VI.  Technische und pathologische Grundlagen

Dieses Kapitel soll dem Verständnis der technischen und pathologisch-anatomischen Grundlagen der vorgestellten Studie dienen. Grundlagen sollen hier kurz beschrieben werden. Für einen genaueren Einblick in die Technik der MRT und der Echokardiogra­phie stehen ausführliche Lehrbücher zur Verfügung.

Die Magnetresonanztomographie nutzt das Dipolmoment, das durch die Eigenrota­tion, den sogenannten Spin, der Atomkerne des Wasserstoffs um eine feste Achse entsteht. Unter einem von außen auf den Spin einwirkendes starkes Magnetfeld richten sich die sonst ungeordneten Dipole entweder parallel oder antiparallel entlang des Magnetfeldes (B°) aus. Die parallele Ausrichtung ist energetisch etwas günstiger als die antiparallele und kommt entsprechend etwas häufiger vor. Bei genauerer quantenmechanischer Analyse der Spins zeigt sich allerdings, dass sie weder genau parallel noch antiparallel zum Magnetfeld stehen, sondern in einem bestimmten Winkel. Deshalb beginnen sie sich rotierend an der Richtung des Magnetfeldes auszurichten, wie ein leicht schräg rotierender Kreisel, der versucht, sich im Gravitationsfeld zu orientieren. Diese sogenannte Präzessionsbewegung hat eine charakteristische Frequenz, die Larmorfrequenz, die von der Stärke des Magnetfeldes abhängig ist und sich proportional zu ihr verhält.

Larmor Gleichung:ω = γ x B°

ω = Larmorfrequenz in MHz

γ = gyromagnetisches Verhältnis, Konstante, die für jedes Element einen typischen Wert besitzt, z.B. für Protonen ist γ = 42,48 MHz/Tesla

B° = Stärke des Magentfeldes in Tesla

Nach dieser Gleichung beträgt die Larmorfrequenz für Protonen bei 1,5 T = 63,8 MHz.

Alle kleinen Magnetfelder der Dipole können zu dem Summationsvektor „Mz“ zusammengefasst werden, der in Richtung des äußeren Magnetfeldes B° angeordnet ist.

Bei Anwendung eines Hochfrequenzimpulses mit genau dieser Präzessionsfrequenz erreicht man eine Gleichbesetzung beider Energieniveaus und damit eine Aufhebung der vorher bestandenen Magnetisierung in z-Richtung. Bei einer definierten Dauer eines Hochfrequenzimpulses schwenkt der Hauptvektor der neuen Magnetisierung vollständig in die xy-Ebene, weshalb er auch als 90° Impuls bezeichnet wird. Sämtliche Spins führen dabei zunächst eine phasensynchrone Rotation durch. Die Oszillationen des so entstandenen Magnetfeldes lassen sich mit Hilfe einer Empfangsspule ableiten und in ihrer Entwicklung verfolgen. Die eigentlichen MR-Signale sind die, deren Anfangsamplitude um so größer ist, je mehr Spins innerhalb der untersuchten Probe vorhanden sind und je größer die so erreichte Magnetisierung ist. Die Signalintensität ist daher auch gleichzeitig ein Maß für die Konzentration der entsprechenden Atomkerne in der Probe.

Die Amplitude des MR-Signals bleibt allerdings nicht konstant, sondern nimmt mit der Zeit ab, da das Kernsystem nach der Anregung wieder dem alten Gleichgewichtszu­stand zustrebt. Dieses Phänomen bezeichnet man als kernmagnetische Relaxation. Hierbei kann man zwei Entwicklungen unterscheiden:

a.1. T1: Longitudinale Relaxation

Mit der Zeit richten sich die Spins in die z-Richtung, also entlang des äußeren Magnetfeldes B°, aus. Die Projektion des Magnetisierungsvektors M auf die xy-Ebene nimmt langsam ab, und das MR-Signal wird entsprechend immer kleiner. Gleichzeitig baut sich im Gegenzug die Magnetisierung in der z-Achse wieder auf, was als longitudinale Relaxation bezeichnet wird. Diese geschieht unter Abgabe von Energie an die Umgebung. Die Zeitkonstante dieses Vorgangs wird mit T1 bezeichnet. Sie ist abhängig von der Stärke des äußeren Magnetfeldes B° und der inneren Bewegung der Moleküle. Sie liegt bei 1,5 Tesla für Körpergewebe in der Größenordnung zwischen einer halben bis zu mehreren Sekunden.

