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5.  Diskussion

In dieser Arbeit wurden zwei Aspekte zur Verbesserung der MR Plaquedarstellung untersucht: 1. die Optimierung des respiratorischen Korrekturverfahrens durch unterschiedliche Lagerungspositionen und 2. die Anwendung der Spiral Technik zur Plaquedarstellung und Charakterisierung.

5.1. Erster Abschnitt: Optimierung des respiratorischen Korrekturverfahrens durch unterschiedliche Lagerungspositionen

Die bestehenden Korrekturverfahren für respiratorisch induzierte Bewegungen des Herzens leiden unter der zu geringen Korrelation der diaphragmatischen CC Bewegung und der CC Bewegung des Herzens sowie den großen individuellen Unterschieden [44,67,68,69,70]. In einer Studie von Stuber über koronare Magnetresonanzangiographie mit Navigator-Technik wird von einer besseren Bildqualität und einer geringeren Variabilität des Diaphragmas während der Atmung in Bauchlage berichtet [71]. Es lag die Vermutung nah, dass in Bauchlage die komplexe Bewegung des Herzens durch Reduktion der AP Bewegung vereinfacht wird.

Die Hypothese, dass bei eingeschränkter Bewegungsmöglichkeit des Thoraxes die endexspiratorische Lage des Diaphragmas konstanter und länger ist musste verworfen werden, denn Bauchlage oder Rückenlage mit Fixation beeinflusste die Variabilität und die Dauer der endexspiratorischen Lage nicht. Die endexspiratorische Dauer in Rückenlage (0,88 SD 0,37) [s] war vergleichbar mit Untersuchungen von Taylor (1,1 SD 1,6) [s] [70]. Im Gegensatz zu den Ergebnissen dieser Arbeit wird in der Studie von Stuber von einer stabileren endexspiratorischen Lage in Bauchlage im Vergleich zur Rückenlage berichtet [71]. Die Diskrepanz könnte auf der unterschiedlichen Auswertung der endexspiratorischen Lagen beruhen. Stuber hat die Anzahl der EEL innerhalb eines automatisch anhand von drei Atemzyklen definierten 5 mm großen Bereich (Gating-Fenster) gemessen. Die Anzahl der EEL innerhalb, oberhalb und unterhalb des Bereiches wurden in Bauch und Rückenlage verglichen. In [Seite 77↓]Bauchlage war der Anteil innerhalb des Gating-Fensters größer als in Rückenlage. Mit der Auswertungsmethode von Stuber ist es jedoch nicht möglich die Variabilität der EEL zu messen, sondern nur wie oft sich die EEL innerhalb des Gating-Fenster aufhält. Damit läßt sich keine Aussage über die Reproduzierbarkeit der Diaphragmaposition innerhalb des Gatingfensters machen. Ein Vorteil der Auswertung von Stuber ist, dass sich die Ergebnisse seiner Studie einfach auf die prospektive Navigator-Gating-Technik übertragen lassen. Da bei der prospektiven Navigator-Gating-Technik nur Bilddaten akzeptiert werden, wenn sich das Diaphragma zum Zeitpunkt der Bildakquisition innerhalb des Gating-Fenster befindet. Die Bauchlage ist, nach den Ergebnissen von Stuber, für die prospektive Navigator-Gating-Technik besser geeignet als die Rückenlage. Jedoch können die Ergebnisse der Arbeit von Stuber nicht übertragen werden auf andere auch nur leicht unterschiedliche Bewegungs-Korrekturverfahren.

Die craniocaudale Bewegung des Herzens im Verhältnis zur craniocaudalen Bewegung des Diaphragmas nahm in Rückenlage mit Fixation und Bauchlage während der Atmung signifikant ab. Die Korrelation der CC Herzbewegung zur CC Diaphragmabewegung nahm in Bauchlage mit Fixation und Bauchlage ab. Dies widerspricht der zweiten Hypothese, dass durch eine eingeschränkte Bewegungsmöglichkeit des Thoraxes während des Atemzyklus die AP Bewegung des Herzens verringert und die CC Bewegung verstärkt wird.

Die Thorax AP Bewegung in Verhältnis zur Diaphragma CC Bewegung war in Rückenlage mit Fixation und in Bauchlage signifikant geringer. Im Gegensatz dazu wurden keine lagerungsabhängigen Unterschiede der Herz Bewegung in AP Richtung im Verhältnis zur Diaphragmabewegung in CC Richtung, sowie der Herzbewegung in AP Richtung im Verhältnis zur Herzbewegung in CC Richtung beobachtet. Dies verdeutlicht, dass man die Thorax AP Bewegung nicht mit der Herz AP Bewegung gleichsetzen kann.

