Material und Methoden

Allgemeiner Ablauf

Die Doktorarbeit setzt sich aus zwei Abschnitten zusammen. Im ersten Abschnitt wurde die Herzbewegung während der Atmung in verschiedenen Lagerungsarten mithilfe der Navigatortechnik gemessen. Der zweite Abschnitt bestand aus der Darstellung atherosklerotischer Plaques in den Karotiden und den Koronararterien.

Erster Abschnitt: Bewegungsmessung mit der Navigatortechnik Probanden

Die Studienpopulation bestand aus 13 gesunden Probanden (3 Frauen; 10 Männer; Durchschnittsalter 24 ± 2 Jahre) ohne Kontraindikation für eine MRT-Untersuchung. Jeder Proband wurde mündlich aufgeklärt und gab eine schriftliche Einverständniserklärung ab.

Magnetresonanztomographie

Navigatoren

Die Navigatoren (Kapitel 1.3.1.4) bestanden aus zylindrischen 2D-Spiral-Anregungen mit vier Gradientenzyklen, einem Durchmesser von 30 mm und einem Anregungswinkel von 60°. Die Anregung erfolgte entlang der langen Achse, flusskompensiert mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm (TE 3 ms, FOV 256 mm, read out vector 256).

Positionierung und Fixierung

Die Probanden wurden in drei verschiedenen Lagerungsarten untersucht: in üblicher Rückenlage, in Rückenlage mit eingeschränkter Throrakalatmung und in Bauchlage. Zur Unterdrückung der Thorakalatmung wurde ein 20 cm breiter Gurt direkt unterhalb der Axilla positioniert.

Planung der Messung

Zunächst wurde eine Gradientenenecho-Sequenz-Übersichtsaufnahme angefertigt, um die Position von Herz und Diaphragma zu bestimmen und die Lage der Navigatoren zu definieren. Ein Navigator (Nav-Diaphragma) wurde in die rechte Diaphragmakuppel platziert, um die craniocaudale (CC) Bewegung des Diaphragmas zu erfassen (Abbildung 10(a)). Ein zweiter Navigator (Nav-Thorax-AP) wurde in die rechte Thoraxwand in Höhe des dritten Interkostalraums gelegt, um die anteriorposteriore (AP) Bewegung des Thoraxes zu messen (Abbildung 10(b)). Der dritte Navigator (Nav-Herz-CC) wurde in craniocaudaler Ausrichtung auf dem linken Herzohr (Auricula sinister) platziert, um die Bewegung des Herzens in CC Richtung zu erfassen (Abbildung 10(c)). Der vierte Navigator (Nav-Herz-AP) wurde in AP Richtung in die hintere Wand des linken Ventrikels positioniert, um die AP Bewegung des Herzens zu bestimmen (Abbildung 10(d)). Die zur Verfügung stehende Software erlaubt es nur drei Navigatoren innerhalb einer Sequenz zu messen. Deshalb wurde die erste durchgeführte Messserie mit den Navigatoren Nav-Diaphragma, Nav-Herz-CC und Nav-Thorax-AP durchgeführt. Bei der zweiten Messserie wurde Nav-Thorax gegen Nav-Herz-AP ausgetauscht. Die Positionen von Herz, Thorax und Diaphragma wurden mithilfe der Navigatoren alle 0,1 s bestimmt (Abbildung 9 und 11). Alle Messungen wurden dreimal wiederholt. Die Datenakquisition wurde pro Messung über vier Minuten durchgeführt. Den Probanden wurden keine Atemkommandos gegeben. Die Reihenfolge der Messungen wurde randomisiert.

Abbildung 16: Position der Navigatoren Navigator-Diaphragma (a), Navigator-Thorax-AP (b), Navigator-Herz-CC (c), Navigator-Herz-AP (d)

Abbildung 17: Ausschnitt einer Navigatormessung Positionen des Diaphragmas (schwarz), Positionen des Herzens in AP Richtung (grün), Positionen des Herzens in CC Richtung (rot). Die Oszillationen in AP und CC Richtung des Herzens sind durch Herzkontraktionen verursacht.