[Seite 76↓]a. 2. T2/T2*: Transversale Relaxation

Die transversale Relaxation wird durch die Wechselwirkung der angeregten Spins untereinander hervorgerufen. Die einzelnen Spins weisen nach einem Hochfre­quenzimpuls phasensynchrone Rotationen auf, d.h. sie sind „in Phase“. Nach und nach geraten sie aber „außer Phase“ und rotieren mit geringfügig verschiedenen Frequenzen. Mit der Zeit heben sich die einzelnen transversalen Vektoren auf, so dass das MR-Signal verschwindet. Es wird keine Energie nach außen abgegeben, sondern die einzelnen Spins tauschen lediglich untereinander Energie aus. Diese Spin-Spin Wechselwirkung bestimmt die T2 Relaxationszeit. Der zusätzliche Phasenzerfall durch die Einwirkung der Maschine und des Körper selbst, lässt eine weitere Inhomogenität entstehen, die mit T2* bezeichnet wird [36,67,68].

a. 3. Schnelle Bildgebung mit Gradientenechos

Zur Verkürzung langer Messzeiten, sind verschiedene Techniken entwickelt worden. Es haben sich vor allem Verfahren mit kurzer Repetitionszeit (TR) durchgesetzt. Bei der konventionellen Spin-Echo-Technik werden mit einer solchen TR-Verkürzung durch Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses qualitativ schlechtere Bilder erzeugt. Bei der Gradienten-Echo-Technik wird anstelle des 180°-Refokussierungsim­pulses sofort nach dem Anregungsimpuls der umgekehrte Auslesegradient (Gx) appliziert und so eine künstliche Dephasierung erreicht. Direkt anschießend wird ein positiver Auslesegradient angelegt, wodurch die künstliche Dephasierung wieder aufgehoben wird. Allerdings bleibt im Gegensatz zum Spin-Echo die durch Inhomoge­nitäten des äußeren Magnetfeldes induzierte Dephasierung bestehen, was zur Verzerrung des Bildes führen kann. Dies erklärt den bei der klinischen MRT betriebenen großen technischen Aufwand in der Anwendung von supraleitenden Magneten und der Feinabstimmung der Feldhomogenität vor Beginn der Messung. Dadurch können Artefakte ausreichend reduziert werden.

Zu den drei Hauptfaktoren, die die Bildgebung negativ beeinflussen können, gehören Inhomogenitäten der Felder, fehlerhafte Ortskodierung und Phasendifferenzen.

Lokale Feldinhomogenitäten treten vor allem an Grenzflächen zwischen Gewebe und gasgefüllten Räumen auf, wie z.B. in den Bronchien. Metallimplantate verursachen Auslöschungs-Artefakte. Dies tritt besonders bei der Gradienten-Echo-Technik auf. Durch den Wegfall des 180° Impulses werden solche Feldunterschiede - verursacht durch Phasenunterschiede - refokusiert.

Eine fehlerhafte Ortskodierung kann durch Bewegungen des angeregten Spins entstehen, wenn er sich durch den Gradienten bewegt. Hat ein Spin zur Zeit des Echos keine Kohärenz zu den übrigen Spins der Schicht, so entsteht dort eine Signalauslöschung. Die Bewegung des Spins kann aber auch bei erhaltener Schichtkohärenz zu einer Veränderung der Frequenz führen, wenn sie einer anderen Position als die der Schicht entspricht. Solche Bewegungen können zum Beispiel durch die Atmung entstehen und den diagnostischen Wert der Bilder teilweise einschränken.

Unter Phasendifferenz versteht man die unterschiedlichen Kreiselfrequenzen einzelner Spins. Diese treten ganz besonders an Grenzflächen zwischen Fett und Wasser auf. Auch hier macht sich wieder der fehlerhafte 180°-Impuls bemerkbar. Mit zunehmender Echozeit nimmt auch die Phasendifferenz zu. Sie kann bis 180° erreichen und zu kompletter Signalauslöschung führen. Es bestehen zwar theoretische Ansätze diese Signalauslöschung zu minimieren, sie haben aber den Nachteil, die Messzeit zu verlängern.

