine große Anzahl von Signalmittelungen kompensiert werden kann [6]. Allerdings war in bisherigen Arbeiten die Messzeit in der Größenordnung von Stunden, so dass diese Technik bisher nicht für die Anwendung am Menschen eingesetzt werden konnte [6]
[7].
Ziel der vorliegenden Studie war die Entwicklung von Messsequenzen zur Darstellung der Ventilation der Lunge mittels ultraschneller Magnet-Resonanz-Tomographie von SF6-Gas in der Atemgasmischung innerhalb einer einzigen Atemanhalteperiode. Diese neue 19F-MRT-Technik wurde in einer Pilotstudie an drei beatmeten Schweinen getestet.
Material und Methodik
Die MR-Messungen erfolgten an einem Siemens Magnetom Vision (1,5 T) mit Standard-EPI-Booster (maximale Gradientenstärke 24 mT/m, maximale Gradientensteilheit 80 mT/m/ms).
Für die 19F-MRT von SF6-Gas wurden zwei verschiedene Gradientenecho-Sequenzen entwickelt: eine Sequenz ohne Schichtselektion zur Messung von Projektionen durch die Lunge (i) sowie eine 3D-Sequenz (ii) mit hoher Ortsauflösung. Sequenz (i) ist eine 2D-FLASH-Sequenz ohne Schichtselektion mit einer Repetitionszeit (TR) von 1,4 ms, einer Echozeit (TE) von 0,48 ms und einem Pulswinkel (α) von 40 °. Die kurzen TR- und TE-Zeiten wurden unter Einsatz des EPI-Boosters, sinusförmiger Gradientenflanken sowie nicht-äquidistanter Datenauslese während der Flanken des Auslesegradienten erzielt. Bei NEX = 200 Akquisitionen und einer Rohdatenmatrix von 32 × 64 beträgt die Messzeit 9 s/Bild, das Messfeld 200 mm. Sequenz (ii) ist eine 3D-FLASH-Sequenz mit TR/TE/α = 1,6 ms/0,48 ms/65°. Bei einer Rohdatenmatrix von 48 × 64, 32 3D-Partitionen (Dicke 15 mm) und NEX = 20 Akquisitionen beträgt die Messzeit 49 s. Das Messfeld umfaßt 300 mm. Das Akquisitionsfenster hatte bei beiden Sequenzen eine Länge von 480 µs (Bandbreite 2080 Hz/Bildpunkt). Für alle Messungen wurde eine 19F-Birdcage Spule (Rapid Biomed GmbH, Würzburg) eingesetzt.
Die Messungen erfolgten mit Zustimmung der universitären Tierschutzkommission an drei anästhesierten und beatmeten (Servo 900 C, Siemens-Elema, Schweden) Schweinen (18 ± 1 kg). Nach Auswaschen des Stickstoffs durch Sauerstoffbeatmung für etwa 30 min wurde ein Gemisch aus O2 und SF6-Gas (Fa. Messer-Griesheim, Frankfurt/Main) in verschiedenen Konzentrationen verabreicht. Zur Abschätzung der intrapulmonalen SF6-Konzentration wurden die endtidalen CO2- (FetCO2) und O2-(FetO2) Konzentrationen mittels eines Gas-Analysators (Capnomac Ultima, Datex-Ohmeda, Helsinki) bestimmt, die endtidale Wasserdampffraktion als 47 mmHg/760 mmHg = 6,2 % angenommen, und hieraus die endtidale SF6-Konzentration als 100 % - FetCO2 - FetO2 - FetH2O errechnet. Es ergaben sich Werte von 15 %, 25 %, 42 %, 73 %. Messungen erfolgten nach Einwaschen des O2/SF6 Gasgemisches über zwanzig Atemzyklen. Die MR-Messung erfolgte in Atemanhaltetechnik, hierzu wurde die Beatmung zum Zeitpunkt maximaler Inspiration unterbrochen, nachdem sich in der Gasanalyse ein Gleichgewicht der einzelnen Konzentrationen eingestellt hatte. Nach Ende der MR-Messung wurde die Beatmung mit normaler Luft fortgesetzt.
Die Auswertung der Messungen erfolgte durch Mittelwertbildung der Signale in benutzerdefinierten Regionen (ROI) im Lungenparenchym und in einem neben dem Tier positionierten Phantom, das mit 100 % SF6-Gas befüllt war. Die ROIs wurden in Bereiche platziert, in denen nach visueller Beurteilung das maximale SF6-Signal beobachtet wurde. Das Rauschen wurde bestimmt durch die Standardabweichung innerhalb einer ROI mit homogener Signalintensität. Das Signal-Rausch-Verhältnis SNR ergab sich als das mittlere Signal in der ROI dividiert durch das Rauschen.
