Zur Fortbildung Aktuelle Medizin
ÄRZTEBLATT
Heft 17 vom 29. April 1983
NMR-Ganzkörpertomographie — Klinische Anwendungen
Peter A. Rinck, Steffen B. Petersen, Robert N. Muller*)
Aus dem Department of Chemistry, Experimental Radiology, (Leiter: Professor Paul C. Lauterbur)
State University of New York at Stony Brook
Der Einsatz der NMR-Tomo- graphie wird ein Umdenken bei der Anwendung bildge- bender Methoden in der Me- dizin auslösen. Mit dem Er- reichen einer räumlichen Bildauflösung von 1 Zenti- meter und Aufnahmezeiten vergleichbar denen des Röntgen-CT hat die NMR- Tomographie während der vergangenen zwei Jahre ei- ne explosionsartige Ent- wicklung durchgemacht, de- ren Ende noch nicht abzuse- hen ist. Neben der bildlichen Darstellung der Morphologie wird ein Einblick in den Stoffwechsel in vivo mög- lich, wodurch sowohl Unter- suchungsmethoden in der Radiologie, der Nuklear- als auch der Laboratoriumsme- dizin in absehbarer Zeit er- setzt werden können. Vor- aussetzung wird die Schaf- fung von Atlanten mit Nor- malwerten und -bildern sein.
Bedienung von NMR-Tomo- graphen und Auswertung der Bilder machen eine Erweite- rung derAusbildung vonärzt- lichem und paramedizini- schem Personal notwendig.
Einführung
Zehn Jahre nach der ersten Be- schreibung einer praktikablen An- wendung der Nuclear-Magnetic- Resonance-(NMR-)Tomographie (Zeugmatographie) als bildgeben- de Methode in der Medizin durch Paul C. Lauterbur (7, 8**) arbeiten etwa ein Dutzend Zentren in den Vereinigten Staaten und in Groß- britannien mit dieser Untersu- chungsart im Rahmen der klini- schen Routine.
Ein weiteres Dutzend Geräte wird als Prototypen bei verschiedenen kommerziellen Herstellern in Ame- rika, Europa und Asien erprobt;
bis Ende 1983 sollen wahrschein- lich mindestens 100 weitere NMR- Tomographen weltweit den Be- trieb aufnehmen, unter anderem auch in der Bundesrepublik Deutschland. Das Fehlen eines Strahlenrisikos wird zu einer ra- schen Verbreitung dieser Methode mit beitragen (2).
Die NMR-Tomographen vieler Fir- men scheinen inzwischen so weit ausgereift, daß ein rationeller und effektiver klinischer Einsatz mög- lich ist. Allerdings steht bisher kei- ne Standardisierung der Frequen- zen und Feldstärken in Aussicht,
so daß die Ergebnisse der Unter- suchungen an verschiedenen Ge- räten und Orten nur mit Vorbehalt verglichen werden können.
Die Ausbildung von ärztlichem und paramedizinischem Personal zur Bedienung von NMR-Tomo- graphen und zur Auswertung der Bilder steht noch an ihrem An- fang. Sie wird jedoch intensiv vor- bereitet (18). Über die physikali- schen und chemischen Grundla- gen der NMR-Tomographie sind verschiedene Übersichtsarbeiten erschienen. Wir wollen hier nur auf die Arbeiten von Pykett (13), Petersen (12) und Rinck et al. (14) verweisen.
Im folgenden geben wir eine kurze Übersicht über den aktuellen Stand der praktischen NMR-To- mographie in Klinik und For- schung, wie er sich auf dem ersten Kongreß der Society of Magnetic Resonance in Medicine in Boston und dem Kongreß der Radiologi- cal Society of North America in Chicago darstellte.
*) Siehe auch Habermehl, A., und Graul, F. H.:
Kernspinresonanz-Tomographie, Dt. Ärz- tebl. 79 (1982) Nr. 30, Ausgabe A, Seite 19 ff., Ausgaben B u. C, Seite 17 ff.
**) Die in Klammern stehenden Ziffern bezie- hen sich auf das Literaturverzeichnis des Sonderdrucks.
Abbildung 1: T 2-Darstellung des Schädels mit Abbildung eines Karzinoms des Sinus sphenoidalis. Die helle Begrenzung des Schädels nach außen entspricht der Haut und dem Unterhautfettgewebe, der darunterliegende Knochen stellt sich im Gegensatz zum Röntgen-CT schwarz dar
NMR-Ganzkörpertomographie
Soweit nicht anders erwähnt, be- ziehen sich diese Ausführungen auf die Bilderzeugung auf der Ba- sis von Wasserstoffatomen. Das Proton ist das am häufigsten anzu- treffende magnetisierbare Isotop im menschlichen Körper; Wasser- stoff stellt daher das attraktivste Element für die NMR-Tomogra- phie dar (10).