Analyse

Die originalen Navigator-Daten (Abbildung 11) wurden aus dem Konsolencomputer exportiert und zur Weiterverarbeitung in SPSS Version 10 (SPSS Incorporation), Excel 97 (Microsoft Corporation) und Sigma Plot 2001 (SPSS Incorporation) konvertiert. Anhand der exportierten Navigatordaten wurden die Positionen der Grenzflächen von Diaphragma, Herz und Thorax ermittelt. Die Navigatordaten, die im weiteren Verlauf miteinander korreliert wurden, wurden innerhalb einer Sequenz erfasst.

Die endexspiratorische Lage (EEL) und die endexspiratorische Dauer (EED) wurden durch Histogramme ermittelt. Von jedem Atemzyklus von allen Messungen wurde ein Histogramm der Position des Diaphragmas erstellt. Die Länge der Atemzyklen wurde visuell anhand der Diaphragmaposition des Navigatorsignals bestimmt. Das Histogramm wurde in 1,5 mm große Intervalle aufgeteilt (Abbildung 12). Die Position mit der höchsten Anzahl wurde als endexspiratorische Lage definiert. Die Standardabweichung aller EEL einer Messung (vier Minuten) wurde als Vergleichsparameter verwendet um zu beurteilen, wie stabil und genau der Proband in die EEL zurückkehrt. Die Standardabweichungen, also die Stabilität der EEL, der drei verschiedenen Lagerungsarten wurden darauf hin auf Unterschiedlichkeit geprüft.

Die endexspiratorische Dauer (EED) des einzelnen Atemzugs entspricht der Anzahl der Messpunkte im Intervall der EEL, also einer Abweichung von weniger als 1,5mm. Die Lage des Diaphragmas wurde alle 0,1 s durch die Navigatorendaten ermittelt; z.B. ist die EED eine Sekunde bei 10 Messpunkten innerhalb des Intervalls der EEL. In den drei verschiedenen Lagerungsarten wurden die Mittelwerte der EED der einzelnen Atemzyklen verglichen, die während einer Messung von vier Minuten erfasst wurden.

Abbildung 18: Darstellung der endexspiratorischen Lage und der endexspiratorischen Dauer für drei Atemzyklen Beispielhafte Darstellung der diaphragmatischen Position während drei Atemzyklen eines Probanden in Rückenlage. Der erste Atemzyklus beginnt bei 1,2 s, der Zweite bei 3,5 s und der Dritte bei 5,5 s. Abbildung (b-d) zeigt das Histogramm der diaphragmatischen Positionen der drei Atemzyklen. Die Position mit den meisten Navigatormessungen wurde als EEP definiert. 1 Navigatormessung entspricht einer Dauer von 0,1 s. In Abbildung b) ist die EEP 1 mm und die EED 1 s.

Die Navigatorechosignale von Nav-Diaphragma, Nav-Thorax-AP, Nav-Herz-CC und Nav-Herz-AP wurden gegeneinander aufgetragen um die Steigung als Maß der relativen Bewegung zu bestimmen (Abbildung 20). Mithilfe des Bestimmtheitsmaßes (r²) wurde ermittelt, wie genau sich die Position einer Struktur (z.B. des Herzens) anhand der Position einer Referenzstruktur (z.B. des Diaphragmas) vorhersagen lässt.

Statistik

Die Steigungen und r²-Werte der relativen Bewegungen, die Standardabweichungen der EEL und der Mittelwert der EED wurden mit der ANOVA-Typ Statistik nach Brunner für nichtprarametrische longitudinale Daten analysiert [66]. Als statistisch signifikant wurde ein P-Wert < 0,05 angenommen. Alle statistischen Tests wurden zweiseitig durchgeführt.

Zweiter Abschnitt: Plaquedarstellung in den Karotiden und den Koronarien Patienten und Probanden

15 Patienten wurden an den Karotiden (7 Frauen; 8 Männer; 63 ± 7 Jahre) und 8 an den Koronararterien (4 Frauen; 4 Männer; 64 ± 5 Jahre) untersucht. Einschlusskriterium für die Plaquedarstellung der Karotiden war eine Stenose > 50% und Sinusrhythmus. Einschlusskriterium für die Plaquedarstellung in den Koronararterien war eine koronare Herzkrankheit und Sinusrhythmus.

