Magnetresonanztomographie, Mehrschicht-Spiral-CT und Elektronenstrahl-CT zur morphologischen und funktionellen Diagnostik der koronaren Herzkrankheit
- Methodische Entwicklungen, experimentelle Ergebnisse und Perspektiven -

Habilitationsschrift

zur Erlangung der Lehrbefähigung
für das Fach
Diagnostische Radiologie

vorgelegt dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Herrn Dr. med. Jens Rodenwaldt
geboren am 07.06.1965 in Göttingen

Präsident:Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Mlynek

Dekan: Prof. Dr. med. Joachim W. Dudenhausen

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. Dietbert Hahn
2. Prof. Dr. med. Walter Heindel

Eingereicht am: 08 Mai 2002

Datum des öffentlich-wissenschaftlichen Vortrages: 25 März 2003

Inhaltsverzeichnis

• 1.  Einleitung
• 2.  Zielsetzungen
• 3.  Grundlagen myokardialer Perfusion und Funktion
  • 3.1. Blut- und Sauerstoffversorgung des Herzens
  • 3.2.  Funktionelle Struktur der Ventrikel
  • 3.3. System der Koronararterien
• 4.  Pathophysiologie der Koronaren Herzkrankeit
  • 4.1. Ätiologie und Risikofaktoren
  • 4.2.  Pathogenese der Arteriosklerose
  • 4.3. Prädilektionsstellen von Läsionen
  • 4.4. Klinische Manifestationsformen der KHK
  • 4.5. Operative und interventionelle Therapieansätze
• 5.  Bildgebende Diagnostik kardialer Erkrankungen
  • 5.1. Echokardiographie
  • 5.2. Nuklearmedizinische Verfahren
  • 5.3. Selektive Koronarangiographie
  • 5.4.  Magnetresonanztomographie
  • 5.5.  Elektronenstrahl-Computertomographie
  • 5.6.  Mehrschicht-Spiral-Computertomographie
• 6.  Magnetresonanztomographie des Herzens
  • 6.1. Beurteilung myokardialer Perfusion mit MR-First-Pass Sequenzen
    • 6.1.1. Physikalische Aspekte der MR-First-Pass Sequenzen
    • 6.1.2. MR-Kontrastmittelgruppen und dessen Eigenschaften
  • 6.2. Beurteilung myokardialer Funktion mit MR-Tagging Sequenzen
    • 6.2.1. 
    • 6.2.2.  Physikalische Aspekte der MR-Tagging Sequenzen
    • 6.2.3. Zweidimensionale Analyse der myokardialen Deformierung
  • 6.3. MR-Perfusions- und Funktionsmessungen bei akuter myo­kardialer Minder­perfusion unterschiedlichen Ausmaßes: Eigene Untersuchungen
    • 6.3.1.  Material und Methode
      • 6.3.1.1. Tiermodell
      • 6.3.1.2.  Untersuchungsprotokoll
      • 6.3.1.3. MR-First-Pass Bildgebung und Datenanalyse
      • 6.3.1.4.  Absolute Blutflußquantifizierung mit Radioisotopen
      • 6.3.1.5. 
      • 6.3.1.6.  MR-Tagging und Datenanalyse
      • 6.3.1.7.  Statistische Analyse
    • 6.3.2.  Ergebnisse
      • 6.3.2.1. Hämodynamische Daten
      • 6.3.2.2. Absolute Blutflußquantifizierung mit Radioisotopen
      • 6.3.2.3.  MR-First-Pass Bildgebung und Datenanalyse
      • 6.3.2.4. MR-Tagging und Datenanalyse
  • 6.4.  MR-Perfusions- und Funktionsmessungen bei chronischer myo­kardialer Minder­perfusion: Eigene Untersuchungen
    • 6.4.1. Material und Methode
      • 6.4.1.1. Tiermodell
      • 6.4.1.2. Untersuchungsprotokoll
      • 6.4.1.3. Statistische Analyse
    • 6.4.2.  Ergebnisse
      • 6.4.2.1. Hämodynamische Daten
      • 6.4.2.2. Absolute Blutflußbestimmung mit Radioisotopen
      • 6.4.2.3. MR-First-Pass Bildgebung und Datenanalyse
      • 6.4.2.4.  MR-Tagging und Datenanalyse
• 7.  Mehrschichten-Spiral-CT und Elektronenstrahl-CT der Koronararterien
  • 7.1. Retrospektives EKG-Gating und Datenrekonstruktion der Mehrschicht-Spiral-CT
  • 7.2.  Prospektive EKG-Triggerung und Datenakqusition mit der Elektronenstrahl-CT
  • 7.3.  Röntgenkontrastmittel
    • 7.3.1. Kontrastmittelgruppen und deren physikochemischen Eigenschaften
    • 7.3.2. Kontrastmittel-Kinetik
    • 7.3.3.  Kontrastmittel Nebenwirkungen
  • 7.4.  Intraindividueller Qualitätsvergleich der Mehrschicht-Spiral-CT und der Elektronenstrahl-CT für die nicht-invasive Koronarangiographie: Eigene Untersuchungen
    • 7.4.1. Material und Methode
      • 7.4.1.1. Tiermodell
      • 7.4.1.2. Untersuchungsprotokoll
      • 7.4.1.3. Datenanalyse
    • 7.4.2. Ergebnisse
      • 7.4.2.1. Quantitative Analyse
      • 7.4.2.2.  Qualitative Analyse
• 8.  Diskussion
  • 8.1. Stellenwert der kardialen MRT
    • 8.1.1. Diagnostische Möglichkeiten der kardialen MRT im akuten Stadium der myokardialen Ischämie
      • 8.1.1.1.  Technische Voraussetzungen
      • 8.1.1.2. Bestimmung der Myokardperfusion mittels MRT
      • 8.1.1.3.  Bestimmung der Myokardfunktion mittels MRT
    • 8.1.2. Diagnostische Möglichkeiten der kardialen MRT im chronischen Stadium der myokardialen Ischämie
      • 8.1.2.1. Myokardiale Wanddickenmessungen
      • 8.1.2.2. Myokardiale Funktionsmessungen in Ruhe
      • 8.1.2.3. Bestimmung der myokardialen Kontraktilitätsreserve
      • 8.1.2.4. Bestimmung der myokardialen Perfusionsreserve
      • 8.1.2.5. 'Late Enhancement'
    • 8.1.3. Technische Entwicklungen
  • 8.2.  Stellenwert der kardialen CT
    • 8.2.1. Stabilität der Untersuchung
    • 8.2.2. Technische Anforderungen
    • 8.2.3.  Morphologische Bildgebung der Koronararterien
      • 8.2.3.1. Detektion und Graduierung von Stenosen
      • 8.2.3.2. Darstellung von Gefäßwandveränderungen
    • 8.2.4. Funktionelle Diagnostik des Herzens
    • 8.2.5.  Vergleich der Mehrschicht-Spiral-CT mit der Elektronen­strahl-CT
    • 8.2.6. Technische Entwicklungen
  • 8.3.  Vergleich der kardialen CT und MRT
  • 8.4. Übertragbarkeit tierexperimenteller Daten auf den Menschen
• 9.  Zusammenfassung
• 10.Danksagung
• 11.Literaturverzeichnis
• Eidesstattliche Versicherung

