Einleitung
Die Arteriosklerose stellt in der entwickelten Welt ein bedeutendes Gesundheitsproblem
mit steigender Prävalenz dar [1]. Therapeutische Strategieplanungen erfordern eine akkurate Diagnostik bezüglich
Ausprägung und Schweregrad stenosierender Gefäßveränderungen. Da die Arteriosklerose
ein systemisches Krankheitsbild darstellt, ist die diagnostische Abklärung eines möglichst
großen Gefäßgebietes wünschenswert. Begrenzung hinsichtlich der applizierbaren Kontrastmittelmenge,
Strahlenbelastung, Komplikationsrisiken, Kosten- und Zeitaufwand wirkten in der Gefäßdiagnostik
bislang limitierend.
Auch die KM-verstärkte 3D-MR-Angiographie als nicht-invasives Untersuchungsverfahren
war lange Zeit auf die Darstellung der arteriellen Gefäße innerhalb eines Gesichtsfeldes
von 40 - 48 cm beschränkt [2]
[3]. Mit der Entwicklung von Tischverschiebetechniken konnte die darstellbare Gefäßregion
auf 2 - 3 Territorien erweitert werden [4]
[5]
[6]. Unter Verwendung der neuesten MRT-Gerätegeneration mit leistungsstarken Gradientensystemen
stellen wir ein Prototyp-Konzept vor, welches auf einer rollenden Tischplattform mit
integrierter Oberflächenspule (AngioSURF - System for Unlimited Rolling Field-of-view)
basiert und die Bildgebung des Gefäßsystems über eine kraniokaudale Ausdehnung von
176 cm in nur 72 Sekunden erlaubt.
Material und Methoden
Die verwendete AngioSURF (System for Unlimited Rolling Field-of-view) Tischplattform
besteht aus einer 270 cm langen und 50 cm (Rumpfbereich) bzw. 33 cm (Beinbereich des
Patienten) breiten Patientenauflagerungsfläche. Sie kann auf dem regulären Patiententisch
von Siemens Symphonie oder Sonata MR-Systemen installiert werden. Um die Plattform
in ihrer Längsachse schnell und leicht verschieben zu können, ist sie auf 7 Rollenpaaren
aufgelegt. Die Rollen sind fest auf Tragekonsolen montiert und werden in den Patiententisch
anstelle der Kopf- und Beinspule eingesetzt. Zur Stützung der Auflagerungsfläche ist
in den Endpositionen jeweils eine weitere Rollenanordnung kopf- und fußseitig des
serienmäßigen Tisches montiert. Als Sende- und Empfangsspule wird eine serienmäßige
Oberflächenspule (CP Body Array Coil, Siemens Medizintechnik, Erlangen) verwendet,
welche auf eine an der Tischplattform befestigte Halterung aufgelagert wird.
Als Material für die Lagerungsplatte und die stützenden Bauteile wurde ein MRT-kompatibler
Kunststoff auf PVC-Basis gewählt. Mit der beweglichen Tischplattform können nach Definition
eines variablen Tischvorschubs bis zu 6 Datensätze in unmittelbarer Folge mit einem
maximalen Gesichtsfeld von je 40 cm akquiriert werden. Die Datenakquisition erfolgt
jeweils im Isozentrum des Magneten. Aufgrund ihres Eigengewichts liegt die Oberflächenspule
in ihrer Halterung dem Patienten unmittelbar auf. Die glatte Unterfläche der Halterung
ermöglicht das reibungslose Gleiten der Spule über den Patienten während der Tischbewegung
und passt sich so den Konturen des Patienten individuell an.
Die Untersuchungen wurden an einem 1,5 Tesla-MR-System (Magnetom Sonata, Siemens,
Erlangen), welches mit einem Hochleistungsgradientensystem ausgestattet ist (Amplitude:
40 mT/M, Anstiegszeit (rise time) 200 µs, Anstiegsrate (slew rate) 200 mT/m/s), durchgeführt.
