Ultrahochfeld-MRT (7 Tesla) bei neurologischen Fragestellungen und technische Weiterentwicklungen

Maligne Hirntumoren

Die signifikant erhöhte Sensitivität des 7-Tesla-MRT ist von entscheidendem Vorteil für die Diagnose von verschiedenen Tumorentitäten. Die erhöhte Empfindlichkeit bei Suszeptibilitätsartekfakten erlaubt es mittels spezieller Techniken wie suszeptibilitätsgewichteter Bildgebung (SWI), Hämosiderin mit hoher Empfindlichkeit im Gehirn sichtbar zu machen. Solche Hämosiderinablagerungen können mit Blutungen innerhalb von Tumoren oder Metastasen assoziiert sein. Die Darstellung von venösen Gefäßen auch kleinster Hirnvenen im Marklager ist durch SWI möglich. Das kann bei der Beurteilung der vaskulären Verteilung und einer möglichen Neovaskularisation bei primären Hirntumoren hilfreich sein. Gliome können bereits mit kommerziellen Feldstärken-MRT gut dargestellt werden. Die verbesserte Repräsentation der gefäßreichen Areale kann relevant sein, denn diese Areale sind hinweisend auf eine höhere Malignität innerhalb des Tumors.
Eine gezieltere Bestimmung der Zielregion für die stereotaktische Biopsie kann ebenfalls ermöglicht werden. Gemeinsam mit der MR-Spektroskopie für die metabolische Darstellung ist die Visualisierung von vermehrten Tumorgefäßen eine weitere Komponente in der Abklärung der Malignität von primären Hirntumoren.

Mikroangiopathische Veränderungen

Das Ultrahochfeld ist für die Diagnose von mikroangiopathischen Veränderungen im Gehirn prinzipiell nicht notwendig. Im Falle von solchen mikroangiopathischen Veränderungen der weißen Hirnsubstanz sind jedoch die T2*-gewichteten oder SWI-Sequenzen in der klinischen Aufarbeitung sehr hilfreich. Diese Sequenzen sind besonders empfindlich auf Suszeptibilitätsartefakte, die durch Hämosiderinablagerungen im Gehirngewebe verursacht werden. Dies erlaubt die Identifizierung von Mikroblutungen im Gehirn, die bei PatientInnen mit Mikroangiopathie auftreten können, auch wenn die mikroangiopathischen Veränderungen selbst nicht sehr ausgeprägt sind.
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Korrelation zwischen der Zahl der Mikroblutungen und dem Ausmaß von kognitiven Defiziten besteht. Darüber hinaus müssen bei PatientInnen mit Mikroblutungen sekundäre Präventionsmaßnahmen mit Antikoagulantien neu überlegt werden. Mit der Hilfe der höheren Feldstärke auf 7 Tesla kann die Nachweisrate für Mikroblutungen signifikant verbessert werden. Wenn viele Mikroblutungen bereits auf 1,5 oder auf 3 Tesla sichtbar sind, benötigt der/die PatientIn keine 7-Tesla-MRT-Untersuchung, wenn aber eine Antikoagulantien-Therapie geplant ist, bei bekannter Mikroangiopathie und oft gleichzeitig existierender kardiovaskulärer Pathologie, so muss ausgeschlossen sein, dass eine Mikroblutung existiert, damit die prophylaktische Therapie so individuell angepasst werden kann, dass große intrazerebrale Blutungen verhindert werden. In diesen Fällen ist aufgrund der empfindlicheren Detektionsmöglichkeit die SWI-Sequenz zusätzlich zu machen, da sie wichtig und hilfreich für das weitere Prozedere ist.

Multiple Sklerose

Im Kontext des ersten Auftretens von klinischen Symptomen muss die MRT oft die Verdachtsdiagnose einer multiplen Sklerose bestätigen. Einige Läsionen können jedoch nicht oder nur sehr schlecht mittels einer 1,5- und 3-Tesla-MR-Untersuchung detektiert werden. Das ist dann von Bedeutung, wenn es die einzige Läsion des/der Patienten/-in ist.
Insbesondere kortikale Läsionen sind oft schwer zu detektieren. Die Bildgebung auf 7 Tesla mit erhöhter Auflösung kann in dieser Beziehung erfolgreich sein. Zudem können die anatomischen Strukturen innerhalb der Plaques beinahe mikroskopisch sichtbar gemacht werden. Die typische Lokalisation von Plaques und kleiner Marklagervenen kann mittels SWI-Sequenz deutlich dargestellt werden. Dies hilft in der zusätzlichen radiologischen Differenzialdiagnose zwischen MS-Läsionen und Mikroangiopathien der weißen Substanz.
Mittels SWI können auch kleine Venen und auch Eisenablagerungen innerhalb der Plaques dargestellt werden. Die Darstellung von Eisenakkumulationen in den MS-Plaques gewinnt insofern immer mehr Bedeutung, als – wie kürzlich dargestellt – in der Pathogenese der MS freies Eisen ein möglicher Trigger für eine Freie-Radikalen-Bildung mit konsekutiver mitochondrialer Schädigung sein dürfte und somit der inflammatorische Prozess immer wieder angeheizt wird.