Tabellen

• Tabelle 1: Hämodynamische Daten bei experimenteller Reduktion der myo­kardialen Perfusion. (HF: Herzfrequenz, LVSP: linksventrikulärer systolischer Blutdruck, AO: aortaler Mitteldruck, ICP: intra­koronarer Blutdruck)
• Tabelle 2: Separate Analyse der subendokardialen und subepikardialen Perfusion gemessen für das LAD- und LCX-Versorgungsgebiet mit radioaktiv markierten Mikrosphären.
• Tabelle 3: Deformierungsparameter im anterioren Stromgebiet. Kontinuierliche Abnahme der Funktionalität mit zunehmender Minderperfusion.
• Tabelle 4: Kompensatorische Hyperkontraktilität im posterioren Stromgebiet bei progredienter Minderperfusion anterior.
• Tabelle 5: Hämodynamische Daten unter Ruhe und pharmakologischem Streß mit Dobutamin für die beiden experimentellen Gruppen. (HF: Herzfrequenz, LVSP: linksventrikulärer systolischer Blutdruck, AO: aortaler Mitteldruck)
• Tabelle 6: Absolute Blutflußquantifizierung mit radioaktiven Mikrosphären. Die Perfusionsreserve im okkludierten LCX-Gebiet ist signifikant vermindert.