Die Untersuchung erfolgte in Rückenlage mit den Füßen zum MR-Tomographen gerichtet
(„feet first”-Position). Die Strategie der Ganzkörper-Angiographie basiert auf der
Akquisition von 5 3D-Datensätzen in unmittelbarer zeitlicher Abfolge. Der erste Datensatz
umfasst den Aortenbogen unter Miteinbeziehung der supraaortalen Gefäße inklusive der
Aa. carotides, der zweite Datensatz umfasst die Aorta abdominalis mit ihren viszeralen
Ästen und den Nierenarterien, im dritten Datensatz wird das Beckengefäßsystem erfasst,
und die beiden unteren Datensätze stellen schließlich die Oberschenkel- bzw. Unterschenkelarterien
dar.
Zur Planung der 3D-Datensätze wird eine Sequenz mit automatischer Tischverschiebung
(moving vessel scout protocol) eingesetzt. Für jede Station werden 6 axiale Bilder
in einem Abstand von jeweils 7,5 cm aufgenommen (TR: 539 ms, TE: 10 ms, TI: 300 ms, Flipwinkel: 50 ° Schichtdicke: 8 mm, Matrix: 114 × 256, Gesichtsfeld: 400
mm, Akquisitionszeit: 20 Sekunden). Im Anschluss daran wird die Kontrastmittelpassage-Zeit
in der Aorta thoracica descendens auf Höhe der Herzbasis bestimmt. Zu diesem Zweck
wird ein Test-Bolus von 2 ml Gd-DTPA (Magnevist, Schering, Berlin) mit einer Injektionsgeschwindigkeit
von 1,3 ml/s in eine Kubitalvene gespritzt und mit 20 ml isotoner Kochsalzlösung gespült.
Hierfür wurde eine axiale, multiphasische Turbo-Flash-Sequenz (TR: 1000 ms, TE: 3,2 ms, TI: 8 ms, Flipwinkel: 10 °, Schichtdicke: 10 mm, Matrix: 128 × 256, Gesichtsfeld: 400
× 400 mm) verwendet. Sie ermöglicht eine zeitliche Auflösung von 1 Bild/s.
Die Akquisition der 3D-Datensätze zur Darstellung des arteriellen Gefäßsystems erfolgt
mit einer schnellen Gradienten-Echo-Sequenz (3D-FLASH: TR/TE 2,1/0,7 ms, Flipwinkel: 20 °, 80 Partitionen, effektive Schichtdicke 2 mm, Akquisitionsvolumen
(slab): 160 mm, Gesichtsfeld 400 × 400 mm, Matrix: 512 × 420 mit Nullinterpolation,
Akquisitionszeit: 12 s). Bei der Nullinterpolation werden dem k-Raum vor der Fourier-Transformation
„Nullwerte” hinzugefügt, um die scheinbare räumliche Auflösung zu erhöhen. Durch die
Reduktion der Pixelgröße werden so Partialvolumeneffekte reduziert. Insgesamt wurden
5 Datensätze aufgenommen. Um die Entstehung von Gefäßlücken zu vermeiden, werden die
Datensätze überlappend aufgenommen. Die Überlappung betrug 3 cm, so dass eine Gesamtlänge
von 176 cm abgedeckt wurde. Auf die Akquisition von nativen Datensätzen zur Erstellung
von Subtraktionen wurde in Anbetracht der sehr kurzen Repetitionszeit verzichtet.
