Die differenzierte Beurteilung von Gasaustauschprozessen, Lungenzirkulation sowie die Erkennung struktureller Veränderungen sind wesentlich für die Therapie von Patienten mit Mukoviszidose (zystische Fibrose, CF). Klinische Lungenfunktionstests sind oft nicht hinreichend spezifisch sowie häufig nicht durchführbar.
Radiologische Standardverfahren
Standardverfahren in der Lungendiagnostik sind die konventionell radiologische Thoraxbildgebung und die Computertomographie (CT) zur morphologischen Darstellung. In aktuellen Studien wird zur strukturellen Darstellung der Lunge zusätzlich die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet. Die funktionelle Bildgebung ist vorerst nur auf spezialisierte Zentren beschränkt.
Methodische Innovationen
Zur Darstellung der Lungenventilation stehen die MRT mit hyperpolarisierten Gasen und die Fourier-Dekompositions/Matrix-Pencil-MRT (FD/MP-MRT) zur Verfügung. Zur Perfusionsbestimmung können u. a. die dynamische kontrastmittelverstärkte MRT (DCE-MRT) oder kontrastmittelfreie Methoden wie die FD-MRT angewendet werden.
Leistungsfähigkeit
Die funktionelle MRT erlaubt einen genaueren Einblick in die Pathophysiologie der Lungenfunktion auf regionaler Ebene. Vorteile gegenüber den röntgenbasierten Verfahren sind die fehlende Strahlenbelastung, die Vielzahl der über verschiedene Kontraste zugänglichen Parameter der Lungenfunktion sowie die gute Wiederholbarkeit.
Bewertung
Funktionelle Messungen sind insbesondere zur frühzeitigen Erkennung von Lungenfunktionseinschränkungen unabdingbar. Ausreichende Erfahrungen in der klinischen Anwendung bei CF existieren nur für bestimmte MRT-Verfahren.
Empfehlung für die Praxis
Ein klinischer Einsatz der genannten Verfahren sollte mit Ausnahme der DCE-MRT nur innerhalb von Studien erfolgen.
Edward Weibel ist einer der Gründer und Pioniere der strukturellen Grundlagenphysiologie der Lunge. Vor allem bewegten ihn die Fragen: „What makes a good lung?“ [1] und „What on the structure of the lung would be of interest to physiologists?“ [2]. Anhand der ersten morphologischen Daten beschrieb er als Erster die wichtigsten Bauelemente, die eine gesunde Lunge ausmachen:
eine große Oberfläche für einen maximalen Luft-Blut-Kontakt,
eine dünne Schicht für eine adäquate Sauerstoffaufnahme, den alveolaren Surfactant,
eine hierarchische Ordnung der Lungenarchitektur.
Die genannten Bedingungen ermöglichen eine homogene Belüftung mit einem konsekutiven Gasaustausch in den gasaustauschenden Atemwegen.
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Die Mukoviszidose (zystische Fibrose, CF) ist eine angeborene Stoffwechselerkrankung, die insbesondere mit Pathologien in den kleinen Atemwegen einhergeht. Mit einer Inzidenz von 1:2500 ist sie eine der häufigsten Stoffwechselerkrankungen bei Neugeborenen der kaukasischen Bevölkerung in Europa. Die Gefahr dieser Erkrankung besteht in einer Verzögerung der normalen Lungenentwicklung und des Lungenwachstums, indem häufig schon vor klinischen Symptomen Ventilationsinhomogenitäten oder Bronchiektasien sichtbar sind [3]. Später kann dies bei wiederholten Infektionen zu schweren Atemwegserkrankungen führen, was einer der Hauptgründe für die verminderte Lebenserwartung ist. Ein wichtiges Ziel in der Pädiatrie ist es, diese Lungenveränderungen frühzeitig nachzuweisen und eine Verschlimmerung zu verhindern (s. Beitrag von M. Stahl et al. in dieser Ausgabe). Durch die Einführung des CF-Neugeborenenscreenings stieg der Bedarf einer frühzeitigen Erfassung von Veränderungen mittels einer strahlenfreien und nichtinvasiven Technik. Für Kliniker, die Patienten mit CF betreuen, ist es eine der größten Herausforderungen, so frühzeitig und sensitiv wie möglich die oft asymptomatischen kleinen Atemwegsveränderungen nachzuweisen. Für die klinische Diagnostik sind gerade translationale Studienansätze, wie z. B. die Kombination aus Lungenfunktionstests und bildgebenden Verfahren, essenziell, um einen möglichst großen Bereich dieser Lungenerkrankung zu erfassen.