Gehirn
Die größten Erfahrungen mit der NMR-Tomographie in der Klinik hat man inzwischen mit der nor- malen und pathologischen Anato- mie des Gehirns gesammelt. Das Gehirn bietet die Vorteile, daß es ein relativ kleines Organ ist und deshalb in eine schmale Radiofre- quenzspule paßt und daß es relativ bewegungsarm ist. Die Meßzeiten lagen anfänglich zwischen zwei und drei Minuten pro Schichtebe- ne, konnten jedoch in der Zwi- schenzeit auf etwa 10 Sekunden für zweidimensionale Bilder ge- senkt werden. Die Herstellung von Bildern in allen drei Dimensionen (transversal, frontal und sagittal) dauert immer noch mehrere Minu- ten, wobei hier jedoch in Betracht gezogen werden muß, das wäh- rend dieser Zeit mehrere hundert Einzelbilder in allen Schichtebe- nen durch den Schädel gelegt werden (1, 6).
Eine breite Übersicht über die bis- her durchgeführten NMR-Untersu- chungen des Gehirns legte die Ar- beitsgruppe am Hammersmith Hospital, London, vor (3). Als Refe- renzmethode dienen dieser wie auch anderen NMR-Arbeitsgrup- pen das Röntgen-CT sowie— wenn möglich — pathologische Schnitte in einer vergleichbaren Schnitt- ebene.
In der Röntgen-Computertomo- graphie des Schädels wird die Elektronendichte der unterschied- lichen Gewebe aufgezeichnet. Ei- ne Kontraständerung wird ledig- lich in beschränktem Maße durch den Einsatz von jodhaltigen Kon- trastmitteln bewirkt.
Anders als bei den Röntgenmetho- den können in der NMR-Tomogra- phie durch unterschiedliche Ra- diopulssequenzfolgen verschiede- ne Gewebeparameter dargestellt werden, so zum Beispiel reine Pro- tonenbilder, Bilder der Relaxa- tionszeiten T 1 und T2 , Mischbilder zwischen Protonendichte und T 1
und
T2 sowie modulierte T 1 - und T2-Darstellungen. So erreicht das Kontrastniveau, das mit der NMR- Tomographie erhalten werden kann, dasjenige von pathologi- schen Schnitten. Weiße und graue Hirnsubstanz und Liquor cerebro- spinalis können mit den „Inver- sion-Recovery-Sequenzen (IR)"
besonders deutlich unterschieden werden. Auf diese Weise kann zum ersten Mal mit Hilfe der NMR-To- mographie in vivo die fortschrei- tende Myelinisierung des Gehirns bei Säuglingen und Kleinkindern verfolgt werden.
Generell weisen Hirninfarkte, -in- fektionen, -ödeme und -demyelini- sierungen sowie benigne und maligne Gehirntumoren verlän- gerte T 1 -Zeiten auf. Zysten haben T1 -Werte, die denen des Liquors nahekommen.
In den Hemisphären lassen sich mit Inversion-Recovery-(IR-)Se- quenzen unterschiedliche Stadien von Infarkten erkennen; wegen des Fehlens von Knochenartefak- ten erweist sich die NMR-Tomo- graphie insbesondere im Hirn- stamm dem Röntgen-Computerto- mogramm (CT) überlegen.
Läsionen der weißen Hirnsubstanz treten auf NMR-Bildern klar zuta- ge. Dies zeigte sich besonders bei Erkrankungen an Multipler Sklero- se, wo bei weitem mehr Foci mit NMR als mit konventionellem Röntgen-CT aufgedeckt werden
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Abbildung 2: Ausschnitt aus den ersten EKG-getriggerten Schnitten in allen drei Ebenen durch das Herz eines Hundes mit ausreichender Darstellung der Ventrikel und Arterien
NM R-Ganzkörpertomog raphie
konnten und sich der Verlauf der Krankheit mit NMR auch besser darstellen ließ (17). Bei Erkrankun- gen an Chorea Huntington konnte die NMR-Untersuchung eine Atro- phie des Caput nuclei caudati nachweisen.
