MRT, MR-Angiographie

Grundlagen der MR-Angiographie zur Diagnostik von Gefäßerkrankungen

von Dr. med. J. C. Ragg, Berlin

Aus flusssensitiven MR-Sequenzen können durch Nachverarbeitungsprogramme MR-Angiographien (MRA) generiert werden. Zur MRA-Signalgebung werden in erster Linie zwei unterschiedliche Prinzipien eingesetzt: Die "Time of flight" (TOF) - MRA, die auf amplitudenabhängigen T1 - Effekten beruht, und die "phase contrast" (PC) - MRA, die phasenabhängig auf T2 - Effekten basiert. Zum Verständnis der Bilderzeugung und Interpretation sind hämodynamische Faktoren zu berücksichtigen: Der Fluss in Arterien und Venen ist selten konstant, sondern in den meisten Untersuchungsgebieten mehr oder weniger im Herzrhythmus pulsatil. Er ist nur bei grober Idealisierung laminar, mit paraboloider Geschwindigkeitsverteilung. Bereits physiologischerweise bestehen durch Aufzweigungen sowie in tortuösen Strecken fokale Turbulenzen. Durchmesser und Oberflächenbeschaffenheit eines Gefäßes - insbesondere bei obstruktiver Pathologie - tragen wesentlich zur Flusscharakteristik bei. Zu erwähnen ist, dass eine adäquate Bildgebung nur mit modernen MR - Systemen zu erzielen ist. Für kardiovaskuläre MRA - Aufgaben sind 1,5 T - Geräte mit schnellen Gradienten (40 mt/m, slew rate 150 t/m/s) erforderlich.

Time of flight (TOF) - MRA

Dieses Prinzip nützt den Umstand aus, daß der Zufluss von Spins mit ungesättigter Magnetisierung (z.B. Ery - Hb) in das zu untersuchende, mit HF - Impulsen bei kurzer TR (< T1 - Zeit) "gesättigte" Bild eine Signalanhebung des bewegten Volumens bewirkt. Während antegrader Fluss signalbildend ist, kommt es bei retrogradem Fluss und Turbulenzen zur Signalauslöschung, was u.a. eine Überschätzung von Stenosen bedingt. Durch Exposition zur HF erfahren die signalgebenden Spins einen für die TOF charakteristischen Sättigungseffekt, der sich als in Flussrichtung abnehmendes Flusssignal zeigt. Als Grundlage der TOF dienen (schnelle) Gradienten - Echo - Sequenzen mit kurzer TR (zur Unterdrückung des Hintergrundes) und kurzer TE (zur Minimierung von Phaseneffekten), einem kleinem Flipwinkel und einer Orientierung möglichst senkrecht zum Gefäßverlauf (zur Reduktion der intravaskulären Sättigung). Für einen optimalen Kontrast ist es günstig, wenn ein schneller Fluss vorliegt und kleine Bildvolumina (3D) oder Einzelschichten (2D) untersucht werden. Für langsamen Fluss, etwa venös oder distal von arteriellen Stenosen, ist die 2D- sensitiver als 3D- Akquisition. Die Akquisitionszeit beträgt ca. 3 - 10 min.

Die TOF - Sättigung entlang des untersuchten Volumens kann durch eine asymmetrische Variation des Flipwinkels kompensiert werden, indem eintrittsseitig kleine (wenig Sättigung, mäßiges Signal) und austrittsseitig große Flipwinkel (große Sättigung, deutlicheres Signal) gewählt werden. Dieser Typ einer asymmetrischen Hochfrequenzimpuls - Erregung wird als TONE - Puls (tilted, op-timized, non - exciting) bezeichnet. Er empfiehlt sich bei der Carotis - MRA und in den Fällen, wo schnell durchströmte, gradlinige Gefäße mit der 3 - dimensionalen TOF - MRA untersucht werden.