Konventionelle Lungenfunktionstests wie die Spirometrie erlauben die Beurteilung der Lungenvolumina und eine Differenzierung zwischen obstruktiven und restriktiven Ventilationsstörungen, setzen aber die Durchführung forcierter Atemmanöver voraus. Sensitive Lungenfunktionstests wie Gasauswaschverfahren, z. B. der Stickstoffmehrfachgasauswaschtest (N2-MBW), gewinnen zunehmend an Bedeutung, insbesondere zur frühzeitigen Erkennung von Veränderungen in den kleinen Atemwegen. Der N2-MBW ist ein leicht durchführbarer Lungenfunktionstest in Atemruhelage. In verschiedenen Studien wurden seine Sensitivität zur Erkennung von Ventilationsinhomogenitäten bei unterschiedlichen Atemwegserkrankungen sowie seine Reproduzierbarkeit gezeigt [4‐8].
Der Hauptparameter ist der Lung Clearance Index (LCI), welcher die globalen Ventilationsinhomogenitäten der Lunge aufzeigt. Dieser Test wird in spezialisierten Zentren im klinischen Alltag angewendet.
Bildgebende Verfahren zur Beurteilung der regionalen Funktion der Lunge bei Patienten mit CF sind ebenfalls ein wichtiger Bestandteil im Management dieser Lungenerkrankung: Sie erlauben einen genaueren Einblick in pathophysiologische Prozesse auf regionaler Ebene und gestatten eine nichtinvasive Beurteilung von Krankheitsaktivität und therapeutischen Effekten im Verlauf.
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Gerade die Möglichkeit, Messungen wiederholt oder in dynamischer, zeitlich aufgelöster Form durchzuführen, stellt einen besonderen Vorteil der Magnetresonanztomographie (MRT) im Hinblick auf die Darstellung der Lungenfunktion dar. Dabei gestattet diese die Messung einer Vielzahl von Parametern der Lungenfunktion nicht nur global, sondern auch regional, wie z. B. Lungenvolumina, Parameter der respiratorischen Dynamik und Parameter der regionalen Lungenfunktion wie Ventilation, Perfusion und Diffusion. Dieser Artikel gibt einen Überblick darüber, welche innovativen Methoden der MRT zur funktionellen Beurteilung der Lunge bei CF bereits in der Wissenschaft erprobt wurden und diskutiert die Möglichkeiten dieser Verfahren im klinischen Alltag.
MRT mit hyperpolarisierten Edelgasen
Neben dem Wasserstoffkern unterliegen mehrere weitere Kerne mit Kernspin ungleich Null dem Phänomen der Magnetresonanz. Besonders geeignet zur Darstellung der Atemwege und Lunge sind dabei die inerten Edelgase 3He und 129Xe. Grundlage dieser Technik ist die Polarisierung des Kernspins dieser Edelgase, die mittels der Anwendung von Lasern unter hoher Ausbeute erfolgen kann. Bei der Hyperpolarisation kann das MR-Signal um das etwa 10.000-Fache erhöht werden. Da die erzeugte Magnetisierung relativ rasch zerfällt, kann das hyperpolarisierte Gas nur für einen kurzen Zeitraum von wenigen Tagen gespeichert und nur über begrenzte Distanzen transportiert werden. Sind die technischen Voraussetzungen jedoch erfüllt, ermöglicht die Methodik eine statische und dynamische Abbildung der Lungenventilation in hervorragender Bildqualität.