Magnetresonanztomographie

Die Untersuchung wurde mit einem 1,5 Tesla Ganzkörpertomographen (Gyroscan ACS-NT Release 8.1.3 Philips Medical Systems, Best, Niederlande) mit einem Gradientensystem von 23 mT/m und 150 mT/m/s durchgeführt. Eine kommerzielle Oberflächenspule aus zwei Elementen (Flex-M Spule) wurde zur Untersuchung der Karotiden verwendet. Eine kommerzielle "phased array" Spule ("cardiac synergy receiver coil") aus fünf Elementen wurde zur Untersuchung der Koronarien verwendet.

Planung der Plaquedarstellung in Karotiden

Alle Messungen erfolgten in Rückenlage. Zuerst wurde eine schnelle Übersichtsaufnahme mit einer Gradienten-Echo-Sequenz akquiriert, um die Karotiden zu lokalisieren (Tabelle 6 Survey). Anschließend wurden zwei Phasenkontrast-Angiographien in koronarer und transversaler Schichtebene akquiriert, um die Bifurkation der Arteria carotis communis darzustellen (Abbildung 13; Tabelle 6 Phasenkontrast Angio Survey transversal und koronal). Die exakte Position der atherosklerotischen Plaques wurde durch eine hochaufgelöste "Time of Flight"-Angiographie Sequenz bestimmt (Abbildung 14; Tabelle 6 "Time of Flight" Angio Survey)

Survey

Phasen-kontrast Angio Survey transversal

Phasen-kontrast Angio Survey Koronal

"Time of Flight" Angio Survey

Pulssequenz

FFE (Fast Field Echo) 2D

FFE (Fast Field Echo) 2D

FFE (Fast Field Echo) 2D

FFE / TFE 3D

Repetitionszeit (TR) [ms]

2,6 shortest

20

20

7,1 (shortest)

Echo Zeit (TE) [ms]

1,31 shortest

5,7 (shortest)

5,7 (shortest)

3,5 (shortest)

Rekonstruierte Schicht Dicke [mm]

9

5

5

0,7

Akquisitions-zeit [s]

77

41

41

58

Matrix

192

256

256

192

Field of View (FOV) [cm]

490

300

300

180

Rekonstruierte Voxelgröße [mm]

1,91 / 1,93 / 9,00

1,17 / 1,17 5

1,17 / 1,17 5

0, 7 / 0,69 / 0,7

Gating

ja

kein

kein

kein

Tabelle 4: Parameter der Sequenzen zur Planung der Plaquedarstellung der Karotiden

Abbildung 19: Phasenkontrast-Angiographie Transversale a) und koronale b) Phasenkontrast-Angiographie

Abbildung 20: "Time of Flight"-Angiographie Rekonstruierte koronale a) und transversale b) "Time of Flight"-Angiographie mit komplettem Verschluss der rechten Arteria carotis externa (gelber Pfeil). Der rote Pfeil kennzeichnet die linke Arteria carotis interna.

Plaquedarstellung in den Karotiden

Die Sequenzen zur Plaquedifferenzierung wurden anhand der Bilder der Phasenkontrast-Angiographie (Abbildung 13) und der "Time of Flight"-Angiographie (Abbildung 14) geplant. Es wurden transversale Schichten quer zum Verlauf der Bifurkation der Arteria carotis communis akquiriert. Zur Plaquedifferenzierung wurden Sequenzen in T1-Wichtung, T2-Wichtung, und Protonen-Wichtung eingesetzt, sowie eine "Time-of-Flight"-Angiographie und eine Spiral-Sequenz (Tabelle 7, 8). Alle Sequenzen waren EKG-getriggert, um die Pulsationen der Arterienwand zu minimieren. Die Reihenfolge der Sequenzen wurde randomisiert, um eine systematische Beeinflussung der Bildqualität durch Bewegungsartefakte des Patienten zu verhindern.