Ergebnisse
In den koronaren Aufnahmen waren beide Lungen mit hoher Signalintensität erkennbar. Das Herz stellte sich als signalfreie Region dar. Erwartungsgemäß war die Abgrenzung anatomischer Strukturen in den Projektionsaufnahmen (Sequenz (i), Abb. [1]) schlechter als in den 3D-Aufnahmen (Sequenz (ii), Abb. [2]). Eine Variation des Flipwinkels im Bereich 40° ... 80° führte zu keinen messbaren Unterschieden im SNR. Die Auswertung der ROls ergab in der Lunge ein maximales SNR von 30,9 ( Sequenz (i) ) und 14,9 ( Sequenz (ii) ). Das mit Sequenz (i) höhere SNR ist eine Folge der Integration des Signals über die gesamte Lungendicke. Zwischen der endtidalen SF6-Konzentration und dem 19F-Signal wurde ein annähernd linearer Zusammenhang gefunden (Abb. [3]). Dieser Zusammenhang war vergleichbar für ROls im Parenchym beider Lungen. Nach Beatmung über fünf Atemzyklen mit reinem Sauerstoff war kein SF6-Signal mehr in der Lunge messbar.
Diskussion
Unsere Befunde zeigen, dass die Verteilung von SF6-Gas nach Einwaschen in die ventilierten Lungenräume mittels der 19F-MRT in Atemanhaltetechnik dargestellt werden kann. Damit wird eine vollkommen nicht-invasive Untersuchung der Ventilation der Lunge ermöglicht.
Die vorgestellte Methode erlaubt es, die Belüftung verschiedener Areale der Lunge mit dem Inertgas SF6 zu vergleichen. Während die Projektionsaufnahmen eine relativ hohe Zeitauflösung und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis im Lungenparenchym ermöglichen, lassen sich anatomische Strukturen wie die Trachea sowie die beiden Hauptbronchien in den Schichtaufnahmen besser abgrenzen. Innerhalb der Lungenfelder waren keine weiteren Strukturen erkennbar. Dies dürfte zum einen eine Folge der Projektionstechnik bzw. der relativ dicken Schichten sein. Zum anderen handelt es sich bei der beschriebenen Messung um eine Gleichgewichtsmessung, bei der sich Konzentrationsunterschiede zwischen Alveolarraum und Luftwegen weitgehend äquilibriert hatten.
Die sehr kurze longitudinale Relaxationszeit ermöglicht einerseits eine hohe Anzahl von Signalmittelungen und damit letztlich die Bildgebung in Atemanhaltetechnik. Da für SF6 aber auch T1 ≉ T2 gilt, ist andererseits eine besonders schnelle Datenauslese erforderlich, um eine Verschlechterung der Punktabbildungsfunktion (und damit der wahren Ortsauflösung) der Sequenz durch transversale Relaxation während der Datenauslese zu vermeiden. Eine Steigerung der Ortsauflösung gegenüber dieser Studie stellt damit besonders hohe Anforderungen an das Gradientensystem des Tomographen. Diese können derzeit nur von dedizierten kardiovaskulären MRT-Systemen, die seit kurzem von einigen Herstellern angeboten werden, erfüllt werden.
Einer direkten Übertragung der beschriebenen Messtechniken auf den Menschen stehen derzeit hauptsächlich zwei Punkte entgegen. Einerseits ist SF6 noch nicht für den klinischen Routineeinsatz zugelassen, obgleich die Substanz bereits seit vielen Jahren im Rahmen klinischer Studien mit der Multiplen Inertgas-Eliminationstechnik (MIGET) an Patienten zur Anwendung kommt [8]. SF6-Gas ist ein nahezu unlösliches Gas [9], toxische Wirkungen sind nicht bekannt [10].
Andererseits war die applizierte Hochfrequenzenergie aufgrund der kurzen Puls- und Repetitionszeiten sehr hoch. Unter der Annahme, dass die applizierte Hochfrequenzenergie im Körper vollkommen absorbiert wurde und die Spulenabstimmung optimal war, wurde bei unseren Versuchen eine mittlere Leistung von 3,4 W/kg Körpergewicht appliziert. Dieser Wert liegt deutlich über dem gesetzlichen Grenzwert von 1,5 W/kg. Eine Reduktion der Energiedeposition ließe sich beispielsweise mittels einer Verlängerung der Hochfrequenzpulse oder der Repetitionszeit erzielen, was aber eine Verlängerung der Messzeit zur Folge hätte.
Alternativ könnte die Energiedeposition auch durch eine Verringerung des Pulswinkels reduziert werden. Unter der Annahme eines T1 von etwa 2,5 ms beträgt der Ernstwinkel bei einer Repetitionszeit von 1,6 ms 58°. Für eine FLASH-Sequenz ist bei TR < T1 das Signalmaximum um den Ernstwinkel relativ breit, was durch unsere Beobachtung eines in einem weiten Bereich vom Pulswinkel (40° ... 80°) nahezu unabhängigen SNR bestätigt wird. Zumindest bei Sequenz (ii) (FLASH 3D) könnte also bereits durch eine leichte Reduktion des Pulswinkels von 65° auf 40° eine Verringerung der Energiedeposition um mehr als 60 % erreicht werden, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen.