3He-MRT
Hyperpolarisiertes 3He wird der untersuchten Person während der Untersuchung im Gemisch mit Stickstoff als inhalierbarer Gas-Tracer zugeführt. Bei Verabreichung im Gemisch mit O2 ist eine Darstellung des alveolären Sauerstoff-Partialdrucks möglich [9]. Die Datenakquisition erfolgt üblicherweise durch schnelle 2‑D- oder 3‑D-Gradientenechosequenzen vom Typ Fast Low Angle Shot (FLASH) oder balanced Steady-State Free Precession (bSSFP). Es werden Feldstärken von 1,5 oder 3 T verwendet. Auch eine Beurteilung von Diffusionsprozessen ist mit dieser Methode möglich [10].
Publizierte Studien zur klinischen Anwendung von hyperpolarisiertem 3He bei der CF sind aktuell noch auf eine geringe Anzahl an Patienten beschränkt [11]. Eine Querschnittstudie verglich bei erwachsenen Patienten mit CF die Computertomographie (CT), 3He-MRT und Spirometrie miteinander. Dafür verwendeten die Autoren als Hauptparameter ein bekanntes CF-spezifisches CT-Scoring sowie Obstruktionsparameter der Spirometrie und verglichen diese mit der 3He-MRT, welche typischerweise eine fleckförmig inhomogene Anreicherung und ein zeitlich unregelmäßiges Anfluten der Untersuchungssubstanz aufzeigt (Abb. 1). Die Autoren zeigten, dass die Hauptparameter dieser drei unterschiedlichen Methoden miteinander korrelierten und das 3He-MRT somit eine mindestens vergleichbare diagnostische Aussagekraft zu den Referenzverfahren aufzeigt [12].
Abb. 1
Vergleich von am selben Tag aufgenommenen Ventilationsaufnahmen mit 129Xe und 3He bei 2 Patienten mit zystischer Fibrose (CF). Während sich bei Patient A mit beiden Verfahren ein vergleichbares Bild zeigt (weiße Pfeile), sind die Ventilationsdefekte bei Patient B in den Aufnahmen mit 129Xe deutlich stärker ausgeprägt als in denen mit 3He (gelbe Pfeile). Begründet wird der Effekt mit den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden Edelgase. (Aus [15] mit freundlicher Genehmigung von John Wiley and Sons)
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Zur longitudinalen Beurteilung der CF mittels 3He-MRT liegen mehrere publizierte Daten vor. So zeigte eine Studie bei Patienten mit stabilem klinischem Krankheitsverlauf eine gute Reproduzierbarkeit des Ventilationsparameters aus der 3He-MRT im Verlauf von 4 Wochen [13]. Eine weitere longitudinale Studie an wenigen Kindern und Jugendlichen mit CF zeigte innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 2 Jahren konstante Lungenfunktionsmessungen in der Spirometrie, während in den Gasauswaschverfahren wenige Kinder und Jugendliche Veränderungen aufwiesen. Im Gegensatz dazu zeigte die 3He-MRT im longitudinalen Verlauf frühzeitig Veränderungen der Ventilationsinhomogenität und war somit sensitiver als die herkömmlichen Lungenfunktionsmessungen [14]. Die Autoren erklären dies damit, dass funktionelle 3He-MRT-Verfahren Veränderungen gerade in den kleinen Atemwegen sensitiver nachweisen als herkömmliche, globale Lungenfunktionstests. Einer der Hauptgründe für diesen Unterschied ist, dass bei den Lungenfunktionsmessungen wie z. B. N2-MBW-Bereiche, welche nicht ventiliert sind, nicht als Ventilationsinhomogenität erfasst und damit quasi von der Lungenfunktionsmessung ausgeschlossen werden. Dahingegen rechnet die 3He-MRT-Methode diese Bereiche zu den Ventilationsinhomogenitäten hinzu und erfasst somit gerade minderbelüftete Bereiche des Lungenparenchyms.
