Ein Auswerteprogramm zur quantitativen Untersuchung der Lungenventilation mittels dynamischer MRT von hochpolarisiertem ³He

Zusammenfassung

Ziel: Entwicklung eines Auswerteprogramms zur quantitativen Analyse der Lungenventilation in absoluten physikalischen Einheiten. Methoden: Während der Inspiration eines Bolus (300 ml) aus hochpolarisiertem ³He wurden unter Spontanatmung mit einer 2D-FLASH-Sequenz Serien von 168 Projektionsaufnahmen aufgenommen und mit einem selbst entwickelten Auswerteprogramm analysiert. Nach Korrektur der Atembewegung erfolgte die Berechnung verschiedener quantitativer Parameter zur Beschreibung der Ventilation (Anstiegszeit, Verzögerungszeit, maximale ³He-Menge und maximaler ³He-Fluss), welche aufgrund einer Normierung der Signalintensität erstmals in absoluten physikalischen Einheiten angegeben werden konnten. Die Berechnungen wurden sowohl bildpunktweise als auch auf ROI-Basis durchgeführt. Ergebnisse: Mit dem Programm wurden Ventilationsaufnahmen von 6 Probanden, einem Patienten nach Lungentransplantation sowie einem Patienten mit Lungenemphysem ausgewertet. Die Parameterkarten der bildpunktweisen Auswertung zeigten bei den Probanden eine homogene Verteilung der Ventilationsparameter innerhalb der Lunge, bei den beiden Patienten wurden Bereiche mit stark eingeschränkter Ventilation beobachtet. Schlussfolgerungen: Das entwickelte Auswerteprogramm erlaubt die objektive und quantitative Analyse der regionalen Ventilation der Lunge in absoluten physikalischen Einheiten. Die klinische Aussagekraft der Auswerteparameter muss jedoch noch in größeren klinischen Studien untersucht werden. Potenzielle Anwendungsgebiete des Programms könnten beispielsweise die Beurteilung des Schweregrades von Ventilationsstörungen oder Therapieverlaufsstudien sein.

Abstract

Purpose: ³He-MRI is able to visualize the regional distribution of lung ventilation with a temporal and spatial resolution so far unmatched by any other technique. The aim of the study was the development of a new software tool for quantification of dynamic ventilation parameters in absolute physical units. Materials and Methods: During continuous breathing, a bolus of hyperpolarized ³He (300 ml) was applied at inspiration and a series of 168 coronal projection images simultaneously acquired using a 2D FLASH-sequence. Postprocessing software was developed to analyze the ³He distribution in the lung. After correction for lung motion, several ventilation parameters (rise time, delay time, ³He amount and ³He peak flow) were calculated. Due to normalization of signal intensities, these parameters are presented in absolute physical units. The data sets were analyzed on a ROI basis as well as on a pixel-by-pixel basis. Results: Using the developed software, the measurements were analyzed in 6 lung-healthy volunteers, in one patient after lung transplantation, and in one patient with lung emphysema. The volunteers’ parameter maps of the pixel-based analysis showed an almost homogeneous distribution of the ventilation parameters within the lung. In the parameter maps of both patients, regions with poor ventilation were observed. Conclusion: The developed software permits an objective and quantitative analysis of regional lung ventilation in absolute physical units. The clinical significance of the parameters, however, has to be determined in larger clinical studies. The software may become valuable in grading and following pulmonary function as well as in monitoring any therapy.

Lung ventilation - hyperpolarized gas - ³He - magnetic resonance - quantification