Tumoren im Gehirn und im Be- reich des knöchernen Schädels können, wie die Abbildung 1 zeigt, deutlich gesehen werden. Es lie- gen allerdings noch keine ausrei- chenden Studien über Hirntumo- ren vor; trotz aller früheren Hoff- nungen ist bis heute eine der Hi- stologie sich nähernde Tumorbe- stimmung mit der NMR-Tomogra- phie ebensowenig möglich wie mit Röntgen-CT. Wahrscheinlich wer- den hier Untersuchungen des Phosphorstoffwechsels mit NMR weiterführen.
Generell liegen die T 1 -Werte be- nigner Tumoren unter denen mali- gner Tumoren; es hat sich aller- dings gezeigt, daß diese Werte weitläufig überlappen können, so daß keine endgültige Diagnose
„benigne — maligne" gefällt wer- den kann. Besser als mit Röntgen- CT präsentieren sich Massenver- schiebungen einschließlich klei- ner Verdrängungen der Capsula externa im NMR-Bild.
Über die verschiedenen Pulsse- quenzen hinaus werden zu einer weiteren Verbesserung der Dar- stellung von Kontrastgegensät- zen, insbesondere bei einer Zer- störung der Blut-Hirn-Schranke, in Zukunft wahrscheinlich Lösungen eingesetzt werden, die parama- gnetische Ionen wie zum Beispiel Mangan enthalten. Diese ändern die Wasserrelaxationszeiten ver- schiedener Gewebe (9) und er- möglichen damit eine bessere Abgrenzung pathologischer Re- gionen.
Herz und Kreislauf
Die Darstellung des Herzens er- schien anfänglich sehr schwierig, da wegen seiner Pulsation Be- wegungsartefakte die Bildqualität
stark minderten. Deswegen wurde von Anfang an eine Synchronisie- rung der Aufnahmen erwogen, verbunden mit beträchtlich verlän- gerten Aufnahmezeiten. Die Syn- chronisierung allerdings, zuerst mit der Blutdruckamplitude, er- möglichte dann die ersten kon- trastreichen Bilder des Herzens mit Unterscheidung der Kammern, Vorhöfe, zu- und abgehenden gro- ßen Gefäße sowie Klappen und Pa- pillarmuskulatur. Anfang 1982 ge- lang es der Gruppe in Stony Brook, die Aufnahmen mit dem EKG zu synchronisieren, ohne daß Artefakte durch die Ableitungska- bel erzeugt wurden, und dreidi- mensionale Bilder herzustellen (4) (Abbildung 2). Dieses Verfahren wurde durch die Gruppe in Cleve- land weiter verbessert (Abbildun- gen 3a und 3b). Hier gelang es inzwischen sogar, mit einem 5-kG- Magnetsystem die Koronarien in vivo ohne den Einsatz von Kon- trastmitteln darzustellen.
Die Qualität dieser Aufnahmen ist heute bereits besser als diejenige von Röntgen-CT und Radioisoto- penbildern. Die Applikation jod- haltiger Kontrastmittel oder radio- aktiver Substanzen wie Thallium- 201 erübrigt sich.
In vivo und in vitro ließen sich ischämische und infarzierte Myo- kardareale abgrenzen. Der Einsatz von paramagnetischen Substan- zen wird auch hier diskutiert, da es sich gezeigt hat, daß der Kontrast nach Injektion von Mangan- und anderen Verbindungen stark ge- steigert werden kann (11).
In der pädiatrischen Kardiologie entwickelt sich ein spezielles In- teresse für die NMR-Tomographie, nachdem experimentell Ventrikel- Septum-Defekte deutlich nachge- wiesen werden konnten (5). Insbe- sondere bei Kindern dürfte sich die Möglichkeit, daß eine derartige Untersuchung beliebig oft wieder-
NMR-Ganzkörpertonnographie
Abbildung 3a (links): Schnitt durch ein menschliches Herz in Systole. —Abbildung 3b (rechts): Schnitt durch ein menschliches Herz in Diastole. — Zwischen der Möglichkeit zur Herstellung von Herzbildern in vivo wie in Abbildung 2 und der signifikanten Verbesserung der Qualität in den Abbildungen 3a und b liegen nur wenige Monate. Die Bilder des menschlichen Herzens sind allerdings nur zweidimensional. Die Qualität konnte in der Zwischenzeit so weit verbessert werden, daß auch die Koronargefäße abgegrenzt werden können
holt werden kann, ohne daß inva- sive Techniken oder ionisierende Strahlung in Kauf genommen wer- den müssen, als großer Vorteil ge- genüber anderen bildgebenden Methoden erweisen.