Eine weitere Studie in diesem Bereich untersuchte schließlich die Erkennung von Therapieeffekten mit der 3He-MRT-Methode. Hierbei wurde bei einer geringen Anzahl von Patienten mit CF die 3He-MRT vor und nach der Inhalation eines Bronchiodilatators durchgeführt. Die Studie zeigte, dass eine kleine, aber statistisch signifikante Zahl von Patienten nach der Anwendung von Bronchiodilatoren weniger Ventilationsdefekte aufzeigte als zuvor [11].
129Xe-MRT
Das zweite, für die Ventilationsdarstellung im MRT nutzbare Edelgas, 129Xe, hat gegenüber dem 3He den Vorteil einer besseren biologischen Verfügbarkeit. Ein besonderes Merkmal des Xenons ist seine hohe Löslichkeit in Blut und Geweben, wobei die chemische Verschiebung zwischen den Resonanzfrequenzen des gelösten und gasförmigen 129Xe eine getrennte Darstellung von Gasphase und gelöster Phase möglich macht [15]. Durch Nutzung der Diffusionseigenschaften des Xenons können zudem mikrostrukturelle Parameter wie das Alveolarvolumen bestimmt werden und neben den Ventilationsinhomogenitäten auch Diffusionseinschränkungen (Blut-Gas-Schranke) erfasst werden [16‐18].
Da das 129Xe eine anästhetische Wirkung besitzt, was eine Überwachung der Sauerstoffsättigung im Blut erforderlich macht, wurde auch in Bezug auf die Anwendung bei Kindern und Jugendlichen mit CF zunächst die Durchführbarkeit, Sicherheit und Verträglichkeit dieser MRT-Methode untersucht [19]. Hierbei wurden jeweils 17 gesunde Kinder und Jugendliche sowie 11 mit CF eingeschlossen. In beiden Gruppen wurden die Pulsrate und die Sauerstoffsättigung nach der Inhalation von Xenon gemessen. Einen und 30 Tage nach der Untersuchung wurde jeweils ein Telefonat durchgeführt, um unerwünschte Nebenwirkungen zu erfassen. Zusammenfassend konnte eine kurzfristige, vollständig reversible Veränderung der Pulsrate sowie der Sauerstoffsättigung gesehen werden. Es wurden kurzfristige, milde jedoch vollständig reversible Begleiterscheinungen beobachtet, welche auf die anästhetische Wirkung des Xenons zurückzuführen waren.
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Eine weitere Studie im Bereich der CF untersuchte bei 11 gesunden Kindern und Jugendlichen sowie 11 mit einer milden Form der CF die Lungenventilation. Bei allen Probanden und Patienten wurden jeweils eine Spirometrie und die 129Xe-MRT am gleichen Tag durchgeführt. Hierbei zeigten die Autoren, dass zum einen die 129Xe-MRT eine höhere Spezifität aufwies und zum anderen einzelne Patienten mit CF trotz unauffälliger Werte in der Spirometrie bereits Ventilationsinhomogenitäten in der MRT-Untersuchung zeigten [20]. Weitere CF-spezifische Studien mit 129Xe-MRT zeigen eine hohe Sensitivität in der Erkennung minderbelüfteter Regionen in der Lunge sowie eine gute Korrelation mit Lungenfunktionsparametern [21, 22]. Eine aktuelle Studie untersuchte bei 15 Kindern und Jugendlichen mit CF während einer Exazerbation das Ansprechen auf eine Antibiotikatherapie mithilfe von 129Xe-MRT, Spirometrie und der N2-MBW-Methode. Es konnte deutlich gezeigt werden, dass sich in allen Modalitäten die Lungenfunktionsparameter verbesserten. Anhand der 129Xe-MRT-Daten war der Effekt indes am deutlichsten nachweisbar [17].