Angiographie

Mit zunehmender Feldstärke werden die T1- Relaxationszeiten länger, was für spezielle MR-Angiographietechniken wie die „Time of flight“-Methode (TOF-Methode) von Vorteil ist. In Kombination mit der viel höheren örtlichen Auflösung können viel feinere Gefäß aufzweigungen bildgebend erreicht werden. Mit dieser Technik ist es nun möglich, sehr kleine Blutgefäße wie die lentikulostriatalen Arterien darzustellen. Auch die perforierenden Arterien mit dem Ursprung aus der Arteria communicans posterior können mittels 7 Tesla sichtbar gemacht werden. Neben den verschiedenen angiographischen Techniken kann auch die MP-RAGE-Sequenz auf 7 Tesla genützt werden, um die intrakraniellen Gefäße sichtbar zu machen. MPRAGE-Sequenz ist eigentlich eine Standard-T1-gewichtete 3-D-Gradientenechosequenz, die für die stark T1-betonte Bildgebung des Gehirns verwendet wird. Mittels dieser Technik ergeben sich im Unterschied zu den Standard-Feldstärken-MRT neue Möglichkeiten in der Diagnose von intrakraniellen vaskulären Veränderungen, da einerseits die Hirngefäße, auch die kleineren Hirnarterien, ohne Kontrastmittel bereits hyperintens imponieren, andererseits die perivaskulären Strukturen gut dargestellt und auf den Rohdatenbildern evaluiert werden können.

Klinisch-funktionelles MRI

Mit der zunehmenden Feldstärke der vorhandenen MRT gewinnt die funktionelle MRI immer mehr an Bedeutung im kognitiven MR-Imaging. Der BOLD-Effekt („Blood Oxygenation Level Dependent“-Effekt) nimmt mit zunehmender Feldstärke deutlich zu, da dieser einerseits von dem höheren Signal-zu-Rausch-Verhältnis und andererseits von der höheren Suszeptibilitätsempfindlichkeit auf 7 Tesla profitieren. Dies ermöglicht es unter anderem, fMRI für die Untersuchung von individuellen Ereignissen einzusetzen, ohne die Notwendigkeit wiederholter aktiver Stimuli im Vergleich zum Ruhezustand, was völlig neue Paradigmen ermöglicht.
Darüber hinaus ist eine signifikant verbesserte örtliche Auflösung möglich, so dass Aktivierungsareale in Millimeterauflösung repräsentiert werden können. Auf Grund der erhöhten BOLD-Sensitivität sind Aktivierungsmaps einzelner PatientInnen mit einer mehr spezifischen, funktionalen Diagnose möglich.
Die häufigste klinische Anwendung von fMRI ist üblicherweise die Repräsentation der kritischen Hirnareale vor einer Tumorresektion. Typischerweise betrifft dies motorische und linguistische Paradigmen, die auf 7 Tesla ähnlich zu niedrigen Feldstärken eingesetzt werden können.
Der Erfolg des fMRI kann auf 7 Tesla deutlich höher sein, besonders bei TumorpatientInnen, da hier das erhöhte Signal eine gute Aktivitätsbeurteilung selbst bei eingeschränkter Patientencompliance ermöglicht.
In einer aktuellen Studie an 17 TumorpatientInnen, die für eine präoperative Lokalisation des primären motorischen Handareals durchgeführt wurde, zeigte der Vergleich zwischen 3- und 7-Tesla-Ergebnissen, die mit identischem Untersuchungsprotokoll und vergleichbarer auf das jeweilige System optimierter Suszeptibilitätssequenz durchgeführt wurden, dass eine signifikant höhere funktionelle Sensitivität auf 7 Tesla erreicht wurde, die sich in mehreren Parametern widerspiegelte, wie z.B. die Prozentsignaländerung, die mittleren T-Werte und die Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisse.