Tumordiagnostik
Wie bereits im Gehirn zeigte sich in den übrigen Körperregionen, daß Tumorgewebe unterschiedli- che Relaxationszeiten im Ver- gleich zu normalem Gewebe besit- zen. Im allgemeinen grenzen sich Tumoren deutlich vom umgeben- den Gewebe ab. So war z. B. die Lokalisierung primärer Plattenepi- thelkarzinome und Lymphknoten- metastasen möglich; hierbei wur- den Präparate nach radikaler Vulvektomie verwandt. Diese Untersuchungen werden jetzt auf Patienten vor und nach Operation erweitert, um die Grundlage für die Operationsausdehnung und eine potentielle spätere Bestrah-
lung zu schaffen (11). Für weitere Karzinomarten konnten verschie- dene Arbeitsgruppen in vivo ähnli- ches nachweisen. So zeigte eine Untersuchungsserie verschiede- ner benigner und maligner Erkran-
kungen der Mamma, daß normales Brustgewebe niedrige T 1 -Werte besitzt, daß Zysten leicht von nor- malem Gewebe abgegrenzt wer- den können, daß jedoch maligne Veränderungen mit ihren T 1 -Wer- ten mit denen von Fibroadenomen und anderen Veränderungen überlappen können und deswe- gen auch hier noch keine endgül- tige Diagnose der Malignität ge- stellt werden kann (16), vermut- lich, bis Vergleichsstudien der T2-
Werte vorliegen. Obwohl in der Tumordiagnostik mit der NMR-To- mographie eine Vielzahl von Ein- zeluntersuchungen und -ergebnis- sen vorliegt, wird es noch längere Zeit dauern, bis man eine tu- morspezifische Einteilung der NMR-Resultate ermittelt haben wird. Hierzu sind Studien mit einer großen Anzahl von Patienten und einer standardisierten Magnetfeld- stärke zum Vergleich der Ergeb- nisse untereinander notwendig.
Lungenventilationsstudien Durch geringfügige Veränderung der Frequenz eines NMR-Wider- standsmag netsystems wird es möglich, anstelle der Protonenver-
Abbildung 4: Schnitt durch Thorax und Abdomen: Knochenmark der Wirbelsäu- le (Knochen schwarz wegen des gerin- gen Wasserstoffgehaltes); Rückenmark mit ein- und ausgehenden Nerven; Leber und Knochenmark im Sternum. Die Lun- ge schwarz (Protonenmangel)
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teilung die Verteilung von Fluor darzustellen. Fluor kommt nur in minimalen Mengen im menschli- chen Körper vor, kann jedoch als Tetrafluoromethan in einem Sau- erstoffgemisch eingeatmet wer- den. Experimente mit Phantomen und exzidierten Tierlungen haben gezeigt, daß zwei- und dreidimen- sionale Aufnahmen mit einer Bild- auflösung von 0,75 bis 2,0 cm möglich sind (11). In-vivo-Untersu- chungen an Beaglehunden zeig- ten, daß diese Auflösung den nu- klearmedizinischen Xenon-Unter- suchungen vergleichbar ist. Beim Einsatz von Magnetfeldstärken um 5 Kilogauss werden Real-Time- Ventilationsuntersuchungen mög- lich werden. An Flowmessungen der ein- und ausströmenden Luft und des Gasaustausches inner- halb der Lunge wird ebenfalls ge- arbeitet (15).
Ausblick
Die Grenzen der diagnostischen Einsatzmöglichkeiten der NMR- Tomographie lassen sich heute überhaupt noch nicht abschätzen.
Wegen der fehlenden Geräte sind viele der medizinischen Diszipli nen momentan überhaupt noch nicht in die NMR-Forschung ein- bezogen, so zum Beispiel die Chir- urgie und die Orthopädie. Abbil- dung 4 zeigt einen Schnitt in der Medianebene durch Thorax und Abdomen. Das Rückenmark mit ein- und ausgehenden Nerven- strängen und das Knochenmark der Wirbel (weiß wegen des hohen Protonengehaltes) lassen sich deutlich abgrenzen. Derartige Dar- stellungsmöglichkeiten werden bei der Diagnose des lumbalen Bandscheibenvorfalles die Myelo- graphie und Computertomogra- phie ablösen, da sie die Diagnose vereinfachen und für den Patien- ten die Untersuchung erleichtern und beschleunigen.