Die Untersuchungszeit beträgt 72 Sekunden. Sie beinhaltet 12 Sekunden Akquisitionszeit
für jeden der 5 Datensätze und 4 Repositionierungsphasen von jeweils drei Sekunden,
während derer eine manuelle Verschiebung der rollenden AngioSURF-Tischauflage zur
jeweils nächsten Station erfolgt. Das Kontrastmittel (Gd-DTPA, Magnevist, Schering,
Berlin) wird biphasisch mit einem automatischen Injektor (MR Spectris, Medrad, Pittsburgh,
PA) appliziert. Die verwendete Gesamtdosis beträgt 0,3 mmol/kg Körpergewicht. Die
erste Hälfte wird mit einer Flussgeschwindigkeit von 1,3 m/s injiziert, die zweite
Hälfte mit einer Flussrate von 0,7 ml/s, gefolgt von 30 ml Kochsalzlösung mit einer
Flussrate von 1,3 ml/s.
Zur Evaluation des AngioSURF-Konzeptes wurden drei Probanden und ein Patient mit einer
angiographisch dokumentierten Stenose der rechten A. iliaca externa untersucht. Vor
der Untersuchung waren sie über den wissenschaftlichen Charakter der Untersuchung
in Übereinstimmung mit den Vorgaben des Ethischen Komitees aufgeklärt worden und willigten
schriftlich in die Studienteilnahme ein.
Ergebnisse
Die Handhabung der rollenden Tischauflage AngioSURF gestaltete sich bei allen 4 Untersuchungen
einfach. Der Tisch konnte von einer Bedienperson mit Leichtigkeit verschoben und positioniert
werden. Probanden und Patient glitten auf der Tischauflage durch die im Zentrum der
Bohrung fixierte Torso-Oberflächenspule. Alle Untersuchungen waren technisch einwandfrei.
Artefakte waren auf den 3D-Datensätzen nicht nachweisbar. Die Probanden und der Patient
tolerierten die Untersuchung gut - Nebenwirkungen wurden keine beobachtet.
Mit allen 4 Untersuchungen gelang eine komplette Darstellung der arteriellen Gefäßmorphologie
von Kopf bis Fuß. Die hervorragende Bildqualität erlaubte eine detaillierte Beurteilung
sämtlicher arterieller Gefäßabschnitte von den Aa. carotides bis hin zu den distalen
Trifurkationsarterien (Abb. [1]). Die Kontrastierung des portalen Venensystems sowie der Nierenvenen führte zu einer
venösen Überlagerung arterieller Strukturen im Abdomen, die allerdings durch die selektive
Reformatierung der einzelnen Gefäßabschnitte kompensiert werden konnte. Eine Beurteilung
der Nierenarterien bis zum Hilus war somit in allen Fällen möglich. Eine venöse Kontrastierung
war in einigen Unterschenkelvenen nachweisbar. Dadurch wurde die Beurteilbarkeit der
Trifurkationsgefäße allerdings in keinem Fall eingeschränkt.
Auch die angiographisch bekannte Gefäßpathologie im Beckenbereich bei dem untersuchten
Patienten war mittels AngioSURF-Ganzkörper-MR nachweisbar (Abb. [2]).
Diskussion
Das beschriebene Konzept der Ganzkörper-MR-Angiographie mit AngioSURF erlaubt die
Darstellung des arteriellen Gefäßgebietes über eine kraniokaudale Ausdehnung von 176
cm von den Aa. carotides bis zu den Unterschenkelarterien während der einmaligen Injektion
von Kontrastmittel. Die gesamte Akquisitionszeit beläuft sich auf lediglich 72 Sekunden.
Durch die Integration einer phased-array Oberflächenspule für den Signalempfang wird
eine Bildqualität erreicht, die den Einsatz dieser nicht-invasiven Technik als Alternative
zur konventionellen digitalen Subtraktionsangiographie (DSA) erlaubt.
Obwohl die Arteriosklerose als systemisches Krankheitsbild mit Befall des gesamten
arteriellen Gefäßgebiets bereits seit langer Zeit als solches bekannt ist, blieb die
Diagnostik mittels konventioneller Katheter-Technik hinsichtlich des Umfangs der Darstellung
des Gefäßbaumes auf umschriebene Gefäßterritorien beschränkt. Verantwortlich dafür
waren u. a. Beschränkungen der maximal applizierbaren Kontrastmittelmenge, Strahlenbelastung,
Invasivität und damit verbundenes Komplikationsrisiko sowie nicht zuletzt ökonomische
Faktoren.