Gehirnmetabolismus

Obwohl die Protonen-MR-Spektroskopie auf 1,5 Tesla durch die FDA (amerikanische Arzneimittelbehörde) vor vielen Jahren bewilligt wurde, hat sie immer noch keine weite klinische Anwendung gefunden. 3-Tesla-MRT hat deutlich geholfen, die Sensitivität und Spezifität der Protonenspektroskopie zu verbessern.
Die drei wichtigen Metaboliten im Gehirn – nämlich N-Acetylaspartat, totales Kreatin und Cholinkomponenten – sind verlässlich zugänglich, während andere wichtige Metaboliten wie myo-Inositol starke Überlappungen mit anderen Metaboliten zeigen und die Aminosäuren Glutamin und Glutamat nicht gut getrennt und daher als Glutamin-Glutamat-Komplex summiert werden müssen, was die Spezifität deutlich limitiert. Darüber hinaus sind GABA- und der Glukosenachweis, aber vor allem deren Quantifizierung, deutlich eingeschränkt. Hier liefert 7 Tesla einen Extra-Anteil an Sensitivität und spektraler Auflösung, um die Spezifität in beiden Richtungen anatomisch (kleinere Voxelgröße) und spektral (die Distanz zwischen den Spitzen auf der Frequenzachse) zu erhöhen. Pathologische Veränderungen sind oft über größere Areale des Gehirns verbreitet, und deshalb ist die spektroskopische Bildgebung (metabolisches Imaging) hilfreicher bei der Diagnose.
Obwohl die Protonen-MR-Spektroskopie des Gehirns auf Ultrahochfeld eine der viel versprechenden Methoden in der Erfassung pathologischer Veränderungen des Hirngewebes ist, sind mehrere technische Herausforderungen zu überwinden. So konnte gezeigt werden, dass ein verbessertes Shimming in höherer Ordnung des Gehirns bei 7 Tesla zu einer deutlichen Verbesserung der Homogenität führt und besonders funktionelle (EPI) und spektroskopische (MRSI) Messungen verbessert.
Einige Gruppen haben auch die Unterdrückung des subkutanen Fettsignals verbessert, während andere den Nachweis spezifischer Aminosäuren optimiert haben; zum Beispiel Glutamin und Glutamat, die in der Epilepsie von Bedeutung sind. Aber auch Taurin und GABA können direkt mittels Protonen-MR-Spektroskopie auf 7 Tesla nachgewiesen werden, und sogar Glycin wird sichtbar.

Hohe örtliche Auflösung: Mittels einer kürzlich entwickelten Methode auf Basis des freien Induktionsabfalls mit einer optimierten Suppression des äußeren Volumens konnte eine hoch auflösende metabolische Bildgebung des Gehirns in klinisch akzeptablen Untersuchungszeiten erreicht werden.
Diese hohe örtliche Auflösung führt zu metabolischen Bildern mit einer exzellenten Trennung von grauer und weißer Substanz im Gehirn mit einer hohen Empfindlichkeit auf Grund von ultrakurzen Echozeiten. Diese hohe örtliche Auflösung reduziert signifikant die Kontamination zwischen Voxeln, die in verschiedenen Gewebetypen lokalisiert sind, reduziert die Linienbreite und erlaubt eine volle Trennung von Glutamin und Glutamat.
Daraus ergeben sich neue klinische Anwendungsmöglichkeiten der Protonen MR-Spektroskopie in der besseren Abgrenzung von Hirntumoren, in der Detektion von epileptogenen Herden und in einer verbesserten metabolischen Bildgebung von MS-Plaques.

Limitationen und technische Weiterentwicklungen

Die Ultrahochfeld-MRT stellt nicht eine lineare Weiterentwicklung der MRT-Technologie dar. Ein großes Problem dabei sind die Hochfrequenzfelder (HF-Felder) für die Anregung der Kernspins, die linear mit der Feldstärke zunehmen. Eine höhere Frequenz führt zu einer kürzeren Wellenlänge, was bei 7 Tesla in einer Wellenlänge in der Größenordnung von Organen resultiert. Diese Wellenphänomene führen zu ungleicher Anregung und inhomogenem Empfang und können in weiterer Folge zu sehr starken Signalintensitätsschwankungen im MRT-Bild führen.
Gleichzeitig bewirkt die Hochfrequenzstrahlung eine nicht zu vernachlässigende Gewebeerwärmung, welche die korrespondierende spezifische Absorptionsrate (SAR) von 4 W/kg Körpergewicht nicht überschreiten darf. Das bedeutet auch, dass Pulssequenzen von 1,5 Tesla oder 3 Tesla nicht einfach auf 7 Tesla portiert werden können, insbesondere wenn es sich um Spinecho oder Turbospinechosequenzen handelt, also Sequenzen, die eine hohe Dichte von energiereichen HF-Pulse anwenden. Ähnliche Überlegungen gelten für Fettsättigungspulse und Magnetisierungstransfer-Sequenzen. Die SAR-Problematik verhindert auch die Anwendung eines bei 3 Tesla üblichen HF-Körperresonators. Zur Reduktion der SAR werden üblicherweise lokale Spulen zur Anregung verwendet.