Die meisten der jüngsten Resulta- te in der NMR-Tomographie ba- sieren auf der Darstellung der Protonenverteilung und der Re- laxationszeiten der Protonen im
NMR-Ganzkörpertomographie
menschlichen Körper. Innerhalb kurzer Zeit ist zu erwarten, daß nicht nur mit den Geräten an For- schungsinstituten, sondern auch in Kliniken die Aufzeichnung der Verteilung von Phosphor-31 und Natrium-23 im Menschen erfolgt.
Die damit mögliche Stoffwechsel- diagnose in vivo wird in fünf bis acht Jahren die Laboratoriumsme- dizin vollkommen verändern. Das Hauptgewicht in der Klinik wird vorerst auf dem Wasserstoff lie- gen. Sobald ausreichende Unter- suchungsergebnisse sowie Atlan- ten mit Normalwerten und -bildern vorliegen, wird die NMR-Tomogra- phie als Methode der Wahl wahr- scheinlich in vielen Situationen die Röntgen-CT und andere radio- logische und nuklearmedizinische Untersuchungsarten ersetzen.
Wir wollen uns an dieser Stelle herzlich bei Paul C. Lauterbur für die freundliche Aufnahme in sei- ner Arbeitsgruppe bedanken. — Dr.
Rinck wird von der Max-Kade- Foundation, New York, und der Alexander von Humboldt-Stiftung, Bonn, im Rahmen des Feodor-Ly- nen-Programmes unterstützt. — Dr.
Petersen wird durch The Danish Heart Foundation unterstützt. — Dr. Muller wurde von der Universi- tö de l'Etat in Mons freigestellt und teilweise durch Stipendien im
Rahmen einer NATO Science Fel- lowship Grant und des Fonds Na- tional de la Recherche Scientifi- que unterstützt. — Die Abbildung 1 wurde uns von Dr. Bydder, Ham- mersmith Hospital, London, die Abbildungen 3a und b sowie 4 wurden uns von der Firma Techni- care, Cleveland (Ohio), freundli- cherweise zur Publikation über- lassen.
Literatur beim Sonderdruck Anschrift für die Verfasser:
Dr. Peter A. Rinck
State University of New York at Stony Brook
Department of Chemistry (Experimental Radiology) Stony Brook, N. Y. 11794 U. S. A.
FÜR SIE GELESEN
Prognose der primär biliären Zirrhose
Der primär biliären Zirrhose liegt ein chronischer Entzündungspro- zeß der kleinen intrahepatischen Gallengänge zugrunde, der zur Zirrhose führt und das Leben des Patienten durch Leberversagen oder eine Ösophagusvarizenblu- tung terminieren läßt.
Durch Bestimmung antimitochon- drialer Antikörper ist heute eine Frühdiagnose dieser Autoimmun- erkrankung möglich, so daß pro- gnostische Parameter des Krank- heitsbildes von zunehmendem In- teresse erscheinen.
Um sich ein Bild über den natürli- chen Verlauf der Erkrankung zu machen, analysierten die Autoren die Überlebensdaten von 280 Pa- tienten mit symptomatischem (243) oder asymptomatischem Krankheitsverlauf. Die durch- schnittliche Überlebenszeit vom Zeitpunkt der ersten Krankheits- symptome betrug 11,9 Jahre.
Bei asymptomatischen Patienten ergab eine Beobachtungszeit von über 12 Jahren keine von einer Kontrollpopulation sich unter- scheidende Prognose.
Die folgenden Symptome erwie- sen sich als prognostisch ungün- stig: Ikterus, Gewichtsverlust, He- patomegalie, Splenomegalie und Aszites. Eine Korrelation zwischen Prognose und histologischem Be- fund ließ sich ebenfalls bezüglich der Parameter periportale Fibrose, Cholestase und Zellnekrosen her- stellen.
Vor allem bei Patienten mit vorher- sehbarer schlechterer Prognose erscheint der Einsatz differenter Medikamente wie D-Penicillamin gerechtfertigt.
Roll, J.; Boyer, J. L.; Barry, D.; Klatskin, G.: The prognostic importance of clinical and his- tologic features in asymptomatic and symp- tomatic primary biliary cirrhosis, N. Engl. J.
Med. 308 (1983) 1-7, Liver Study Unit, Depart- ments of Medicine and Pathology, Yale Univer- sity School of Medicine, New Haven, U.S.A.