Für die 3D-Aufnahmen betrug die Messzeit und damit auch die Atemanhaltezeit 49 s, eine Dauer, die selbst für gesunde Probanden kaum tolerabel wäre. Die Messzeit könnte aber problemlos durch eine Verminderung der Anzahl der 3D-Partitionen verkürzt werden. Für die Anwendung am Patienten muss auf jeden Fall immer ein für die erforderliche Atemanhalteperiode ausreichender und dem Patientenzustand angepasster Sauerstoffanteil im Atemgasgemisch sichergestellt sein. Eine kontinuierliche Überwachung der Blutoxygenierung, z. B. mit einem Pulsoximeter, erscheint uns daher für Untersuchungen am Menschen unverzichtbar.
Schließlich muss berücksichtigt werden, dass SF6 eine im Vergleich zu den physiologischen Atemgasen O2, CO2 und N2 weit höhere Massendichte besitzt. Hieraus resultiert ein höherer Flusswiderstand in kleinen Atemwegen bzw. ein früherer Übergang in turbulente Strömung. Damit ist eine direkte Übertragung von mit SF6 erhobenen Ventilationsdaten auf die Verhältnisse unter normaler Luftatmung zwar nur eingeschränkt möglich. Andererseits könnte - als Perspektive - gerade der Vergleich der SF6-Analyse mit den mittels 3He gewonnenen Daten nützliche Informationen über die regionale Ventilation bei Erkrankungen der kleinen Atemwege liefern.
Die SF6-Bildgebung ist mit relativ geringem Aufwand an den derzeit verfügbaren Hochfeld-MRT-Geräten, die mit der Möglichkeit zur Nicht-Protonen-Bildgebung und/oder -Spektroskopie ausgestattet sind, implementierbar. Im Gegensatz zur MR-Lungenbildgebung mittels hochpolarisierter Gase wie 129Xe oder 3He ist SF6 problemlos und kostengünstig kommerziell erhältlich. Von Edelman et al. wurde ein weiteres, allerdings indirektes MR-Verfahren zur Untersuchung der Lungenventilation vorgeschlagen, das auf der 1H-Differenzbildgebung unter Beatmung mit 100 % O2 bzw. mit Normalluft beruht [11]. Die Signaländerung ist bei diesem Verfahren primär abhängig von der im Blut physikalisch gelösten Menge O2, d. h. nicht nur von der Ventilation (wie bei der SF6-MRT), sondern auch von der Diffusion des Sauerstoffs aus dem Alveolarraum in die Kapillaren. Aufgrund der komplexen Kontrasteigenschaften der sauerstoffverstärkten MRT lassen sich mit dieser Methode lungenphysiologische Parameter wie beispielsweise das Ventilations-Perfusionsverhältnis derzeit nicht quantitativ bestimmen, wohingegen die prinzipielle Messbarkeit dieses Parameters mit der 19F-MRT bereits demonstriert wurde [12].
Inwieweit die beschriebene SF6-MRT auch für die Beurteilung von Störungen der Lungenventilation Bedeutung erlangen kann, muss im Rahmen von Patientenstudien und durch Vergleich mit etablierten Verfahren der Lungenfunktionsanalyse (Spirometrie, Szintigraphie mit 131Xenon- oder 81m-Krypton) untersucht werden.
Zusammenfassend erscheint die beschriebene Methodik der SF6-MRT als ein interessantes neues Verfahren zur bildgestützten Ventilationsanalyse, das mit relativ geringem Aufwand realisiert werden kann und ohne Einsatz radioaktiver Substanzen oder hochpolarisierter Gase auskommt. Erstmals konnte SF6-Gas in der Lunge mittels der 19F-MRT innerhalb einer Atemanhalteperiode dargestellt werden.
Danksagung
Diese Arbeit wurde teilweise gefördert durch die Innovationsstiftung Rheinland-Pfalz.
Abb. 1Koronare 19F-MRT Aufnahmen eines mit 79 % SF6-Gas beatmeten Schweines mit Sequenz (i) (zweidimensionale FLASH-Sequenz ohne Schichtselektion). Die Messzeit betrug 9 s. Man erkennt die beiden Lungen als hyperintense, das Herz als hypointense Region zwischen den Lungen.
Abb. 2Koronare 19F-MRT Aufnahmen mit der 3D-Sequenz (Sequenz (ii)) unter identischen Bedingungen wie in Abb. [1]. Die Abgrenzung der anatomischen Strukturen ist deutlich besser als in Abb. [1]. Der große Pfeil weist auf die Trachea, die kleineren Pfeile auf die beiden Hauptbronchien.
Abb. 3Zusammenhang des SF6-Signals in der rechten (○) und linken (•) Lunge sowie im SF6-Phantom (▴) mit der endtidalen SF6-Konzentration Diese Messungen erfolgten mit der 3D-FLASH-Sequenz (Sequenz (ii)). Der Messpunkt für 45 % wurde mit veränderten Verstärkungseinstellungen gemessen. Dies führte zu einer Übersteuerung des Phantomsignals sowie zu einer Überschätzung des Signals in der Lunge. Die Regressionsgerade durch die verbleibenden drei Messpunkte zeigt einen linearen Zusammenhang zwischen der SF6-Konzentration und dem MR-Signal (R = 0,999).