Ein limitiertes Gesichtsfeld (FOV) und Beschränkungen bezüglich der KM-Dosis erschwerten
zunächst auch den Einsatz der MR-Angiographie bei der Beurteilung ausgedehnter Gefäßterritorien.
Die Einführung sogenannter „Bolus-Verfolgungs-” (Bolus-Chase) oder Tischverschiebetechniken
brachte den Durchbruch: Sie erlauben die Darstellung des arteriellen Gefäßsystems
in bis zu drei aufeinanderfolgenden 40 cm langen Abschnitten [4]
[5]. Um eine ausreichende Auflösung insbesondere im Bereich der Trifurkationsarterien
in den Unterschenkeln zu erreichen, blieb diese Technik allerdings auf den Einsatz
dezidierter Oberflächenspulen angewiesen [6].
Unter Verwendung der neuesten MRT-Technologie mit Hochleistungsgradienten konnte die
Aufnahmezeit kompletter 3D-Datensätze weiter gesenkt werden [7]
[8]
[9]. Durch die Reduktion des Repetitionszeit auf 2,1 ms ist die Akquisition eines 3D-Datensatzes
in 10 Sekunden möglich geworden. Die verkürzte Datenakquisition erlaubt eine weitere
Ausweitung der dargestellten Gefäßabschnitte innerhalb der arteriellen Kontrastmittelphase.
So können nunmehr in knapp über einer Minute 5 aufeinanderfolgende 40 cm lange Gefäßareale
mit AngioSURF aufgenommen werden. Dabei ist die Tischverschiebezeit, die aufgrund
der reibungsarmen Rollen-Beweglichkeit der AngioSURF-Tischoberfläche auf drei Sekunden
reduziert werden kann, bereits miteingerechnet.
Nebst einer Verkürzung der Akquisitionszeit führt die Reduktion der Repetitionszeit
trotz Verwendung eines relativ niedrigen Flipwinkels auch zu einer Verminderung des
Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR). Die damit einhergehende Signalunterdrückung
des den Gefäßbaum umgebenden Gewebes erübrigt den Einsatz von Fettunterdrückung. Auch
die Aufnahme von nativen Datensätzen zum Zweck der Bildsubtraktion ist deshalb nicht
erforderlich. Die Signalreduktion innerhalb der arteriellen Gefäße wird durch die
Verwendung der Oberflächenspule kompensiert. Die Oberflächenspule (CP Body Array Coil)
erhöht das SNR gegenüber der Körperspule um einen Faktor 2 - 3. Somit ist die Oberflächenspule
Voraussetzung für das Erreichen der notwendigen räumlichen Auflösung, die in dem vorgestellten
Protokoll durch eine effektive Voxelgröße von 0,8 × 0,8 × 2 mm definiert war. Dadurch
erlaubt das höhere SNR eine bessere Abgrenzbarkeit vor allem auch der kleineren Gefäße
im Bereich der Unterschenkel.
Obgleich die verwendete Torso-Oberflächenspule eine kraniokaudale Ausdehnung von nur
28 cm hat, leuchtet sie ein Gesichtsfeld von bis zu 40 cm aus. Allerdings kann es
am Rand des Gesichtsfeldes zu einem Signalabfall kommen. Um durch Signalabfall bedingte
Gefäßlücken der Ganzkörper-MRA zu vermeiden, sollten die 3D-Datensätze überlappend
aufgenommen werden. Der Grad der Überlappung sollte der individuellen Körpergröße
angepasst werden. Im Minimum sollte sie allerdings 3 cm umfassen. Somit kann eine
Gesamtlänge des arteriellen Gefäßsystems von 176 cm abgedeckt werden. Eine Verbreiterung
der Oberflächenspule würde zu einer erweiterten Abdeckung führen. Dabei gilt, dass
jeder cm etwa 8 cm mehr Abdeckung des Gefäßgebietes bringt.
