Ein Auswerteprogramm zur quantitativen Analyse von Messungen des alveolären Sauerstoffpartialdrucks (p_AO₂) mit der sauerstoffsensitiven ³He-MR-Tomographie

Zusammenfassung

Ziel: Entwicklung eines Auswerteprogramms zur quantitativen Analyse des alveolären Sauerstoffpartialdrucks (p_AO₂) sowie dessen zeitlicher Veränderung während einer Apnoephase. Methoden: Die sauerstoffsensitive ³He-MRT erlaubt - basierend auf der Verkürzung der T₁-Relaxationszeit des hochpolarisierten ³He beim Kontakt mit paramagnetischem Sauerstoff - die Messung der Sauerstoffkonzentration in der Lunge. Es wurde ein Auswerteprogramm entwickelt, welches die Berechnung des p_AO₂ sowie dessen Änderungsrate in benutzerdefinierten Regionen ermöglicht. Zudem können auch Parameterkarten erstellt werden. Neben der Analyse 2-dimensionaler Messungen ist mit dem Programm auch erstmals die Auswertung 3-dimensionaler Datensätze möglich. Um Bewegungsartefakte zu verringern, wurde ein Algorithmus zur Korrektur der Lungenbewegung implementiert. Ergebnisse: Das Programm wurde erfolgreich auf Datensätze von lungengesunden Probanden sowie Patienten mit verschiedenen Lungenerkrankungen angewandt. Dabei zeigten die Parameterkarten der Probanden im Vergleich zu den Patienten homogenere Verteilungen des p_AO₂. Zudem zeigten sich bei einigen Patienten Regionen mit erhöhtem p_AO₂. Schlussfolgerungen: Das vorgestellte Auswerteprogramm erlaubt die Absolutquantifizierung des p_AO₂ sowie dessen zeitlicher Änderung in der Lunge. Es könnte somit in Zukunft zur Beurteilung von Störungen der Lungenventilation und -perfusion eingesetzt werden.

Abstract

Purpose: To develop a software tool for quantitative analysis of alveolar oxygen partial pressure (p_AO₂) as well as its time course during apnea. Material and Methods: T₁-relaxation times of hyperpolarized ³He are reduced by paramagnetic oxygen rendering ³He-MRI sensitive to oxygen and thus allowing the assessment of the local oxygen partial pressure in the pulmonary airspaces. Oxygen-related relaxation and loss of polarization by RF-excitation can be discriminated by acquiring two image series with varying interscan delay and/or flip angles. Software was developed to calculate the p_AO₂ and the decay rate in user-defined regions of interest (ROIs) automatically. Moreover, parameter maps can be calculated. In addition to the analysis of 2-dimensional data sets, the software allows the evaluation of 3-dimensional measurements for the first time. Artifacts due to lung motion were reduced by implementing a motion correction algorithm. Results: The software was successfully applied to data sets from healthy volunteers and from patients with various lung diseases. The parameter maps demonstrated a more homogeneous distribution of p_AO₂ for the volunteers than for the patients. A regional increase in p_AO₂ was found in a few patients. Conclusion: The described software allows the absolute quantification of p_AO₂ as well as its variation over time. In the future, therefore, the software may gain importance for detecting mismatches between ventilation and perfusion, e. g., in patients with pulmonary embolism or chronic obstructive lung diseases.

Key words

Lung - oxygen partial pressure - hyperpolarized gas - helium-3 - magnetic resonance imaging - quantification

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