T1- Wichtung

"Time-of-Flight"-Angiographie

Protonen-Wichtung

Aufnahmetechnik

3D Turbo-Spin-Echo-Sequenz

3D Gradienten-Echo-Sequenz

3D Turbo-Spin-Echo-Sequenz

TR [ms]

1 Herzschlag

22

2 Herzschläge

TE [ms]

16,5

3,8

24

Rekonstruierte Schichtdicke [mm]

1,3

1,3

1,7

Akquisitionszeit [s]

246

153

325

Matrix

288

288

288

Rekonstruierte Matrix

512

512

512

Field of View (FOV) [cm]

140

140

140

Rekonstruierte Voxelgröße [mm]

0,27 / 0,27 / 1,3

0,49 / 0,49 / 2,6

0, 27 / 0,27 / 1,3

Besonderheiten

TSE Faktor 7

TFE Faktor 10

TSE Faktor: 11

Tabelle 5: Parameter der Sequenzen zur Plaquedifferenzierung in den Karotiden und Koronarien I

Die Sequenzen zur Plaquedarstellung in den Karotiden wurden auf die Kronarie übertragen. Zusätzlich wurde zur respiratorischen Bewegungskorrektur ein prospektiver Navigator mit einem Gatingfenster von 5 mm eingesetzt.
Protonen-Wichtung

T2- Wichtung

Schwarz-Blut-Spiral

Pulssequenz

3D Turbo-Spin-Echo-Sequenz

3D Turbo-Spin-Echo-Sequenz

3D Turbo-Spin-Echo-Sequenz in Spiraltechnik

TR

2 Herzschläge

2 Herzschläge

35

TE

24

60

Shortest

Rekonstruierte Schichtdicke [mm]

1,3

1,3

2

Akquisitionszeit [s]

325

182

319

Matrix

288

288

512

Field of View (FOV) [cm]

140

140

280

Rekonstruierte Voxelgröße [mm]

0,27 / 0,27 / 1,3

0,27 / 0,27 / 1,3

0,245 / 0,245 /2

Besonderheiten

TSE Faktor 11

TSE Faktor 25

Spiral interleaves: 53, Akquisition Window: 24 ms TFE Faktor: 1

Tabelle 6: Parameter der Sequenzen zur Plaquedifferenzierung in den Karotiden und den Koronarien II

Planung der Plaquedarstellung in den Koronararterien

Zu Beginn der Untersuchung wurde eine Gradienten-Echo-Sequenz als Übersichtsaufnahme akquiriert (Tabelle 8 Survey Koronar). Es folgte eine Zweikammer-Cine-Aufnahme des Herzens (Abbildung 15; Tabelle 8 Cine Kammerblick). Ziel dieser Sequenz war die Bestimmung des Trigger-Delays für die anschließenden hochaufgelösten Scans (Kapitel 1.3.1.1 Prospektives Triggering). Mit einer Gradienten-Echo-Sequenz in transversaler Orientierung wurde der Verlauf der Koronarien dargestellt. Anhand dieser Bilder wurde mithilfe des "Drei-Punkt-Planscan-Tools" (Kapitel 1.3.3) ein hochaufgelöster Scan längs der Koronararterie geplant (Abbildung 16; Tabelle 8 Scout Koronararterie längs).

Survey Koronar

Cine Kammerblick

Scout B-TFE

Scout Koronararterie längs

Pulssequenz

2D Gradienten-Echo-Sequenz

2D Gradienten-Echo-Sequenz

3D Gradienten-Echo-Sequenz

3D Gradienten-Echo-Sequenz

TR

2,6

2,3

3,3

5.3

TE

1,3

1,2

1,28

2,7

Rekonstruierte Schichtdicke [mm]

9

8,0

2,5

1,6

Akquisitionszeit [s]

14

9

113

171

Matrix

192

128

256

352

Field of View (FOV) [cm]

490

390

340

360

Rekonstruierte Voxelgröße [mm]

1,91 / 1,91 / 9,00

1,52 / 1,52 / 8,0

1,33 / 1,33 / 2,50

0,7 / 0,7 / 1,6

Gating

nein

nein

nein

5mm

Besonderheiten

keine

keine

TFE Faktor 22 Trigger-delay user defined

TFE Faktore 28 Trigger-delay user defined

Tabelle 7: Parameter der Sequenzen zur Planung der Plaquedifferenzierung der Koronararterien

Abbildung 21: Zweikammer-Cine-Sequenz und Gradienten-Echo-Sequenz der rechten Koronarie Die gelben Pfeile kennzeichnen die rechte Koronarie in der Zweikammer-Cine-Sequenz a) und in der Gradienten-Echo-Sequenz b).