Bewegt sich ein Objektvolumen (z.B. Blut) während einer GE - Sequenz (meist: signalreich!), so wird es verschiedenen Gradientenstärken ausge-setzt und erhält so eine nicht exakt zuzuordnende Phasenkodierung. Somit ist der Umkehrgradient nicht in der Lage, die bewegungsbedingte Phasenverschiebung zu kompensieren. Um räumliche Fehlregistrierungen zu vermeiden, sind Phasenkorrekturen durch zusätzlich geschaltete Gradienten (in der Praxis meist symmetrische Gradientenpaare) erforderlich.

Sequenzbeispiele:

3D - TOF: TR 48 ms, TE 5 ms, 25 Grad Flipwinkel (z.B.: Carotiden)

2D - TOF: TR 45 ms, TE 9 ms, 60 Grad Flipwinkel (z.B.: Hirnarterien)

Phasenkontrast (PC) - MRA

Das Phasenverhalten bewegter Objekte in GE - Sequenzen kann diagnostisch genutzt werden, indem eine sogenannte Flusskodierung (flow encoding) durch zusätzlich geschaltete Gradientenfelder eingesetzt wird (Grundprin-zip der PC - MRA):

Aus 3 subsequenten Messungen in 3 Raumebenen mit Flusskodierungsgradienten und einer Messung ohne Flusskodierungsgradient wird mittels Subtraktion ein Datensatz errechnet, der die Darstellung der Flussbewegung bei gleichzeitiger Unterdrückung des Hintergrundes (effektiver als bei der TOF) erlaubt. Die Flusskodierungsgradienten müssen der zu erwartenden Geschwindigkeit angepaßt werden (velocity encoding = VENC, z.B: 20 cm/s, oder 50 cm/s); andernfalls können Signalartefakte, insbesondere Auslöschungen und Aliasing - Effekte auftreten, die z.B. eine Stenose simulieren können.

Eine PC - MRA besteht somit aus einer (schnellen) Gradienten - Echo - Sequenz mit kurzer TR (schnelle Akquisition) und einer gegenüber der TOF - MRA leicht verlängerten TE (aufgrund der zusätzlichen Flusskodierungsgradienten). Der Flipwinkel ist variabel, die Orientierung ist im Gegensatz zur TOF unabhängig vom Gefäßverlauf. Die Akquisitionszeit ist durch die separaten Messung in mehreren Raumorientierungen ca. 3 - 4 mal länger als bei der TOF - MRA.

Sequenzbeispiel:

PC: TR 35 ms, TE 10 ms, 20 Grad Flipwinkel (z.B.: Carotiden)

Akquisition und Nachverarbeitung

Sowohl TOF- als auch PC - MRA können als 2-dimensionale oder 3-dimensionale Mes-sungen erfolgen. 3-D - Akquisitionen erlauben eine sehr hohe Auflösung (Länge des Voxels < 1 mm!) während 2-D - Techniken ei-ne Schichtdicke von maximal 2 - 3 mm voraussetzen. Unabhängig von dem Typ der MRA werden die Basisdaten, welche aus einer Zahl angrenzender oder überlappender Schichten mit hohem Gefäßsignal und gering signalgebendem Hintergrund bestehen, gewöhnlich einem Rekonstruktionsalgorithmus unterzogen. In der Regel basiert die Rekonstruktion auf dem MIP - Algorithmus (MIP = maximum intensity projection), wobei das Volumen in verschiedene Richtungen entlang virtueller Strahlen projiziert wird. In jede Richtung wird nur das Voxel mit der höchsten Signalintensität projiziert. Die Bildprojektion kann als kontinuierliche Rotation ablaufen und so einen 3-dimensionalen Bildeindruck der Gefäße liefern.

Bei der Interpretation der MRA - Untersuchung muss die zugrunde liegende Sequenz und die Art der genutzten Rekonstruktion bedacht werden. Unterschiedliche VENCs in PC - MRA können z.B. in ein und demselben anatomischen Areal zu gänzlich unterschiedlichen Eindrücken der vaskulären Architektur und der pathologischen Befunde führen.

Vergleich mit der konventionellen Angiographie

Abgesehen von ihrem nicht-invasiven Charakter ist die MRA gegenüber der konventionellen Angiographie einen Mangel an Selektivität und zeitlicher Auflösung behaftet.

