Anatomische und funktionelle Magnetresonanztomographie der menschlichen Lunge

• Main Author: Wang, Tungte
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2004
• Subjects: Lungenfunktionsprüfung; NMR-Tomographie; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/1261; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14867; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14867; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/1261/Dissertation_TungteWang.pdf

Zur Beurteilung der Lungenanatomie wurde das MT-STIR-Verfahren vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass das MT-STIR-Verfahren das störende Signal des umgebenden Muskelgewebes effektiv unterdrückt und damit die Visualisierung des Lungenparenchyms verbessert. Im Vergleich zu konventionellen anatomischen 1H-MR-Verfahren wie IR- und MIR-Verfahren erhöht das MT-STIR-Verfahren das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) des Lungenparenchyms signifikant und vermeidet den Signalausfall des Lungenparenchyms aufgrund der pathologischen Verkürzung der Lungen-T1-Relaxationszeit auf ca. 900 ms wie bei Patienten mit Mukoviszidose (CF), so dass sowohl große Lungenperfusionsdefekte in Patienten mit CF als auch kleine ungefährliche Lungenentzündungen in „gesunden“ Probanden durch das MT-STIR-Verfahren gut dargestellt werden können. Für die indirekte, aber quantitative Beurteilung der Lungenventilation wurde die oben genannte schnelle quantitative Lungen-T1-Mapping-Technik während der Inhalation eines Atemgasgemisches mit verschiedenen O2-Konzentrationen (21%, 40%, 60%, 80% und 100%) eingesetzt. Dabei ist im Blut physikalisch gelöster Sauerstoff leicht paramagnetisch und dient als Blut-T1-verkürzendes MR-Kontrastmittel (KM). In der Lunge ist das Blut die Hauptquelle des freien Wassers, so dass Lungen-T1-Werte nach dem Zwei-Kompartimente-Schnellaustausch-Modell der Lungen-T1-Relaxationszeit durch den Blut-T1-Wert beeinflusst werden. Die zugehörige Theorie, ein O2-gestütztes Lungen-T1-Modell, wurde aus der Lungenphysiologie und den T1-Relaxationsmechanismen hergeleitet und zeigt, dass bei Probanden die Lungen-T1-Verkürzung von 21% O2 zu 100% O2 ca. 11% beträgt und die Beziehung zwischen dem Lungen-R1 (= 1/T1)-Wert und der inhalierten O2-Konzentration linear mit einer Steigung von 0,12 1/s und einem R1-Achsenabschnitt von 0,70 1/s ist. Die Steigung wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit als oxygen transfer function (OTF) definiert und ist vom gasaustauschbestimmenden Ventilations-Perfusions- und Diffusions-Perfusions-Verhältnis abhängig, so dass sie praktisch ein Maß für den pulmonalen Gasaustausch darstellt. Experimentell wurde gezeigt, dass Lungen-T1-Werte bei 100% O2 um 10% kürzer als bei 21% O2 sind, was gut mit dem O2-gestützten Lungen-T1-Modell übereinstimmt. Weiterhin wurde die OTF dadurch bestimmt, dass die gemessenen Lungen-R1-Werte gegen die inhalierte O2-Konzentration aufgetragen wurden und eine Gerade an die Messpunkte angepasst wurde. Gesundes Lungenparenchym von Probanden und gut perfundiertes Lungenparenchym von Patienten mit CF zeigten OTF-Werte zwischen 0,10 und 0,14 1/s, R1-Achsenabschnitte zwischen 0,70 und 0,80 1/s und ausgezeichnete Korrelationskoeffizienten von annähernd 1,00, was mit dem O2-gestützten Lungen-T1-Modell übereinstimmt. Schlecht perfundiertes Lungenparenchym von Patienten mit CF zeigte eindeutig erniedrigte OTF-Werte, erhöhte R1-Achsenabschnitte und schlechte Korrelationskoeffizienten. Das O2-gestützte Lungen-T1-Mapping-Verfahren zeigt eine hohe Reproduzierbarkeit. Zur Beurteilung der Lungenperfusion wurde eine quantitative Perfusionsmapping-Technik mittels Protonen-Spin-Labeling, ohne Verwendung eines intravenösen Kontrastmittels wie Gadolinium (Gd)-DTPA, vorgestellt. Aus einer nicht-schichtselektiven (globalen) T1-Map und einer schichtselektiven T1-Map derselben Lungenschicht, die jeweils mit der oben genannten schnellen quantitativen Lungen-T1-Mapping-Technik akquiriert wurde, wurde eine Perfusionamap berechnet, wobei jedes Pixel in der Perfusionsmap eine Perfusionsrate in Einheiten von m&#61548;/100g/min hat. Es wurde demonstriert, dass die hintere coronale Lungenschicht eine höhere Perfusionsrate als die vordere coronale Lungenschicht desselben Probanden hatte, als er in Rückenlage gemessen wurde, was den Gravitationseffekt auf die Lungenperfusion bestätigt. Die berechneten Perfusionsraten des gut perfundierten Lungenparenchyms von Probanden und von Patienten mit CF lagen zwischen 400 und 600 m&#61548;/100g/min, die gut mit dem Literaturwert übereinstimmen. Die berechneten Perfusionsraten des schlecht perfundierten Lungenparenchyms von Patienten mit CF waren niedriger als 200 m&#61548;/100g/min. Die Spin-Labeling-Technik zeigte eine hohe Reproduzierbarkeit und niedrige relative Fehler der