Abbildung 22: Längsdarstellung der rechten Koronarie Die gelben Pfeile kennzeichnen in Abbildung a) proximale, in Abbildung b) mittlere Segmente der Arteria coronaria dexter. Die gestrichelte Linie in Abbildung a) kennzeichnet die Ebene in der die Plaquedarstellung erfolgte.

Plaquedarstellung in den Koronararterien

Die Plaquedarstellung in den Koronararterien erfolgte in T1-, T2-, Protonen-Wichtung, "Time of Flight"- und Spiral-Technik orthogonal zur Koronararterie (Tabelle 7, 8). Alle Sequenzen waren EKG-getriggert. Die atemabhängigen Herzbewegungen wurden durch prospektive Navigator-Gating-Technik korrigiert (Kapitel 1.3.1.4.2.2) wobei der Navigator in das rechte Hemidiaphragma gelegt wurde und ein Gatingfenster von 5 mm gewählt wurde. Der Korrekturfaktor der craniocaudalen Bewegung des Herzens im Verhältnis zu der craniocaudalen Bewegung des Diaphragmas betrug 0,6.

Analyse

Das Signal zu Rauschverhältnis (SNR) und Kontrast zu Rauschverhältnis (CNR) wurde an einer Arbeitskonsole (Easy Vision 5.1 Philips Medical Systems, Best, Niederlande) gemessen. Das SNR wurde mit der Formel

SNR=Sa / SD

und das CNR mit der Formel

CNR=Sa / Sb

berechnet.

Sa = Signalintensität der Arterienwand der Arteria carotis communis. Sb = Signalintensität des Blutes. SD = Standardabweichung der Signalintensitäten der Luft (diese entspricht dem Rauschen).

Die Signalintensitäten der Arterienwand wurden in nicht atherosklerotischen Abschnitten der Gefäßwand gemessen, um eine Beeinflussung durch die Signalvariabilität der unterschiedlichen Plaquebestandteile zu vermeiden (Kapitel 1.2.5). Pro Patient und Abbildungstechnik wurden aus vier Signalmessungen pro Schicht in drei angrenzenden Schichten 12 Signalintensitäten gemessen und ein durchschnittliches SNR und CNR berechnet. Um das SNR und CNR der vier Abbildungstechniken vergleichen zu können, wurden die Parameter Voxelgröße, Anzahl der Anregungen und empfangene Bandbreite mit der Formel:

relative Signalintensität =

korrigiert (Tabelle 9). Voxel = Voxelvolumen [mm³] . NSA = Anzahl der Anregungen. Bandbreite = Bandbreite [KHz].

Voxelvolumen [mm³]

Bandbreite [KHz]

Anzahl der Anregungen

relative Signalintensität

PD-Wichtung

0,65

350

2

1

T1-Wichtung

0,65

413

2

0,9205

T2- Wichtung

0,65

321

2

1,0441

Spiral-Technik

1

42

1

3,1403

Tabelle 8: Relative Signalintensitäten

Die relative Signalintensität der Protonen-Wichtung wurde auf eins normiert. Das Signal der T1-Wichtung wurde durch 0,9205 dividiert. Das Signal der T2-Wichtung wurde durch 1,0441 dividiert. Das Signal der Spiral-Technik wurde durch 3,140 dividiert.

Statistik

Die Daten wurden mit dem Wilcoxon-Test analysiert. Als statistisch signifikant wurde ein P-Wert < 0,05 angenommen. Alle statistischen Tests wurden zweiseitig durchgeführt.