Eine gewisse Selektivität kann erzielt werden, wenn das rekonstruierte Volumen auf die interessierende Gefäßregion beschränkt wird (positiver Nebeneffekt: Kontrastverbesserung), oder durch gezielte Vorsättigung bestimmter Gefäße oder Fließrichtungen bei der TOF - MRA. Venen und Arterien weisen in der Regel entgegengesetzte Flussrichtungen auf, wodurch eine Separation beider Systeme durch Gradientenvariation in der TOF möglich ist. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der PC - MRA kann zur Betonung venöser oder arterieller Strömungen verwendet werden.

Folgende Limitierungen sind zu beachten: Die MRA wird mit zunehmend hoher Auflösung auch zunehmend zeitaufwendig und muss daher ggf. auf eine kleine Region (FOV) beschränkt werden. Da die MRA bewegungsinduzierte Signaldifferenzen darstellt, ist eine Anfälligkeit gegenüber Gewebe - Bewegungen (Gefäßpulsation, Schluckakt, Lageänderung) gegeben. In Gefäßen mit turbulenten Strömungen sind Fehlinterpretationen (z.B. poststenotische Signalauslöschung, Stenoseüberschätzung) häufig. Es bis heute nicht möglich, aus den Sequenzdaten auf den tatsächlich vorhandenen Stenosegrad zu schließen.

Optimale Bedingungen für die MRA liegen im Gehirn, Hals und den Extre-mitäten vor, soweit eine statische vaskuläre Umgebung und eine (annähernde) laminare Strömung vorliegen. Die Bildgebung der intrakraniellen Gefäße und der Carotis erfüllt auch die Forderung nach einem kleinen Untersuchungsvolumen, wohingegen periphere Übersichts - Angiogramme ungünstig große Gebiete umfassen müssten. Arterien mit einem hohen Fluss sind besser für die TOF - MRA geeignet, als für die PC - MRA. Langsame Flüsse werden bei adäquate Geschwindigkeitskodierung (VENC) in der PC - MRA gut dargestellt.

 

Klinische Anwendungen

Intrakranielle Gefäße

Die intrakraniellen Gefäße erfordern eine hochauflösende Bildgebung, somit ist die 3-D -Akquisition der 2-D überlegen. Sowohl TOF- als auch PC - MRA können die distale A. carotis einschließlich des Siphons, die A. basilaris und die proximale Hälfte der drei intrakraniellen Arterien kompetent darstellen. Selten können auch die Aa. communicantes erfaßt wer-den. Die Aa. cerebellares inferiores anterior et posterior können zumeist abgebildet werden, ihre Darstellung ist ein Maß für die Bildqualität.

Die distalen Anteile der intrakraniellen Gefäße sind mit einer standardisierten MRA-Untersuchung infolge von Sättigungseffekten und der Auflösungsgrenze kaum darstellbar. Zur Lösung spezieller klinischen Fragen kann die Untersuchung gerätetechnisch optimiert werden, um eine Abbildung weiterer Details zu erreichen:

Die "Magnetization Transfer Saturation" (MTS), bestehend in der Einstrahlung besonderer HF - Pulse, kann additiv zur GE - Sequenz eingesetzt werden. Hierdurch sollen Signale der unbewegten Proto-nen, also des unbewegten Gewebes, unterdrückt werden, während das Signal des fließenden Blutes hoch bleibt. Einschränkungen ergeben sich für Regionen, in denen die Gefäße vorwiegend von Fettgewebe umgeben werden, da das Fettsignal ebenfalls nicht unterdrückt wird. Intrakraniell ist jedoch eine gute Einsatzmöglichkeit für die MTS gegeben.

Eine 512- x 512 - Matrix verbessert die Darstellung kleiner Gefäße, wodurch insgesamt aussagekräftigere MRA - Bilder resultieren (cave: Zunahme der Akquisitionszeit).