berechneten Perfusionsraten. === The purpose of this doctoral thesis is to develop noninvasive and clinically feasible methods for assessment of pulmonary anatomy, pulmonary function and cardiac shunts in the human using proton magnetic resonance imaging (1H MRI). All imaging experiments were performed on a commercial 1.5-T whole-body MR scanner. In Chapter 2, an efficient tissue suppression technique is presented which allows one to significantly enhance lung parenchyma visibility. A short inversion time inversion recovery (STIR) experiment combined with a magnetization transfer (MT) experiment was used for magnetization preparation in order to suppress the signal from muscle. A half-Fourier single-shot turbo spin-echo (HASTE) sequence was used as an acquisition module. This approach was used to perform lung anatomical imaging in healthy volunteers and patients with cystic fibrosis (CF). The results obtained demonstrate that with MT-STIR approach high quality human lung images can be obtained and that this approach has the potential for the evaluation of lung pathologies. In Chapter 3, a rapid and robust technique for quantitative T1 mapping of the human lung using an IR SnapshotFLASH sequence is presented. Based on a series of SnapshotFLASH images acquired after a single inversion pulse, high quality and quantitative T1 parameter maps acquired were obtained in under five seconds from healthy volunteers and patients with CF. The measured T1 values of healthy lung parenchyma ranged from 1100 to 1400 ms and are in good agreement with previously reported literature values. The measured T1 values of diseased lung parenchyma in patients with CF ranged from 800 to 1000 ms and correlated with reduced regional pulmonary blood volume and blood flow as confirmed by qualitative gadolinium (Gd)-DTPA-enhanced MR pulmonary perfusion imaging. Indirect qualitative MRI of pulmonary ventilation is feasible using the paramagnetic effects of oxygen physically dissolved in blood. In Chapter 4, a more quantitative oxygen-enhanced pulmonary function test based on the slope of a plot of R1 vs. oxygen concentration &#61630; the oxygen transfer function (OTF) &#61630; was developed and tested in a pool of healthy volunteers and patients with CF. The lung T1 relaxation rate, R1, under normoxic conditions (room air, 21% O2) and the response to various hyperoxic conditions (40% – 100% O2) were studied. Lung T1 in healthy volunteers showed a relatively homogeneous distribution while they breathed room air and a homogeneous decrease under hyperoxic conditions. This T1 decrease from breathing room air to 100% O2 was statistically significant at P < 0.0001. Lung T1 in patients with CF showed an inhomogeneous distribution while they breathed room air and the observed lung T1 decrease under hyperoxia depended on the actual state of the diseased lung tissue. In the selected group of patients with CF, areas with reduced OTF also showed reduced perfusion, as confirmed by qualitative Gd-DTPA-enhanced MR pulmonary perfusion imaging. In Chapter 5, the feasibility and reproducibility of a noninvasive, rapid and quantitative pulmonary perfusion mapping method was evaluated using a two-compartment tissue model in combination with proton spin labeling within the imaging slice. Global and selective lung T1 maps were acquired from each subject. Quantitative perfusion maps were calculated from the global and selective T1 maps. The measured perfusion rates of the upper right lung in volunteers ranged from 400 to 600 m&#61548;/100g/min. In patients with CF, perfusion defects detected using Gd-DTPA-enhanced MRI were also detected using the spin labeling method. The perfusion rates of diseased lung tissues were less than 200 m&#61548;/100g/min. The proposed method showed a high intra-study reproducibility and low relative errors. In the first part of Chapter 6, a clinical protocol combining anatomical 1H MRI with the assessment of both OTF and pulmonary perfusion was established for the human lung and applied to patients with CF. In the selected group of patients with CF, areas with reduced oxygen enhancement showed reduced perfusion as confirmed by spin labeling perfusion imaging. These functional imaging results also correlated with anatomical MT-STIR-HASTE imaging results. The results demonstrate that this completely noninvasive clinical protocol has potential for clinical applications in the serial diagnosis of lung diseases such as CF. In the second part of Chapter 6, we compared pulmonary function before and after smoking by measuring arterial blood T1 and lung T1 using the clinical protocol. The results revealed that after smoking, both arterial blood and lung showed no significant changes in OTF, while arterial blood T1 was reduced and the pulmonary perfusion rate was increased.