Zusammengefasst ist die Anwendung der MRT mit hyperpolarisierten Gasen auf spezialisierte Zentren beschränkt. Ein Grund sind die hohen Material- und Anschaffungskosten. Daneben ist die Durchführbarkeit bei kleinen Kindern durch die Compliance eingeschränkt, obwohl gerade diese von einer Früherkennung der Ventilationsinhomogenitäten profitieren würden. Wie zu Anfang beschrieben, ist das Zusammenspiel der Blut-Luft-Schranke von immenser Bedeutung bei der Entstehung und Diagnostik der CF-Erkrankung. Durch die pathophysiologische Grundlage des Euler-Liljestrand-Mechanismus ist bekannt, dass Bereiche in der Lunge, welche nicht ventiliert werden, auch nicht oder vermindert perfundiert werden. Obstruktive Erkrankungen wie die CF manifestieren sich dabei durch Atelektasen, Bronchiektasen und Konsolidierungen, welche nicht bei Lungenfunktionstests, wohl aber mit bildgebenden Verfahren unterschieden werden können.
Die dynamische kontrastmittelverstärkte MRT (DCE-MRT) ist die in der klinischen Routine am besten etablierte und am häufigsten verwendete Methode zur Darstellung der regionalen Perfusion des menschlichen Körpers. Das Grundprinzip dieser Technik ist die zeitaufgelöste Datenakquisition mit einer Gradienten-Echo-Pulssequenz nach intravenöser Applikation eines paramagnetischen Kontrastmittels. Die Erhöhung der lokalen Kontrastmittelkonzentration führt im betreffenden Gewebe zu einer Verkürzung der T1-Relaxationszeit und somit zu einem Signalanstieg im T1-gewichteten Bild. T1-gewichtete, zeitaufgelöste Sequenzen mit 3‑D-Aufnahmetechnik ermöglichen die Darstellung der Signaländerung durch das Kontrastmittel im gesamten Thorax als Funktion der Zeit. Die Daten werden entweder visuell, semiquantitativ durch deskriptive Parameter oder quantitativ ausgewertet, basierend auf mathematischen Modellen der Kontrastmittelkinetik. Die visuelle Beurteilung erfolgt meist nach Berechnung eines Subtraktionsdatensatzes, der aus einer einfachen Subtraktion der Daten vor Kontrastmittelapplikation von denen zum Zeitpunkt des Maximums der Kontrastmittelanreicherung resultiert. Regionen mit reduzierter Perfusion demarkieren sich dabei als Areale mit vermindertem Signal (Abb. 2). Die Subtraktionsmethode ist einfach, benötigt keine zusätzliche Software und kann direkt auf dem MRT-Scanner durchgeführt werden, vernachlässigt jedoch einen Teil der in den dynamischen Daten enthaltenen, zeitlichen Informationen.
Abb. 2
Magnetresonanztomographie (MRT) einer 29-jährigen Patientin mit zystischer Fibrose (CF). Die T2-gewichtete BLADE (a) und 3‑D-GRE-VIBE (b) zeigen schwere Bronchiektasien (<) mit Bronchialwandverdickung (→) und „mucus plugs“ (∆), einen minimalen Pleuraerguss und eine fortgeschrittene strukturelle Zerstörung des Lungenmittellappens. Das Subtraktionsbild (c) der DCE-MRT-Aufnahme (dynamische kontrastmittelverstärkte MRT) zeigt ein stark verändertes Perfusionsmuster mit vielen minderperfundierten Bereichen (*). Die semiquantitative Karte der maximalen Signalamplitude (MAX-Karte; hohe Werte – rot, niedrige Werte – blau; d) und der Zeit bis zum Erreichen des Konzentrationsmaximums („time to peak“, TTP-Karte) ermöglichen eine weitere Charakterisierung der Perfusionsstörung. Die meisten Bereiche mit eingeschränkter Perfusion korrespondieren mit Bereichen mit reduzierten Werten auf der MAX-Karte und verzögerter Perfusion auf der TTP-Karte. Im linken Oberlappen befindet sich ein Defekt mit reduzierter, aber nicht verzögerter Perfusion (Pfeil). (Aus [29])