Ziel der Navigator-Technik ist die Reduktion von Bewegungsartefakten durch Korrektur der Bewegungen. Je genauer die Bewegung bekannt ist, desto genauer kann sie korrigiert werden. Das Problem der angewandten Navigator-Technik ist, dass nur eindimensionale Bewegungen erfasst werden, die [Seite 78↓]Herzbewegung während der Atmung jedoch hochkomplex und mehrdimensional ist.

Dies wird auch durch die geringe Korrelation bei relativ geringerer CC Herzbewegung im Verhältnis zur CC Diaphragmabewegung verdeutlicht.

Navigatoren erfassen Positionen, die innerhalb der Navigatorsäule liegen. Die Positionsinformationen, die man aus den Navigatordaten erhält, sind nicht einer bestimmten Struktur zugeordnet (z.B. linker Ventrikel), sonder bestehen aus den Strukturen, die sich momentan in der Navigatorsäule befinden. Verlagert sich die Struktur aus dem Bereich des Navigators heraus, werden die Ergebnisse über die Position der Struktur, die man eigentlich messen will, verfälscht. Verkompliziert wird die Positionsbestimmung, wenn außerdem gleichzeitig rotatorische und deformatorische [72] Komponenten der Bewegung hinzukommen. Zur Veranschaulichung: der Navigator wird in AP Ausrichtung in die Hinterwand des linken Ventrikels platziert. Wenn sich das Herz während der Atmung caudal bewegt und zusätzlich eine Kippbewegung macht [68] erfasst der Navigator nicht mehr die AP Bewegung des Ventrikels sondern die AP Bewegungen des Vorhofs.

Ein weiteres Problem der Navigatoren ist, dass man mit einem Navigator Information über Bewegungen innerhalb einer Achse erhält, z.B. von anterior nach posterior, für eine dreidimensionale Bewegungsinformation braucht man also drei Navigatoren. Es ist technisch nicht möglich drei Navigatoren durch die gleiche Struktur zu legen, da sich die Navigatoren gegenseitig beeinflussen würden. Um trotzdem dreidimensionale Bewegungen erfassen zu können, müssen die Navigatoren durch unterschiedliche Punkte des Herzens gelegt werden. Damit ist die Aussagekraft über dreidimensionale Bewegung des Herzens limitiert. Man erhält nicht die Information über die dreidimensionale Bewegung eines Punktes, sonder über die eindimensionale Bewegung drei verschiedener Punkte im Herz. Obwohl die immer noch nicht optimal ist, ist die Information über die Bewegung der drei Herzpunkte jedoch viel genauer als die Information über die craniocaudale Bewegung des Diaphragmas, die momentan zur Bewegungskorrektur verwendet wird.


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Ein praktisches Problem der Navigator-Technik mit drei Navigatoren ist die Platzierung des Navigators innerhalb des Herzens. Für eine gute Grenzflächenerkennung wird ein hoher Signalunterschied zwischen zwei Strukturen und eine möglichst ebene Fläche benötigt. Der Durchmesser des Navigators kann nicht beliebig klein gemacht werden, um die Platzierung zu vereinfachen, da sonst zu wenig Signal erzeugt wird. In einer Studie von Stuber bei der die Position des Navigators im rechten Hemidiaphragma in CC Richtung mit der Position im linken Ventrikel verglichen wurde [47], kam es zu keinem signifikanten Unterschied in der Bildqualität. Wegen der leichteren Positionierung schlug auch Stuber vor den Navigator weiterhin in das rechte Hemidiaphragma zu legen.

Die großen interindividuellen Unterschiede zwischen der Herzbewegung und der Diaphragmabewegung verdeutlichen die Notwendigkeit für neue individuelle dreidimensionale Bewegungskorrekturverfahren [67,73].

Mit drei im Herz positionierten Navigatoren könnte die dreidimensionale Bewegung des Herzens bestimmt und korrigiert werden, bevor die eigentliche Datenakquisition erfolgt. Mit den derzeitigen Navigatoren währe dieser Ansatz jedoch durch die schwierige Kantenerkennung limitiert [47]. Ein weiterer Nachteil würde die verlängerte Messdauer sein, bedingt durch die Korrektur in drei Ebenen. Genauere Bewegungsinformationen könnten dazu genutzt werden, exaktere Korrekturalgorihtmen zu erstellen. Mit exakteren Korrekturalgorithmen könnte man das Gating-Fenster vergrößern, was die Scanzeit wieder reduzieren würde.

Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit ist die normale Rückenlage, der Rückenlage mit Fixation und der Bauchlage wegen der höheren Korrelation der CC Bewegung des Herzens mit der CC Bewegung des Diaphragmas für die Plaquedarstellung zu bevorzugen. Die besseren Ergebnisse von Stuber [71] in Bauchlage sind eher durch das höhere Signal verursacht und durch die geringere Distanz zu den vorderen Spulenelementen, als durch eine veränderte Herzbewegung während der Atmung.


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5.2.  Zweiter Abschnitt: Anwendung der Spiral Technik zur Plaquedarstellung und Charakterisierung

Plaques konnten mit ähnlichen Sequenzen wie in der Literatur verwendet (Kapitel 1.3.2.2) in den Karotiden dargestellt und differenziert werden [14,24,27,28,29]. Die Spiral-Technik konnte alle Plaques in den Karotiden darstellen und zeichnete sich durch eine signifikant höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Kontrast-Rausch-Verhältnis (CNR) im Vergleich zur Protonen-Wichtung aus. Die Wichtung, die mit der Spiral-Technik erzeugt wird ist der Protonen-Wichtung ähnlich, deswegen ist der Vergleich des SNR und CNR zwischen der Protonen-Wichtung und der Spiral-Technik am sinnvollsten.

Ein höheres Signal zu Rauschverhältnis und ein höheres Kontrast zu Rauschverhältnis in der Plaquedarstellung der Karotiden können nur Anhaltspunkt für eine bessere Bildqualität in Spiral-Technik sein. Es können jedoch bei gleicher Auflösung und Schichtebendicke Strukturen in Sequenzen mit einem höheren Kontrast zu Rauschverhältnis besser von der Umgebung abgegrenzt werden, als in Sequenzen mit einem niedrigerem Kontrast zu Rauschverhältnis. Die Vorteile der Spiral-Technik für die Bildqualität der Plaquedarstellung werden in den Koronarien deutlicher. Dort war die Plaquedarstellung nur in Spiral-Technik möglich, dabei wurde eine räumliche Auflösung der Schichtebene von 0,273 0,273 mm² und einer Schichtdicke von 2 mm nach Rekonstruktion erreicht. Eine Darstellung der Plaques in den Koronarien war in T1- und T2-Wichtung, sowie in der "Time of Flight"-Technik nicht möglich. Gründe dafür sind: 1.) die Bewegung der Koronarien, 2.) das geringere SNR und CNR der Sequenzen und 3.) die tiefere Lage der Koronarien im Vergleich zu den Karotiden. Aufgrund der tieferen Lage mussten Spulen mit größeren Durchmessern verwendet werden. Spulen mit größeren Durchmessern haben zwar eine tiefere Eindringtiefe, aber empfangen ein geringeres Signal. Ein weiterer Punkt warum die Plaquedarstellung nur in Spiral-Technik möglich war, ist das kleinere Volumen der Koronarie, welches weniger Signal erzeugt als das größere Volumen der Karotiden. Der Durchmesser der Koronarien ist ca. halb so groß wie der Durchmesser der Arteria carotis communis.


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Die Auflösung wurde so hoch gewählt, um Verfälschungen der Bilder durch Teilvolumeneffekte zu vermeiden. Schär [4] zeigt an einem statischem Modell, dass mindestens eine Auflösung der Schichtebene von 0,5 0,5 mm² bei einer Schichtdicke von 4 mm erreicht werden muss damit die Fehler der Lumenmessung < 10% und der Arterienwanddicke < 20% sind. Auflösungen der Schichtebene von mindestens 0,333 0,333 mm² bei einer Schichtdicke von 4 mm sind notwendig um Plaquebestandteile in den Koronarien an einem statischem Modell unterscheiden zu können [4].

Von einem höheren Signal zu Rauschverhältnis und Kontrast zu Rauschverhältnis der Spiral-Technik im Vergleich zu einer Gradienten-Echo-Puls-Sequenz wird auch in Arbeiten von Taylor [51] und Bornert [50] berichtet. Plaquedarstellung in den Koronarien mit Spin-Echo-Pulssequenzen und einem Schwarz-Blut-Vorpuls wurden von Fayad [48] und Botnar [64] gemacht durch den Einsatz der Spiral-Technik in Kombination mit einem Schwarz-Blut-Vorpuls konnten noch höhere Auflösungen erreicht werden [49,74]. Die erreichten Auflösungen waren jedoch bei allen Arbeiten unter der geforderten Auflösung zur Plaquedifferenzierung von Schär (Tabelle 17) [4]. Aufgrund der unterschiedlichen Akquisitionstechniken (T2-Wichtung und Spiral-Technik) können die Voxelgrößen in ihrer Fähigkeit zwischen zwei Plaquebestandteilen zu Unterscheiden nicht direkt verglichen werden. Die erreichte Auflösung in dieser Arbeit kommt der geforderten Auflösung jedoch am nächsten.