Bilder

• Abb. 1: Querschnitt durch eine arterio­sklerotische Koronararterie mit hoch­gradiger Stenose und ovalärem Restlumen. Nachweis von Kalzifika­tionen links und von Lipid­ab­lagerungen rechts im Bild. Färbung: H.E.
• Abb. 2: TotaleOkklusioneiner arterio­sklerotisch vorgeschädigten Koro­nar­arterie durch einen Thrombus. Die Pfeile markieren die Rupturstelle der fibrinösen Plaquekappe.  Färbung: H.E.
• Abb. 3: Koronararterienausschnitt mit athero­sklerotisch vernarbten Beeten, einem frischen Verquellungs­herd und am unteren Bildrand einer akuten, die Lichtung verschliessenden Thrombose als Folge eines Deckplattenaufbruchs. Färbung: H.E.
• Abb. 4: Ein gebündelter Elek­tro­nen­strahl setzt beim Aufprall auf die Wolframanodenringe elektro­mag­netische Energie frei, die als fächerförmiger Photonenstrahl den Patienten durchdringt. Der Ver­zicht auf die mechanische Be­we­gung großer Bau­teile ermöglicht mi­ni­male Akquisitionszeiten von 50 ms.
• Abb. 5: Die kombinierte Ansteue­rung von vier verschiedenen Anoden- und zwei Detektorringen er­mög­licht die Akqusition von acht unterschied­lichen Untersuchungs­schichten ohne Patientenbewegung.
• Abb. 6: Die Mehrschicht-Spiral-CT er­mög­l­icht die simultane Ak­qui­sition von derzeit vier parallelen Schichten, mit verbesserter Orts- und Zeitsuflösung
• Abb. 7: Die artifizielle Gitter­struktur beim MR-Tagging repräsentiert die intra­murale Deformierung des Myokard
• Abb. 8: Die sequentielle Modulation der Magnetisierung führt zu par­al­lelen signallosen Streifen, die das anatomische Bild überlagern. Ent­sprechend der Myokardkontraktionen werden auch diese artifiziellen Linien mitbewegt und repräsentieren die Deformierung des Herzmuskels.
• Abb. 9: Zweidimensionale Deformierung des linken Ventrikels in Orientierung der kurzen Herzachse. Durch die Myokardkontraktion wird ein idealer Kreis zu einer Ellipse deformiert, deren lange Achse auf das Zentrum des linken Ventrikels ausgerichtet ist.
• Abb. 10: Für die zweidimensionale Auswertung der myokardialen Deformierung werden jeweils drei be­nachbarte Gitterpunkte als Dreieck geometrisch zusam­men­gefaßt und als endlich-kleines Element mit homogenen Gewebs­eigen­schaften definiert. Jeder Vektor y des dreieckigen Ausgangselements wurde durch die kardialen Bewegung in einen Vektor y' transformiert.
• Abb. 11: Akutemyo­kardiale Min­der­­per­fu­sionen kon­nten durch den hydraulischen Ok­klu­­der im LAD-Ver­sor­gungs­­ge­biet erzeugt wer­den. Die Kathe­ter dienten zur Messung hämo­dynamischer Daten und zur Kontrastmittelapplikation.
• Abb. 12: Versorgungsgebiet der links anterior deszendierenden Koronararterie ist die Vorder­wand des linken Ventrikels und das ventrale Septum. (LV: linker Ventrikel, RV: rech­­­ter Ventrikel)
• Abb. 13: Darstellung von Signal-Intensitätskurven beispielhaft für mittel­gradige LAD-Stenosen. Der Kurvenverlauf im LAD-Gebiet ist gegenüber der LCX-Region deut­lich abgeflacht.
• Abb. 14: Bestimmung der re­gio­nalen myokardialen Perfusi­on durch Sektion der Herzen und Messung lokaler Radio­aktivität.
• Abb. 15: Signifikante Blutflußreduktionen im LAD-Gebiet in Ab­hän­gig­keit vom Grad der Stenose. Kom­pen­sa­to­rische Steigerung der Per­fusion im LCX-Bereich. (*p<0,05; ^†p<0,001; ^‡p<0,0001)
• Abb. 16:.a: Homogenes Signalver­hal­ten in der Kontrollgruppe nach Ap­pli­ka­ti­on von Polylysin-Gd-DTPA
• Abb. 16.b: Subendokardiale Reduk­tion des Signals bei geringer LAD-Stenose.
• Abb. 16.c: Transmuraler Perfusions­defekt bei mittelgradiger Okklusion der LAD.
• Abb. 16.d: Visuell kein eindeutiger Un­­ter­schied zwischen mittel- und hoch­gradigen Läsionen.
• Abb. 17: Exzellente li­ne­are Korrelation zwi­schen den Perfusions­mes­sungen mit MR und Mikrosphären.
• Abb. 18: Transmurale MRFP Mes­sungen las­sen keinen eindeutigen Nach­weis von gering­gradigen myo­kardia­len Blutfluß­reduk­ti­on­en zu.