Die MRA der intrakraniellen Gefäße kann heute zur Lösung folgender klinischer Fragestellungen beitragen:

• Gefäßanatomie, Varianten (zur Bestätigung eines CT - Befundes)
• intrakranielle Aneurysmen (zusätzliche Informationen über die Aneurysmagröße, den Hals, die perianeurysmatischen Strukturen, aber: nicht zum Ausschluss eines Aneurysmas)
• arteriovenöse Malformationen (primäre Abschätzung der Größe, postoperative Kontrollen)
• Gefäßverschlüsse (z. B. Sinusvenenthrombosen, Moyamoya-Syndrom)

 

Gefäßstenosen

MRA der Carotiden

Die TOF - MRA wird im Carotissystem bevorzugt, da der hohe Fluss optimale Ein-strombedingungen mit sich bringt. Die Distanz zwischen Aortenbogen und Caro-tis - Siphon beträgt ungefähr 17 cm, wodurch eine Abbildung der gesamten Länge kaum erreicht werden kann (ein Volumen der TOF - MRA mit suffizienter Auflösung deckt etwa 6 - 8 cm ab). Mögliche Lösungen sind (1) die Erhöhung der Schichtdicke, mit dem Ergebnis einer insuffizienten Auflösung, (2) eine Aufteilung auf mehrere separate Akquisitionen (MOTSA-Technik = multiple overlapping, thin slab acquisition oder sequentielle 2-D Akquisitionen), oder (3) die Ausrichtung der Schichtebene entlang dem Gefäßverlauf in koronarer oder sagittaler Richtung.

Durch Erhöhung der Schichtdicke wie in (1) und durch 2-D - Techniken werden die Sättigung in der Schicht und turbulenzinduzierte Signalverluste betont. Während in (1) und (3) noch immer Sättigungseffekte auftreten, die das Einstromsignal in der Carotisperipherie vermindern, ermöglicht die Methode der Mehrfachakquisition (2) eine Darstellung aller Carotisanteile. In der klinischen Anwendung leidet die Methode der Mehrfachakquisition unter der Patientenbewegung zwischen den Messungen, was zu einer diskontinuierlichen Abbildung der Gefäße nach Rekonstruktion führt. Für alle drei Techniken sind Hardware - Limitationen zu berücksichtigen, da adäquate Spulen kaum verfügbar sind, die sowohl ein aus-reichend großes Volumen erfassen, als auch ein suffizientes Signal - Rausch - Verhältnis aufweisen. Aus diesen Gründen wird die MRA der Carotis vorwiegend auf die Region der Bifurkation beschränkt.

Die statistischen Ergebnisse sind denen einer dopplersonographischen Untersuchung vergleichbar, allerdings mit der Tendenz, den Stenosegrad zu überschätzen. Jedoch ist die Dokumentation und Übermittlung der MRA - Ergebnisse einfacher.

 
MRA des Thorax und Abdomens

Die thorakale Anwendung zielt vorwiegend auf die Darstellung der Aorta, der Pulmonalgefäße und der Coronarien. Soweit valide Ergebnisse Berücksichtigung finden, ist lediglich die MRA der Aorta von klinischem Nutzen, insbesondere für die Diagnostik eines Aneurysma dissecans. Mittels 2-dimensionaler TOF - Technik kann die Dissektionsmembran oft nachgewiesen werden.

Die multidirektionale und irreguläre Bewegung der thorakalen Organe kompli-ziert die Anwendung der MRA. Nur sehr schnelle Akquisitionstechniken, wie die EPI - Technik, erlauben es, die kardiale und pulmonale Bewegung "einzufrieren" und einzelne MRA - Schichten der Coronarien oder Pulmonalgefäße zu erreichen. Die tho-rakale MRA ist noch nicht im klinischen Gebrauch.

Bewegungsartefakte infolge Pulsation, Atmung und Peristaltik sind die Haupt-probleme der abdominellen MRT. 2-D - Akquisitionen bei Atemstillstand stellen die vaskuläre Anatomie verbessert dar. In der klinischen Anwendung wird aber die Rekonstruktion einer größeren Zahl sequentiell erfasster Schichten durch die Bewegung des Patienten zwischen den Messungen zunichte gemacht. Technisch möglich ist die Abbildung der Aorta, des Truncus coeliacus, der Mesenterialarterie und der Nierenarterien. In der Praxis bleiben die Ergebnisse oft unzureichend. Inadäquate Vorsättigung des venösen Flusses der Nierenvenen kompliziert die selektive MRA.