Messwiederholungen und Mittelwertbildung können ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis ausgleichen. Die Homogenisierung des äußeren Magnetfeldes wird durch supraleitende Magnete und Feinabstimmung vor jeder Pulssequenz erreicht [68,69].

Die derzeitige Standardmethode zum Nachweis von Herzvolumenveränderungen ist die Echokardiographie. Sie basiert auf dem Prinzip der Reflexion von Ultraschallwellen an Grenzflächen. Die Aussendung von Ultraschallwellen und die Registrierung der reflektierten Wellen gestattet die Anwendung in der kardiologischen Diagnostik.

Im M-Mode (motion-mode) wird die Entfernung von Grenzflächen (z.B. zwischen Ventrikelcavum und Epikard) zum Ultraschallkopf in der Zeit registriert. Wegen der Verwendung eines einzigen Schallelementes wird nur eine räumliche Dimension mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Diese Methode ist daher für die Auswertung von schellen Herzbewegungen, wie z.B. Klappen- oder Wandbewegungen hervorragend geeignet [70].

Die zweidimensionale Echokardiographie liefert ein Schnittbild des Herzens in zwei Ebenen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schallstrahl z.B. 30 mal pro Sekunde über ein Segment mit einem Öffnungswinkel von bis zu 90° läuft. Dieses Unter­suchungsverfahren zeichnet sich durch ein ausgezeichnetes Auflösungsvermögen aus und ermöglicht die Analyse von bewegten Strukturen während des Herzzyklus. Da die zeitliche Auflösung nicht gleich gut ist wie bei der eindimensionalen Echokardio­graphie, erscheinen die Bilder hier etwas verwaschener, dafür erhält man aber Schnittbilder [70].

Eine der wichtigsten Artefaktquellen liegt in der suboptimalen Qualität der Bildgewin­nung durch verminderte Gewebepenetration. Dies ist oft auf den körperlichen Habitus des Patienten, auf schalldichte Körperteile wie Knochen, Prothesen und Metallimp­lantate, sowie auf schallabsorbierendes Gewebe wie z.B. der Lunge zurückzuführen. Diese stark schallreflektierenden Materialien erzeugen einen sogenannten Schall­schatten, der die distal liegenden Strukturen verdeckt.

Ein weiteres Phänomen ist die Reverberation, d.h. multiple lineare Echosignale mit großer Amplitude. Ein solches Echosignal entsteht zwischen zwei stark reflektierenden Geweben, zwischen denen das Signal für kurze Zeit eingeschlossen ist. Das Signal kehrt erst nach kurzer Verzögerung wieder zum Transducer zurück. Im Bild stellt sich eine relativ parallele, irreguläre, dichte Struktur dar.

Refraktion der Ultraschallwellen können Doppelbilder entstehen lassen. Ursache ist ein proximal gelegenes Hindernis, an dem die Ultraschallwellen abgelenkt werden, wodurch ein doppeltes oder überlappendes Bild erzeugt wird. Dieses Artefakt erklärt sich durch die Ablenkung des Strahls durch ein Hindernis in der Nähe des Trans­ducers. Wird die abgelenkte Ultraschallwelle zurück in Richtung Empfänger reflektiert, entsteht ein Bild am falschen Ort, ein Doppelbild.

	Abb. 29: Schematische Darstellung der Entstehung eines Doppelbild-Artefaktes in der zweidimensionalen Echokardiographie. (LV = Linker Ventrikel) [70]

Ein mehrdeutiger Erfassungsbereich (range ambiguity) tritt dann auf, wenn ein Echosignal eines vorhergehenden Zyklus den Empfänger erst im nächsten Zyklus erreicht. Dadurch werden distal gelegene Strukturen zu weit proximal abgebildet. Dieses Artefakt lässt sich durch Veränderung der Puls-Repetitionsfrequenz oder der Tiefeneinstellung korrigieren.

Eine weitere Form der range ambiguity kann dann auftreten, wenn eine Ultraschall­welle an einem transducernahen Gebilde z.B. Rippe und zusätzlich an der zu messenden kardialen Struktur reflektiert wird. Den Empfänger erreichen dann zwei Wellen, wodurch zwei gleiche kardiale Strukturen an verschiedenen anatomischen Positionen dargestellt werden. So sieht man in manchen Bildern fälschlicherweise zwei linke Ventrikel [70] .