„Transmit Sense“: Die technologische Gegenstrategie im Kampf mit den Wellenphänomenen lautet derzeit „Transmit Sense“. Dabei wird der Anregungsvorgang anstelle mit einer Spule gleichzeitig mit mehreren kleineren HF-Spulen durchgeführt. Die Vorteile sind eine bessere räumliche Abgrenzung, ein homogeneres Anregungsfeld und eine durch die kürzere Anregungsdauer niedrigere SAR.
Auch wenn Transmit Sense oft noch mit nur 2 Kanälen durchgeführt wird, wird darin eine Schlüsseltechnologie gesehen, mit der man zukünftig wahrscheinlich die Hochfrequenzproblematik in den Griff bekommen wird.
Ein weiterer Aspekt der Hochfeld-MRT ist die Feldstärkeabhängigkeit der Relaxationszeiten. Während sich die transversale Relaxationszeit T2 geringfügig verkürzt, kommt es zu einer signifikanten Zunahme der T1-Relaxationszeit mit zunehmender Feldstärke. Das bedeutet, dass Scanprotokolle von 1,5 Tesla oder 3 Tesla nicht direkt portiert werden können, weil sich neben den SAR-Limitationen auch der Bildkontrast fundamental ändert. T1-gewichtete Sequenzen werden daher ausschließlich als Gradientenecho ausgeführt, weil dieses eine kürzere Aufnahmezeit und eine geringere SAR erlaubt.

Künftiger klinischer Einsatz: Während die Ultrahochfeld-MRT noch weitestgehend ein experimentelles Dasein fristet, zeichnet sich sowohl von der Herstellerseite als auch von der Anwenderseite in naher Zukunft ein klinischer Einsatz dieser Technologie ab. Die Geschwindigkeit der weiteren Entwicklungen wird aber maßgeblich von der Preisentwicklung, der Problematik der Feldabschirmung und dem Aspekt der Patientensicherheit bestimmt werden. Des Weiteren wird sie auch davon abhängen, welche Bereiche von neuen und verbesserten Applikationen profitieren werden können. Hier ist der neuroradiologische Bereich gut positioniert und wird sicherlich von diesen Entwicklungen stark profitieren können.
Die derzeit installierten 7-Tesla-Geräte haben fast ausschließlich eine passive Eisenabschirmung, um das den Magneten umgebende Streufeld abzuschwächen. Diese besteht üblicherweise aus über 100 Tonnen Eisen, was wiederum auf Grund des Gewichts teure baustatische Maßnahmen erfordert. In einem weiteren Entwicklungsschritt haben nun einige Gerätehersteller schon begonnen, aktiv geschirmte Magnete zu entwickeln, die nur noch eine geringe Eisenabschirmung benötigen. Es ist absehbar, dass diese Maßnahme zu geringeren Installationskosten führen wird und gleichzeitig mit neuen Entwicklungen im Bereich HF-Technologie den Einsatz in einem klinisch/radiologischen Umfeld erleichtern wird.

Resümee

Ultrahochfeld-MR auf 7 Tesla erlaubt auf Grund des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses morphologisch eine höhere örtliche Auflösung des Gehirns innerhalb von klinisch akzeptablen Messzeiten. Darüber hinaus kann der BOLD-Effekt sowohl statisch bei SWI als auch dynamisch in der funktionellen MRI signifikant auf 7 Tesla verstärkt und ebenfalls mit einer höheren örtlichen Auflösung kombiniert werden. 7 Tesla erlaubt die Verbesserung der Protonen-MR-Spektroskopie wie auch der metabolischen Bildgebung mit Reduktion an Voxelgröße und Gewinn an spektraler Qualität.

Literatur:
– Ugurbil K, Adriany G, Andersen P et al., Ultrahigh field magnetic resonance imaging and spectroscopy. Magn Reson Imaging 2003; 21(10):1263–81.
– Tkac I, Andersen P, Adriany G, Merkle H, Ugurbil K, Gruetter R, In vivo 1H NMR spectroscopy of the human brain at 7 T. Magn Reson Med 2001; 46(3):451–6.
– Yacoub E, Shmuel A, Pfeuffer J et al., Imaging brain function in humans at 7 Tesla. Magn Reson Med 2001; 45(4):588–94.

Weitere Literatur bei den Verfassern