• Abb. 19: Die separate Analyse der sub­­endo­kardialen Perfusion ge­stattet die Detektion geringgradiger LAD-Stenosen mit MR-Perfusions­messungen
• Abb. 20: Reziprok lineare Korrelation des Eigen­vektors λ₁ und des Stenose­­grades.
• Abb. 21:.a: Kontrollgruppe: Homogene Funktionalität im gesamten linken Ventrikel.
• Abb. 21.b: Geringgradige LAD-Stenose: Verminderte Kontraktilität in der subendokardialen Schicht des anterioren Myokards.
• Abb. 21.c: Mäßiggradige LAD-Stenose: Transmurale Funktions­min­derung in der anterioren Wand des linken Ventrikels. Posterior stellt sich eine geringe Hyperkontraktilität dar.
• Abb. 21.d: Hochgradige LAD-Stenose: Deutliche Hyperaktivität posterior bei ausgedehnter Funktions­minderung anterior.
• Abb. 22: Aufnahme eines Korrosions­präparates der Koronararterienver­zwei­gungen im linken Ventrikel. Große Arterien durchziehen das Epi­kard und geben kleinere Äste in die tieferen Schichten des Myokard ab.
• Abb. 23: Versorgungsgebiet der linken Arteria circumflexa. Der chronische Ver­schluß dieser Herzkranzarterie ver­ursacht eine Minderperfusion im Bereich der linksventrikulären Hinter­wand.
• Abb. 24: Der MR-Perfusions­index zeigt eine vergleichbare Durchblutung des Myokards für die Kontroll- und Ameroid­gruppe unter Ruhebedin­gungen
• Abb. 25: Die MRFP-Perfusionsmessungen weisen eine signifikant verminderte Durchblutung für die Ameroid­gruppe unter Dobutaminstreß nach.  (* p<0.0001 )
• Abb. 26: Beim interindividuellen Vergleich zeigt sich, dass die Perfusionsreserve im LCX-Versorgungsgebiet der Ameroid­gruppe signifikant vermindert ist. Im Bereich der LAD finden sich keine relevanten Differenzen.
• Abb. 27: Im Versorgungsgebiet der LAD findet sich nach Gabe von Dobutamin ein signifikanter Funktionszuwachs, gleicher­maßen für die Kontroll- und die Ameroidgruppe. (* p< 0,00001 )
• Abb. 28: Im Versorgungsgebiet der Arteria circumflexa führt der Dobutaminstreß bei den Ameroid­tieren zu keinem ein­deutigen Funktionsanstieg. (* p< 0,00001 )
• Abb. 29: Homogene Kon­trak­tilität des gesamten linken Ventrikels unter Do­bu­tamin bei den Kontroll­tieren.
• Abb. 30: Fehlende Kon­trak­tilitätsreserve unter Do­bu­tamingabe in der LCX-Region.
• Abb. 31: Prinzip des retro­spektiven Gatings: Kon­ti­nu­ier­licher Tischvorschub mit Aufzeichung des EKG-Signals.
• Abb. 32: Prinzip der pro­spektiven Triggerung: Der Scan wird durch das EKG iniziiert.
• Abb. 33: Einteilung der Koronararterien in 15 Segmente entsprechend der American Heart Association.
• Abb. 34: Messung der intraluminalen Signal­intensität senkrecht zum Herz­kranz­gefäß.
• Abb. 35: Typisches Signalintensitätsprofil eines Gefäßes in der CT-Angiographie. Die Steil­heit der Anstiegsflanken repräsentiert die Konturschärfe des Gefäßes.
• Abb. 36: Hochsignifikant höhere Konturschärfe mit der MSCT gegenüber der EBCT. (* p<0,0001)
• Abb. 37: Die höhere Kontur­schärfe des MSCT konnte gleichermaßen für alle Koro­nar­arterien signifikant nach­ge­wiesen werden. (* p<0,0001)
• Abb. 38: Bei Koronarangio­graphie mit der MSCT be­sitzen die proximalen Seg­mente eine signifikant höhere Konturschärfe, als die weiter distal gelegenen.
• Abb. 39: Auch bei der Elek­tronen­strahl-CT weisen die proximalen Koronarsegmente eine signifikant höhere Kontur­schärfe auf.
• Abb. 40: Die durchschnittliche Segmenterkennbarkeit mit der MSCT betrug 10,8. Mit der EBCT konnten nur 9,8 Segmente be­ur­teilt werden, was einen sig­ni­fikanten Unterschied entsprach (*p<0,005).
• Abb. 41: Multiplanare Rekonstruktion der LAD akquiriert mit der EBCT. Der Bild­charakter wird durch das hohe Rauschen bestimmt.
• Abb. 42: Bei der Koronarangiographie mit der Mehrschicht-Spiral-CT findet sich ein deutlich geringeres Bildrauschen und ein höherer Kontrast zwischen dem Herzmuskelgewebe und dem Koronargefäß.