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Zusammenfassung und Ausblick

Fast alle Verfahren zur bildgebenden Darstellung der Durchblutung setzen Tracer ein, externe Substanzen, die dem Blut beigemischt werden. Anschließend wird die Verteilung des Tracers durch den Blutstrom gemessen, bei einigen Methoden kann der Blutfluss auch quantifiziert werden. Die magnetische Blutbolusmarkierung (Spin-Labeling) ist abgesehen vom Doppler-Ultraschall das einzige Verfahren, dass ohne eine Tracer-Substanz auskommt. Beim Spin-Labeling wird arterielles Blut durch Radiofrequenzpulse magnetisch markiert und der Transport der Markierung MR-tomographisch gemessen. Dazu wird das Blut außerhalb der zu messenden Schicht durch einen Inversionspuls markiert. Nach der Inversion ist eine Wartezeit nötig, in der die invertierten Blutspins durch den Blutfluss in das Zielvolumen transportiert werden können, anschließend erfolgt die Bildgebung. Die gleiche Messung wird ein zweites Mal durchgeführt, diesmal ohne vorherige Markierung. Bei der Subtraktion der beiden Messungen fällt das Signal des statischen Gewebes heraus, übrig bleibt nur das Signal des eingeflossenen Blutes. Diese berührungslose und nichtinvasive Methode zur Perfusionsmessung ist elegant, einfach anzuwenden und quanti­fizierbar. Ob nichtinvasive Methoden die etablierten Verfahren ersetzen können, hängt von der Zuverlässigkeit und Genauigkeit ab, mit der der Blutfluss gemessen werden kann. Die Optimierung der Methodik für den klinischen Einsatz und die Anwendung der nichtinvasiven Messmethode in klinischen Studien war Gegenstand dieser Arbeit.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Optimierung der Messmethode für den Einsatz bei Hirntumoren sowie der Überprüfung des mathematischen Modells zur Quantifizierung des Blutflusses. Das Blutsignal beim Spin-Labeling ist sehr gering und liegt im Bereich des Messrauschens. Selbst kleine systematische Fehler wie zum Beispiel die Variation des Inversions­winkels innerhalb der Schicht können das Perfusionssignal überdecken. Daher wurden alle verwen­deten Komponenten der Messsequenz separat optimiert. Für die Inversion wurden adia­ba­tische Pulse berechnet, die die Magnetisierung vollständig invertieren und ein sehr gutes Schicht­profil aufweisen. Die EPI-Bildgebung macht die Aufnahme mehrerer Schichten möglich und hat das best­mögliche Signal-Rausch-Verhältnis. Alle zur Quantifizierung nötigen Aufnahmen wurden zur klinischen Anwendung mit optimierten Zeitparametern in einer Sequenz implementiert.

Am Modell einer extrakorporalen Schweineniere wurde die Quantifizierungsgenauigkeit der Spin-Labeling Methode überprüft. Die Niere wurde dabei in einem MR-kompatiblen Aufbau unter physio­logischen Bedingungen perfundiert. Bei verschiedenen definierten Blutflüssen wurden Spin-Labeling Messungen durchgeführt. Zur Quantifizierung müssen in jedem Messpunkt zwei Para­meter bestimmt werden: die Ankunftszeit und die Anstiegsgeschwindigkeit des Blutsignals. Dies gelang bei hohen Blutflüssen zuverlässig, die absolute Abweichung lag unterhalb von 10 Prozent. Bei kleineren Flüssen traten dagegen Fehler bis 30 Prozent bei dieser Methode der Quantifizierung auf. Die Fehler können erheblich reduziert werden, wenn bereits durch die Präparation der Magne­tisierung unterschiedliche Ankunftszeiten ausgeglichen werden, wie bei der anschließend von uns verwendeten Q2TIPS-Technik. Die Abweichungen [Seite 163↓]von der Linearität der quantitativen Fluss­messung lagen dann bei 5 bis 8 Prozent.

Mit den optimierten Sequenzen wurden in einer nachfolgenden Studie 36 Hirntumorpatienten untersucht, 29 davon waren Patienten mit Gliomen, 7 mit Metastasen. Als Vergleichsverfahren zur Perfusions­messung diente die First-Pass-Bolus-Methode, bei der dynamisch der erste Durchgang eines Kontrastmittelbolus durch das Gewebe gemessen wird. Hierzu wurde eine neue Sequenz entwickelt, die mittels Doppelecho- Bildgebung gleichzeitig Gradienten-Echo- und Spin-Echo-EPI-Bilder der Schichten misst. Der Signalabfall durch das Kontrastmittel ist in beiden Bildserien unterschiedlich und hängt von der durchschnittlichen Gefäßgröße ab, damit lässt sich die Gefäß­qualität beurteilen. Insgesamt zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Spin-Labeling und der First-Pass-Bolus-Methode, der lineare Korrelationskoeffizient für die Tumorregion lag bei R=0,83. Es war keine signifikant bessere Korrelation der Spin-Labeling-Perfusionsmessungen zu einer der beiden Kontrastmittelmessungen nachweisbar. Zur Gradierung von Gliomen können alle Methoden gleichermaßen verwendet werden. Wie sich zeigte, spielen die Absolutwerte der Perfusion dabei eine untergeordnete Rolle. Die mittlere Perfusion ist individuell sehr verschieden, nimmt aber mit dem Alter signifikant ab. Die Unterteilung der Tumorgruppen gelingt besser, wenn das Verhältnis des Tumorblutflusses zur durchschnittlichen Hirndurchblutung gebildet wird. Die Untersuchungen ergaben, dass die Perfu­sions­werte unbehandelter niedriggradiger Gliome unterhalb der durchschnittlichen Hirndurch­blutung liegen, die hochgradiger Gliome oberhalb. Ebenso war eine signifikante Abnahme der Tumorperfusion in Folge einer Behandlung mit allen Methoden nachweisbar. Das Signal-Rausch-Verhältnis der kontrastmittelbasierten Methoden ist dem des Spin-Labelings deutlich überlegen. Spin-Labeling eignet sich daher besonders zur Untersuchung von Kindern, bei denen die hohe durchschnittliche Perfusion und die geringen Blutzirkulationszeiten Aufnahmen von guter Qualität ermöglichen, und die Nichtinvasivität der entscheidende Vorteil ist.