Auf die Pathophysiologie, Klinik und Therapie der Aortenklappeninsuffizienz /-stenose , der Mitralklappeninsuffizienz /-stenose, der Trikuspidalinsuffizienz und des Vorhofflim­merns soll hier nicht weiter eingegangen werden. Nur die seltener in der Klinik vorkommenden Krankheitsbilder werden kurz erläutert. Neuste epidemiologische Erkenntnisse über Klappenfehler können der Studie von Singh in der Framingham Studie von 1999 entnommen werden [71].

Der Ventrikelseptumdefekt gehört zu den häufigsten Herzmalformationen mit einer jährlichen Inzidenz von 75 auf 1000 Lebendgeborene. In dieser hohen Anzahl sind allerdings auch minimalste VSD mit eingeschlossen, die sich in den ersten Monaten spontan verschließen [72]. Der VSD tritt isoliert oder kombiniert mit anderen Herzfehlern auf. Das Ventrikelseptum besteht aus vier verschiedenen Teilen: das membranöse, das Inlet, das trabekuläre und das infundibuläre Septum. Angeborene Defekte entstehen entweder durch fehlende Fusion oder durch Wachstumsdefizit des embryonalen Septumanteils. Im Erwachsenenalter können Ventrikelseptumdefekte als Postinfarkt-Komplikation in ca.1-3% der Fälle in den ersten 7 Tagen nach dem [Seite 81↓]Infarktgeschehen entstehen [73]. Am häufigsten ist der membranöse Teil betroffen. Die Lokalisation des Defektes hat allerdings einen weitaus kleineren Effekt auf Hämodynamik und ventrikuläre Veränderung als die Größe des Shunts. Durch den permanenten Links-Rechts-Shunt entsteht eine pulmonaler Hochdruck und eine rechtsventrikuläre Hypertrophie. Die Diagnostik ist wichtig, da der pulmonale Hochdruck chronifizieren und irreversibel werden kann. Das Endresultat kann die Eisenmenger- Reaktion sein, bei der der Gefäßdruck des kleinen Kreislauf den des Großen übersteigt, so dass eine Flussumkehr im Ventrikelseptumdefekt stattfindet. Die Diagnose des VSD sollte möglichst früh nach der Geburt, bzw. nach einem Myokard­infarkt gestellt werde. Bei zu großem Shuntvolumen muss rechtzeitig operativ eingegriffen werden, weil sonst Lebenserwartung der Betroffenen deutlich einge­schränkt ist [74].

Der Vorhofseptumdefekt kommt als angeborener Herzfehler relative häufig vor. Die wichtigsten Formen sind der Septum Primum-, der Septum Secundum- und der Fossa ovalis-Defekt. Da es sich hier wie beim Ventrikelseptumdefekt um einen Links-Rechts-Shunt handelt, bestehen auch die gleichen Gefahren der hämodynamischen und ventrikulären Veränderungen [75,76,77].

Das Carcinoid Syndrom wird durch ein metastasierenden Carcinoid-Tumor des Gastrointestinaltraktes ausgelöst und ist charakterisiert durch Flush-artige Hauter­scheinung, Diarrhö, Bronchokonstriktion und endokardiale Plaques, die aus einer besonderen Art von fibrösem Bindegewebe besteht. Diese vasomotorischen, bronchokonstriktorischen und kardialen Manifestationen sind auf tumoröse Sekretio­nen von biogenen Aminen und verschiedenen Polypeptiden (Serotonin und atrial natriuretic peptide – ANP) zurückzuführen, wobei die genaue Ursachen bis heute unbekannt sind [78,79]. Nahezu alle Carcinoid-Patienten entwickeln Diarrhoe und eine Flush-Symptomatik, ungefähr die Hälfte der Betroffenen entwickeln eine [Seite 82↓]Endokardfibrose des rechten Herzens, die zu einer Pulmonalstenose und Tricuspi­dalinsuffizienz führen kann. Ein Viertel der Patienten mit kardialer Beteiligung wird durch pathologische Veränderungen des rechten Ventrikels klinisch auffällig.

60 bis 90% der Tumoren haben ihren Ursprung im Dünndarm und Appendix, der übrige Teil geht vom restlichen Gastrointestinaltrakt oder von den Bronchien aus [80,81], [82].