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Bei der semiquantitativen Analyse werden zusätzliche Parameter wie die Steigung des initialen Signalanstiegs, die maximale Signalsteigerung, die Zeit bis zum Erreichen der maximalen Signalsteigerung („time to peak“) und die Ankunftszeit des Bolus berechnet [23]. Die semiquantitative Methode findet z. B. eine Anwendung bei der räumlichen Darstellung der Lungenbereiche mit verzögerter Perfusion, wie in Abb. 2e dargestellt. Für die quantitative Bestimmung der Parameter „pulmonales Blutvolumen“ (PBV), „pulmonaler Blutfluss“ (PBF) und „mittlere Transitzeit“ (MTT) sind komplexere Analysen des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelanreicherung mit Hilfe der Indikatordilutionstheorie erforderlich [24], sodass diese in der Praxis eher selten durchgeführt wird. Zudem ist der hierbei vorausgesetzte lineare Zusammenhang zwischen der lokalen Kontrastmittelkonzentration und der gemessenen Signalintensität nur bei geringen Kontrastmittelkonzentrationen mit hinreichender Genauigkeit erfüllt [25]. Für die Akquisition von DCE-MRT-Daten werden schnelle 3‑D-Gradientenecho-Sequenzen verwendet, welche Dank paralleler Bildgebung und sog. View-sharing-Techniken eine sehr gute räumliche und zeitliche Auflösung bieten (z. B. 1,5 × 1,5 × 5 mm und 1–2 komplette Datensätze/s). Der erste Teil der Aufnahme wird in einem Atemanhaltmanöver durchgeführt. Bei der Anwendung der gadoliniumhaltigen Kontrastmittel gehören allergische Reaktionen und die seltene Gefahr der Induktion einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei Patienten mit stark eingeschränkter Nierenfunktion sowie, insbesondere bei wiederholter Anwendung, intrakranielle Gadoliniumablagerungen zu den möglichen Risiken, die Beachtung finden sollten [26‐28].
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Die DCE-MRT ist bisher die am besten validierte Methode der funktionellen Lungen-MRT und wurde ausführlich gegenüber den Standardverfahren wie Szintigraphie, SPECT (Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie) und CT validiert. Die Technik spielt bei der Früherkennung und dem Therapiemonitoring der Patienten mit CF eine wichtige Rolle [29]. Erste vielversprechende Studien zu dynamischen Kontrastmittelverfahren der MRT-Diagnostik zeigten eine gute Durchführbarkeit der Methode bei Kindern und Jugendlichen mit CF. Hierbei konnten bei 11 Kindern und Jugendlichen mit CF regelrecht perfundierte von funktionsgeminderten Lungenanteilen unterschieden werden. Diese Studie verdeutlichte nochmals das mögliche Potenzial der Methode z. B. im Therapiemonitoring [30]. Eine weitere Studie entwickelte aufgrund der morphologischen und funktionellen MRT-Daten den Eichinger-Score, welcher speziell bei CF-Kindern die wesentlichen Merkmale der Lungenveränderungen zusammenfasst. Dieser Score ist einer der Hauptparameter bei verschiedenen CF-Studien und ermöglicht eine detaillierte Beschreibung morphologischer und funktioneller Perfusionsveränderungen der CF-Patienten [31]. Weitere Studien zeigten die hohe Sensitivität zur Erkennung von Lungenperfusionseinschränkungen mittels DCE-MRT [32]. Interessanterweise zeigten Perfusionsparameter einen statistisch signifikanten Zusammenhang mit herkömmlichen Lungenfunktionsparametern, ermöglichten darüber hinaus aber eine räumliche Darstellung der betroffenen Areale. Weitere Studien in diesem Bereich zeigten in der MRT bei Patienten mit CF während einer Exazerbation einen deutlichen Therapieeffekt nach Antibiotikatherapie [5, 33].