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Tabelle 15: Räumliche Auflösungen in Arbeiten über Plaquedarstellung in den Koronarien

Autor

Auflösung der Bildebene

Schicht-dicke

Voxel

volumen

Bewegungs-

korrekturverfahren

Akquisitions-

technik

Eigene Arbeit

0,273 mal 0,273 mm²

2 mm

0,149 mm³

Navigator-Technik, Gatingfenster

5 mm

Spiral-Technik

Schär
[4]

0,167 mal 0,167 mm² *

4 mm

0,111 mm³

Navigator-Technik, Gatingfenster

5 mm

Multi-Spin-Echo-Sequenz, T2-gewichtet;

Botnar
[64]

0,455 mal 1.020 mm²

5 mm

2,320 mm³

Navigator-Technik, Gatingfenster

5 mm

Multi-Spin-Echo-Sequenz, T2-gewichtet

Fayad
[48]

0,849 mal 0,755 mm²

5 mm

3,205 mm³

Atemstopp

Multi-Spin-Echo-Sequenz,

T2-gewichtet

Botnar
[49]

0,781 mal 0,781 mm²

1 mm

0,610 mm³

Navigator-Technik, Gatingfenster

5 mm

Spiral-Technik

Kim
[74]

0,781 mal 0,781 mm²

1 mm

0,610 mm³

Navigator-Technik, Gatingfenster

5 mm

Spiral-Technik

* an einem Modell gemessen

Bei einem Vergleich der Arterienwand von Patienten mit koronarer Herzkrankheit mit gesunden Probanden war die Arterienwand bei Patienten mit Koronarer Herzkrankheit im Vergleich zu gesunden Probanden signifikant verbreitert [48,64,74].

Vor einer breiteren klinischen Anwendung der Technik müssen jedoch noch einige Probleme gelöst werden. So wird mit der hier vorgestellten Spiraltechnik nur ein Bereich von 4 cm der Koronarien auf einmal dargestellt , so dass mehrere Messungen nötig sind, um die Koronararterien im gesamten Verlauf darzustellen. Dies führt zu langen Gesamtuntersuchungsdauern. Für eine optimale Darstellung muss der Patient im Sinusrhythmus sein, da für die [Seite 83↓]Bewegungskorrektur die R-Zacke als Orientierungspunkt innerhalb des Herzzyklus verwendet wird und so bei Arrhythmien Bewegungsartefakte auftreten.

Der Kontrast, der mit der Spiral-Technik erzeugt wird, ist ähnlich dem Kontrast der Protonen-Wichtung. Beide Techniken haben kurze Echozeiten und lange Repetitionszeiten. Für den Einsatz der Spiral-Technik in der Plaquecharakterisierung müssen in weiteren Studien die Signalintensitäten der Plaquebestandteile anhand von histologischen Präparaten, z.B. vor Endarteriektomie oder Herztransplantationen, ausgewertet werden. Eine Beurteilung der Plaquezusammensetzung allein mit Spiral-Technik ist ebenso wie eine Beurteilung allein in T1-, T2-, Protonen-Wichtung oder "Time of Flight"-Technik nicht möglich. Es bedarf nach wie vor der Kombination verschiedener Techniken für die Plaquecharakterisierung, wobei in zukünftigen Studien die optimale Kombination anhand von histologischen Präparaten zu klären ist. Morphologische Veränderungen der Koronararterien, wie positives oder negatives Remodeling, können aber allein mit der Spiralsequenz sehr gut beurteilt werden.

Mit Schichten längs der Koronarie [74], [49]können größere Bereiche auf einmal abgebildet werden. Die klinische Beurteilung von längs dargestellten Koronarien ist aber schwerer, da es keine vergleichbaren Präparate aus der Pathologie gibt. Weitere Verbesserungen in der Plaquedarstellung können durch noch höhere Auflösungen und verbesserte Bewegungskorrektur erreicht werden. Höhere Auflösungen würden den partiellen Volumeneffekt verkleinern und so die Aussagekraft weiter verbessern. Dieses Ziel kann z.B. durch höhere Feldstärken [75] oder intravaskuläre Spulen [76,77] erreicht werden.

Das Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die angestrebte Auflösung zur Plaquedarstellung, bei einem ausreichenden Signal, in Spiral-Technik mit prospektiver Navigator-Technik möglich ist.


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