Während der Entwicklung der Sequenzen zur Messung der kapillären Perfusion ergab sich ein zweiter Anwendungsbereich für das Spin-Labeling: die Darstellung der großen Arterien. Spin-Labeling ermöglicht die nichtinvasive dynamische Angiographie (Dynamische Spin-Labeling-Angiographie – DSLA). Analog zur digitalen Subtraktionsangiographie (DSA) kann damit der Einstromvorgang des Blutes in den Gefäßbaum zeitaufgelöst gemessen werden. Das Prinzip ist es dabei, nach der Blutmar­kierung eine ganze Folge von Bildern mit geringem zeitlichem Abstand aufzunehmen und so die Blutflussdynamik zu messen. Da die Markierung beliebig erneuerbar ist, kann die Aufnahme dieser Bildserie über mehrere Inversionspulse verteilt werden. Ähnlich wie bei der Herzbildgebung wurden dazu segmentierte DSLA-Sequenzen entwickelt, die Messungen mit 25 Bildern pro Sekunde ermöglichen. Im Gegensatz zur DSA ist dabei die Projektionsrichtung frei wählbar. Die Technik wurde in einer Studie an Patienten mit Stenosen, Dissektionen und Missbildungen des zerebralen Gefäßsystems eingesetzt. Es zeigte sich, dass die Umverteilung (Kollateralisierung) des Blutflus­ses im Gehirn zur Kompensation einer Gefäßverengung oder eines Verschlusses mit der DSLA beurteilt werden kann. DSA und DSLA zeigten dabei zum Teil abweichende Darstellungen der Hämodynamik. Dies kann ein [Seite 164↓]Hinweis darauf sein, dass die Injektion des Kontrastmittels bei der DSA die hämodynamischen Verhältnisse beeinflusst. Beim Spin-Labeling werden die physio­lo­gischen Flussverhältnisse durch die Messung nicht verändert. Weitere Studien müssen die Unterschiede der Methoden aufklären. Es wurden 18 Patienten mit einseitigen Carotisstenosen untersucht und die Zeitdifferenzen der Anflutung der zerebralen Gefäße zwischen der betroffenen und der nicht stenosierten Seite bestimmt. Die Zeitdifferenzen, besonders die im Carotis-Siphon gemessenen, korrelieren signifikant mit dem Stenosegrad, steigen aber erst ab einer Lumen­einengung oberhalb von 80 Prozent deutlich an. Werden die Zeitdifferenzen zwischen rechter und linker Arteria cerebri media gemessen, so ergibt sich eine größere Streuung der Messwerte und damit eine geringere Signifikanz. Hier zeigt sich die individuell unterschiedlich ausgeprägte Kollateralisierung des zerebralen Blutflusses. Der Ausgleich der auf Siphon- und Media-Niveau gemessenen Verzögerungszeiten kann als Maß für die Kollateralisierung herangezogen werden. Dies ist möglicherweise ein zusätzlicher Parameter bei der Beurteilung der Frage, ob ein Patient von einer Operation oder Stentimplantation profitieren wird. Bei der Quantifizierung des zerebralen Blutflusses mit Hilfe der Spin-Labeling-Perfusionsmessung müssen bei Patienten mit einseitigen Gefäß­steno­sen die großen Seitendifferenzen der Transitzeiten berücksichtigt werden, da sonst der Blutfluss systematisch falsch bestimmt wird. Durch die Anpassung der Zeitparameter der Messsequenz können die Fehler minimiert werden. Die Messung sollte außerdem zu mindestens zwei verschiedenen Wartezeiten nach der Markierung durchgeführt werden, um die Transitzeit jedes Voxels bestimmen zu können. Bei Patienten mit arteriovenösen Malformationen lassen sich mittels DSLA sehr gut zuführende Gefäße und drainierende Venen identifizieren. Hier kann die Technik bei der Planung einer Bestrahlung oder Embolisation eingesetzt werden, sowie zur Kontrolle des interventionell erreichten Gefäßverschlusses.

Spin-Labeling-Verfahren profitieren in besonderem Maße von höheren Magnetfeldstärken, da das begrenzte Signal-Rausch-Verhältnis der größte Nachteil der Technik ist. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von Hochfeldgeräten mit Feldstärken von 3 Tesla und darüber werden sich eine Reihe weiterer klinischer Einsatzgebiete für das Verfahren erschließen.


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04.05.2005