Sauerstoffverstärkte MRT
Die sauerstoffverstärkte MRT ist eine weitere Methode in der funktionellen Lungenbildgebung. Als Kontrast wird molekularer Sauerstoff verwendet, welcher schwache paramagnetische Eigenschaften besitzt. Die Methode basiert auf zwei unterschiedlichen T1-gewichteten Bildern: Zum einen werden Aufnahmen während normoxämer Atmung und zum anderen während hyperöxämer Atmung durchgeführt. Eine erhöhte Konzentration führt zu einer Verkürzung der T1-Zeit und somit zur Signalanhebung auf T1-gewichteten Bildern. Aus den während der Inhalation verschiedener O2-Konzentrationen erstellten T1-Maps können Sauerstofftransferfunktionen (OTF) als Maß des lokalen Sauerstofftransports erstellt werden [34]. Eine wichtige Limitation dieser Methode ist die nicht vollständige Abbildung des gesamten Lungenvolumens und eine lange Aufnahmezeit. Oft werden diese Aufnahmen mit 3‑D-Ultra-Short-Echo (UTE) kombiniert um die „signal noise ratio“ zu verbessern, während das ganze Lungenvolumen aufgenommen wird und kardiale Bewegungen signifikant reduziert werden. Kürzlich erschienene Studien bei Patienten mit Mukoviszidose zeigten bei den T1-Maps eine reduzierte Diffusionskapazität und einen eingeschränkten Sauerstofftransport [35, 36].
Kontrastmittelfreie Methoden
Alle der o. g. Methoden zur Beurteilung der Lungenfunktion benötigen die Verwendung eines extrinsischen Kontrastmittels (intravenös) oder Tracers (inhalativ). Zudem muss bei den meisten Methoden ein Atemanhaltemanöver durchgeführt werden. Da dies gerade für die junge und sensible Patientengruppe der CF-Patienten sehr relevante Nachteile sind, stellen neuartige alternative Bildgebungsmethoden, die ohne Kontrastmittel und in freier Atmung durchgeführt werden können, in diesem Kontext potenziell einen großen Gewinn dar.
Eine der neusten Entwicklungen auf dem Gebiet der funktionellen Lungen-MRT ist die Matrix-Pencil-MRT (MP-MRT), die auch in ihrer früherer Form als Fourier-Dekompositions-MRT bekannt ist [37, 38]. Die MP-MRT ist in der Lage, ohne Verwendung von Kontrastmitteln oder Gastracer sowohl ventilationsgewichtete als auch perfusionsgewichtete Informationen simultan aus der Akquisition eines zeitaufgelösten Multischicht-2-D-Datensatzes zu generieren. Die Datenaufnahme findet bei freier Atmung statt, sodass eine spezifische Kooperation des Patienten in Form von Atemstoppmanövern nicht notwendig ist. Als Pulssequenz wird eine zeitaufgelöste 2‑D ultra-fast Steady State Free Precession (ufSSFP) verwendet, welche zur Maximierung des Signals mit einer asymmetrischen Echoauslesung, einer sehr kurzen Repetitionszeit von etwa 1,5 ms und paralleler Bildgebung ausgestattet ist. Nach einer initialen Korrektur der Atembewegung durch Registrierung auf ein Referenzbild [39] wird die Lunge auf den Bildern durch den Einsatz von auf KI (künstlicher Intelligenz) basierten Nachbearbeitungsverfahren automatisch detektiert und segmentiert. Die Signalintensität jedes Voxels im resultierenden, registrierten Datensatz ist sowohl durch die Atmung als auch die Pulsationen des Herzschlags periodisch moduliert, wobei sich jeweils in Exspiration bzw. während der Systole ein Signalanstieg registrieren lässt. Die Amplituden der beiden durch Atmung und Puls bestimmten Signalanteile können durch eine Frequenzanalyse Pixel für Pixel separiert und in Form perfusions- und ventilationsgewichteter Karten wiedergegeben werden (Abb. 3). Auch eine absolute Quantifizierung der Lungenperfusion und der Blutankunftszeit („blood arrival time“) ist möglich [38, 40]. Die MP-MRT ist problemlos auf herkömmlichen MRT-Geräten der klinischen Routine implementierbar. Wegen der physikalischen Eigenschaften der Lunge und technischer Aspekte der ufSSFP-Bildgebung wird die Magnetfeldstärke von 1,5 T bevorzugt. Der Zeitaufwand für die Untersuchung beläuft sich in Abhängigkeit von der Anzahl der gemessenen Schichten auf 5–10 min.