Abdominelle Aortenaneurysmen werden durch 2-D GE - Sequenzen bei Atemstillstand oder durch T1 - gewichtete SE - Sequentzen (beides mit guter Ortsauflösung) vermessbar dargestellt. Die Differenzierung frischer (T1: signalreich) bzw. alter Thromben sowie des echten (Fluss) und falschen Lumens (meist verminderter Fluss, Thrombosierung) ist möglich.

Wie bei der venösen Bildgebung kann die MRA zur Detektion einer Thrombose und Tumorinvasion (z. B. Nierenzell - Ca.) der Vena cava inferior genutzt werden. Sequentielle 2-dimensionale Akquisitionen in axialer oder koronarer Schnittführung sind für diese Indikation am besten geeignet, da der langsame Fluss im venösen System eine Optimierung der Einstromeffekte voraussetzt. Daneben neigen 3-dimensionale Techniken infolge ihres Zeitaufwandes zu Bewegungsartefakten. In-dikationen für die cavale MRA stellen Kontrastmittelunverträglichkeit und eine un-zureichende Ultraschalluntersuchung dar.

Sequentielle 2-dimensionale Applikation der MRA bei Atemstillstand in axialer oder koronarer Orientierung erlauben eine schnelle Dokumentation der Portalvene und des Hauptstammes der Milzvene, wohingegen die Mesenterialvene kaum suffizient erkannt wird. Vorsättigung des arteriellen Einstromes (oberhalb des Zwerchfells) und des venösen Flusses (durch die Nieren unter Abdeckung der VCI) erlaubt eine se-lektive MRA des Portalsystems. Leichte Modifikationen der Sequenz durch Einführen einer dünnen, schrägen Sättigungsschicht, die die V. portae senkrecht kreuzt, bringen zusätzliche Informationen über Flussrichtung und Fließgeschwindigkeit. Die Bildgebung einer Portalvenenthrombose, einer Strömungsumkehr oder einer tumorösen Infiltration kann heutzutage mit der MRA ausreichend aussagekräftig erfolgen.

 

MRA der peripheren Gefäße

Die klinisch interessanten Gefäße bei der peripheren arteriellen Verschlußerkran-kung sind in der Regel zu lang, um mit der MRA in einer Sitzung untersucht zu werden. Durch Gebrauch der Körperspule kann der Bildumfang maximal auf 50 cm gestreckt werden. Die PC - MRA kann einen Überblick über die arterielle und venöse Anatomie ohne detaillierte Darstellung liefern, wohingegen die in der TOF - MRA bei größeren FOVs auftretenden Sättigungseffekte den Bildumfang einschränken. Beide Techniken, sofern als Gefäßübersicht gebraucht, übertreffen nicht die Qualität einer venösen DSA. Gezielte Fragen, wie der Abstrom eines verschlossenen oder steno-sierten Gefäßes in der Peripherie, sind bei Kontraindikationen gegen Kontrastmittel oder fehlender Anwendbarkeit des Ultraschalls (z. B. Kalzifikationen oder Luftüberlagerung) im Einzelfall mit der MRA zu lösen.

Die MRA kann mitunter bei der Beckenvenenthrombose anderen bildgebenden Verfahren (Phlebographie und Ultraschall) überlegen sein, da beide Seiten in einem Untersuchungsgang abgebildet werden und überlagernder Darm aus dem Bild ausgeblendet wird.

Für die Beschreibung fokaler vaskulärer Läsionen der peripheren Zirkulation von Hand und Fuß ist eine hochauflösende Bildgebung vorauszusetzen. Letzte Errungen-schaften der hochauflösenden MRA ermöglichen den Zugang zur Untersuchung weit distaler Arterien. Ergebnisse der PC - MRA sind denen der TOF - MRA überlegen, so-gar wenn Kontrastmittel bei der TOF - MRA eingesetzt wird. In der Zukunft könnten neue i.v. MR - Kontrastmittel möglicherweise eine bessere Abbildung der peripheren Gefäße ermöglichen. Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die MRA der peripheren Gefäße noch nicht die Ansprüche der klinischen Routine erfüllt. Sie stellt einen ungünstigen Kom-promiß zwischen Auflösung und Abbildungsfeld dar. Zum gegenwärtigen Stand der Entwicklung muss die MRA der peripheren Gefäße daher auf spezielle Fälle beschränkt bleiben, die mit anderen Methoden nicht lösbar sind.