Das verwendete Injektionsprotokoll erlaubt die Akquisition der ersten beiden Stationen
(Aorta thoracica und Aorta abdominalis) mit einem hohen Kontrastmittelfluss, wohingegen
die sich daran anschließenden Stationen bis zu den distalen Unterschenkelarterien
mit einer geringeren Flussgeschwindigkeit aufgenommen werden. Das verwendete Protokoll
erwies sich als verlässlich und einfach in der Anwendung. Alle gewonnenen Datensätze
waren von diagnostischer Bildqualität. Die im zweiten Datensatz vorhandene Überlagerung
durch portalvenöses Gefäßsystem und linken Nierenvene in der Maximum-Intensitätsprojektion
(MIP) konnte durch Rekonstruktion von multiplanaren Reformationen und Analyse der
Quellbilder auf einer Workstation kompensiert werden.
Zusammenfassend erlaubt das beschriebene AngioSURF-Ganzkörper-MRA-Konzept mit rollender
Tischplattform und integrierter Oberflächenspule die diagnostische Darstellung des
Gefäßgebiets über eine kraniokaudale Ausdehnung von bis zu 176 cm. Zwar ist bislang
noch nicht hinreichend geklärt, inwieweit die komplette Darstellung des Gefäßsystems
hinsichtlich des therapeutischen Entscheidungsprozesses Vorteile erbringen kann. Die
frühzeitige Erkennung von zum Untersuchungszeitpunkt noch nicht relevanten Stenosen
erscheint jedoch von klinischem Interesse. Außerdem dürfte die beschriebene Technik
hilfreich sein, beispielsweise bei der Dokumentation des Ausmaßes einer aortalen Dissektion,
welche sich über mehrere Gefäßterritorien erstrecken kann.
Neben Applikationen zur Darstellung des Gefäßsystems kann das Konzept für andere Formen
der Ganzkörperbildgebung, wie z. B. Knochenmetastasensuche, verwendet werden. Während
die momentanen Prototyp-Version der Tischplattform nur auf dem Patiententisch des
Symphony- oder Sonata-MR-Systems implementiert werden kann, ist nach entsprechender
Modifikation ein Einsatz auch auf anderen Systemen möglich. Die gewährleistete Bildqualität
erlaubt den Einsatz bei Patienten und ermöglicht die Anwendung des Verfahrens als
Alternative zur konventionellen DSA. Nicht zuletzt auch unter ökonomischen Gesichtspunkten
ist mit dem beschriebenen Verfahren eine Veränderung des diagnostischen Vorgehens
bei der Untersuchung von Patienten mit Verdacht auf PAVK zu erwarten. Weitere Studien
anhand eines Patientenkollektivs mit DSA-Korrelation sind erforderlich, um die Qualität
der beschriebenen Technik zu validieren.
Abb. 1Studienteilnehmerin aufliegend auf der „AngioSURF” Tischplattform in (a) Startposition, (b) mittlerer Position und (c) Endposition. Die Tischplattform besteht aus einer 270 cm langen und 50 cm (Rumpfbereich)
bzw. 33 cm (Beinbereich des Patienten) breiten Patientenauflagerungsfläche. Zur Stützung
der Auflagerungsfläche ist in den Endpositionen jeweils eine Rollenanordnung kopf-
und fußseitig des serienmäßigen Tisches montiert. Die auf der Halterung befestigte
Oberflächenspule gleitet während der Tischverschiebung reibungsarm über den Körper.
Abb. 2Ganzkörper 3D-MR-Angiographie eines 54jährigen Patienten mit Nachweis einer isolierten
kurzstreckigen Okklusion der rechten A. iliaca externa.
Abb. 3