Abb. 3
Im Abstand von 24 h aufgenommene Daten der Fourier-Dekompositions/Matrix-Pencil-Magnetresonanztomographie (FD/MP-MRT) eines 15-jährigen Mädchens mit moderat ausgeprägter zystischer Fibrose (CF). Normales FEV1, erhöhter Lung Clearance Index (LCI). Die an den beiden Zeitpunkten akquirierten Parameterkarten der fraktionellen Ventilation (FV; a, b) und relativen Perfusion (Q; c, d) zeigen übereinstimmend ausgedehnte Areale mit verminderten Signalwerten. Die Größe der Regionen mit eingeschränkter FV (blaue Areale in e und f) und Q (rote Areale in g und h) kann dabei mittels Schwellenwertberechnungen durch Masken quantifiziert und auf die morphologischen Bilder überlagert werden. Für die globale Funktionseinschränkung relativ zum Gesamtvolumen der Lunge ergaben sich bei der ersten und zweiten Visite die Werte RFV = 32 % und RQ = 28,7 % bzw. RFV = 29,9 % und RQ = 29 %, was die hohe Konstanz der Parameterkarten demonstriert. Die Werte für FEV1 (als z‑score) lagen bei − 1,32 und − 1,39, die LCI-Werte bei 13,1 und 12,6. (Aus [43] mit freundlicher Genehmigung von Elsevier)
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Die FD-MRT wurde in Großtierversuchen gegenüber der Ventilations‑/Perfusions-SPECT (Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie) und hyperpolarisierten 3He-MRT als Referenzstandard validiert [39, 41]. Inzwischen liegen aber auch weitreichende klinische Daten zur Anwendung bei CF vor. Die Durchführbarkeit und der Vergleich der funktionellen MRT-Parameter mit herkömmlicher Lungenfunktionsdiagnostik wurden in verschiedenen Arbeiten gezeigt. In einer Studie bei 12 gesunden Kindern und Jugendlichen und 40 Kindern mit CF wurden am gleichen Tag sowohl verschiedene Lungenfunktionstests als auch ein strukturelles MRT sowie ein FD-MRT durchgeführt. Hierbei erwies sich, dass gesunde Kinder sowohl in der Ventilation als auch in der Perfusion, anders als Kinder und Jugendliche mit CF, kaum Veränderungen zeigten. Des Weiteren konnte eine starke Korrelation zwischen am Mund gemessenen Lungenfunktionsparametern vom N2-MBW und Perfusions- und Ventilationsinhomogenitäten in der MRT-Diagnostik der Lunge gezeigt werden [42]. Eine weitere Studie mit 23 Kindern und Jugendlichen mit CF und 12 gesunden Kindern konnte eine gute Reproduzierbarkeit der funktionellen MRT-Parameter und der Lungenfunktionsmessung innerhalb von 24 h zeigen. Insbesondere wurde hierbei gezeigt, dass nach 24 h dieselben Anteile der Lunge Perfusions- und Ventilationsinhomogenitäten aufzeigten wie in der Erstuntersuchung. Zusätzlich wurde an beiden Tagen eine Korrelation der Lungenfunktion mit den funktionellen MRT-Parametern bestätigt [43].
Fazit für die Praxis
Motiviert durch wissenschaftliche Fragestellungen zur Pathophysiologie der zystischen Fibrose wurde eine Vielzahl von Methoden der funktionellen MRT entwickelt, die zum Teil bereits klinische Anwendungsreife erlangt haben.
Zur Darstellung der Ventilation stehen die MRT mit hyperpolarisierten Gasen (3He, 129Xe) und die MP-MRT zur Verfügung.
Zur Darstellung der Perfusion kann die DCE-MRT und als kontrastmittelfreie Alternative die MP-MRT verwendet werden.
Die Vielfalt der damit zugänglichen Parameter der Lungenfunktion ergänzt die Informationen der morphologischen MRT in idealer Weise bei gleichermaßen patientenschonender Anwendung.
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt
S. Nyilas, G. Bauman und G. Sommer geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.
Open Access. Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
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