 

Cerebrovaskuläre Erkrankungen

Der Nachweis ischämischer Läsionen ist mit der MRT sensitiver durchführbar als mittels CT. Dies gilt insbesondere für Problemfälle wie Klein- und Stammhirninfarkte sowie kleine corticale Infarkte. Zusätzlich zur Parenchymdiagnostik kann mittels MRA ein etwaiger Zusammenhang zu Blutgefäßen untersucht werden. Wichtige Indikationen sind die Diagnostik von Hirnvenen- und Sinusthrombosen mit flussempfindlichen 2D - GE - Sequenzen. Dennoch ist die i.a. DSA das entscheidende Verfahren bei cerebralen vaskulären Malformationen, die auch durch die MR-Angiographie derzeit keinesfalls ersetzbar ist, da letzterer kleine Gefäße entgehen und sie zudem kaum Informationen über die Hämodynamik liefert. Die Darstellung einer cerebralen Blutung im MRT ist abhängig von ihrer Lokalisation (intra- bzw. extracerebral), der Größe, ihrem Alter, der cerebralen Perfusion und der Feldstärke. Eine kleine Blutung im Cortex durchläuft bei gleicher Abfolge die Signaländerun-gen rascher als eine große Marklagerblutung.

Grundlegende Phänomene der Signalgebung einer Blutung sind die chemische Form des Hämoglobins und die Intaktheit der Erythrozyten: In den ersten Stunden sind akkumulierte Erythrozyten intakt, ihr Hb ist oxygeniert (T1+/-, T2 +). Innerhalb einiger Tage entsteht Desoxy- Hb, wodurch Suszeptibilitätseffekte auftreten (T1+/-, T2 --). Nach Wochen bildet sich Met - Hb und bedingt Relaxationseffekte (T1 ++, T2 --). Erst nach Monaten sind die Erythrozytenmembranen desorganisiert und erlauben eine freie Verteilung von intra- und extrazellulären Bestandteilen (T1 ++, T2 ++). Im weiteren Verlauf beginnt das Hämosiderin zu dominieren (T1 +/-, T2 --). Die signalarmen Areale im T2 - Bild stellen das bleibende Merkmal einer abgelaufenen intracerebralen Blutung dar. Auch das relativ typische Bild der durch die MRT häufig erfaßbaren cavernösen Hämangio-me entspricht im wesentlichen dem einer alten Blutung und ist durch die Suszeptibilitätseffekt des Hämosiderins (T2 --) bedingt.

Perivision - Bolus-Chase

Mit manchen modernen Angiographie-Anlagen ist es möglich, eine zugeführte Kontrastmittelmenge auf ihrem Weg durch das Gefäßsystem zu verfolgen. Röntgenröhre und Bildverstärker werden hierbei kontinuierlich bewegt (Bild 1). Auf diese Weise kann die Darstellung langstreckiger Gefäßverläufe mit einer einzigen Kontrastmittelgabe gelingen (Bild 2). Bei größeren Laufzeitunterschieden - beispielsweise bei einem einseitigen Oberschenkelarterienverschluss und ungestörten Durchblutungsverhältnissen der anderen Seite - gelingt in dieser Technik die gleichzeitige Untersuchung beider Beine jedoch oft nicht zufriedenstellend. Der behandelnde Arzt muss aufgrund der Vorkenntnisse (körperliche Untersuchung, Ultraschall) entscheiden, ob die Perivision-Technik wirklich Kontrastmittel-Ersparnis verspricht.

Hier finden Sie weitere Informationen zur Diagnostik von Venenerkrankungen (Feinnadelangiographie, MRT, MR-Angiographie, Quick-Wert/INR) . Haben Sie weitere Fragen? Kontaktieren Sie uns!