Literatur

• 1 Middleton H, Black R D, Saam B. et al . MR imaging with hyperpolarized 3He gas.  Magn Reson Med. 1995;  33 271-275
• 2 Kauczor H U, Hofmann D, Kreitner K F. et al . Normal and abnormal pulmonary ventilation: visualization at hyperpolarized He-3 MR imaging.  Radiology. 1996;  201 564-568
• 3 Kauczor H U, Ebert M, Kreitner K F. et al . Helium-3-MRT der Lungenventilation: Erste klinische Anwendungen.  Fortschr Röntgenstr. 1997;  166 192-198
• 4 Gast K K, Zaporozhan J, Ley S. et al . Reformatierungen als Lösungsansatz für die Problematik der unterschiedlichen Schichtführung beim Vergleich von ³He-MRT und HR-CT der Lunge.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 786-790
• 5 Chen X J, Moller H E, Chawla M S. et al . Spatially resolved measurements of hyperpolarized gas properties in the lung in vivo. Part I: diffusion coefficient.  Magn Reson Med. 1999;  42 721-728
• 6 Schreiber W G, Markstaller K, Eberle B. et al . Ultrafast MR-Imaging of three-dimensional distribution of hyperpolarized Helium-3 diffusion coefficient in the lung.  Eur Radiol. 1999;  9 542
• 7 Eberle B, Weiler N, Markstaller K. et al . Analysis of intrapulmonary O2 concentration by MR imaging of inhaled hyperpolarized helium-3.  J Appl Physiol. 1999;  87 2043-2052
• 8 Deninger A J, Eberle B, Ebert M. et al . Quantification of regional intrapulmonary oxygen partial pressure evolution during apnea by ³He MRI.  J Magn Reson. 1999;  141 207-216
• 9 Saam B, Yablonskiy D A, Gierada D S. et al . Rapid imaging of hyperpolarized gas using EPI.  Magn Reson Med. 1999;  42 507-514
• 10 Gierada D S, Saam B, Yablonskiy D. et al . Dynamic echo planar MR imaging of lung ventilation with hyperpolarized 3He in normal subjects and patients with severe emphysema.  NMR Biomed. 2000;  13 176-181
• 11 Schreiber W G, Weiler N, Kauczor H U. et al . Ultraschnelle MRT der Lungenventilation mittels hochpolarisiertem Helium-3.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 129-133
• 12 Salerno M, Altes T A, Brookeman J R. et al . Dynamic spiral MRI of pulmonary gas flow using hyperpolarized ³He: preliminary studies in healthy and diseased lungs.  Magn Reson Med. 2001;  46 667-677
• 13 Herter M, Konig R. Computertomographie und Lungenfunktionsszintigraphie beim zentralen Bronchialkarzinom. Vergleich zwischen morphologischen und funktionellen Veränderungen.  Fortschr Röntgenstr. 1983;  138 707-715
• 14 Gast K K, Puderbach M U, Rodriguez I. et al . Dynamic ventilation ³He-magnetic resonance imaging with lung motion correction: gas flow distribution analysis.  Invest Radiol. 2002;  37 126-134
• 15 Gast K K, Puderbach M U, Rodriguez I. et al . Distribution of ventilation in lung transplant recipients: evaluation by dynamic ³He-MRI with lung motion correction.  Invest Radiol. 2003;  38 341-348
• 16 Colegrove F D, Schaerer K, Walters G K. Polarization of 3He gas by optical pumping.  Phys Rev. 1963;  132 2561-2572
• 17 Surkau R, Becker J, Ebert M. et al . Realization of a broad band neutron spin filter with compressed, polarized ³He gas.  Nucl Instr & Meth. 1997;  A 384 444-450
• 18 Kondo T, Kobayashi I, Taguchi Y. et al . A dynamic analysis of chest wall motions with MRI in healthy young subjects.  Respirology. 2000;  5 19-25
• 19 Soille P. (ed) .Morphological Operators. In: Handbook of Computer Vision and Applications. Volume 2: Signal Processing and Pattern Recognition. San Diego, London, Boston; Academic Press 1999: 627-682
• 20 Miller A J, Joseph P M. The use of power images to perform quantitative analysis on low SNR MR images.  Magn Reson Imaging. 1993;  11 1051-1056
• 21 Möller H E, Chen X J, Saam B. et al . MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases.  Magn Reson Med. 2002;  47 1029-1051
• 22 Lehmann F. Dynamische Helium-3 MR-Tomographie: Quantitative Analyse der Ventilation der Lunge. Thesis: Diplomarbeit, Fachbereich Medizintechnik, Fachhochschule Jena. Jena; 2003
• 23 Schreiber W G, Markstaller K, Weiler N. et al . 19F-MRT der Lungenventilation in Atemanhaltetechnik mittels SF6-gas.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 500-503
• 24 Dupuich D, Berthezene Y, Clouet P L. et al . Dynamic 3He imaging for quantification of regional lung ventilation parameters.  Magn Reson Med. 2003;  50 777-783
• 25 Deninger A J, Mansson S, Petersson J S. et al . Quantitative measurement of regional lung ventilation using 3He MRI.  Magn Reson Med. 2002;  48 223-232