Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie (Institut für Röntgendiagnostik)
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- Cheng Lab, Department of Radiology, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA 02114, USA (1)
- Datenintegrationszentrum Würzburg (DIZ) (1)
- Interdisziplinäre Biomaterial- und Datenbank Würzburg (ibdw) (1)
- Würzburg Fabry Center for Interdisciplinary Therapy (FAZIT), University of Würzburg, Würzburg, Germany (1)
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist, die Möglichkeiten der Magnetresonanz Spektroskopie zur nichtinvasiven Diagnostik des Myokardstoffwechsels bei globalen Herzkrankheiten unter Verwendung neuer Möglichkeiten der Absolutquantifizierung von hochenergetischen Phosphaten zu beschreiben. Im Vordergrund dieser Arbeit stehen folgende Punkte: 1. Etablierung einer Methode zur Absolutquantifizierung von Metabolitenkonzentrationen aus dem menschlichen Myokard und Festlegung eines standardisierten Untersuchungsprotokolls 2. Überprüfung der Methode auf Variabilitäten durch Mehrfachauswertungen und Verlaufsuntersuchungen 3. Untersuchung der Altersabhängigkeit der Metabolitenkonzentrationen 4. Einsatz der Methode an Patienten mit globalen Herzerkrankungen; Herausstellung der metabolischen Unterschiede bei Hypertrophie und Dilatation.
Ziel der vorliegenden Arbeit war a)die Untersuchung eines Patientenkollektives vor und drei Monate sowie ein Jahr nach Aortenklappenersatz, d.h. von Patienten, bei denen eine globale Linksherzerkrankung vorliegt. Es sollte herausgefunden werden, ob sich aus dem Energiestatus vor der Operation auf deren Erfolg rückschließen läßt und man somit Empfehlungen für den Zeit-punkt des Klappenersatzes aus einer 31P - MRS ableiten kann. Damit sollte erstmals eine quantitative Beurteilung des Metabolismus bei Herzklappenvitien sowie eine Korrelation der so ermittelten Parameter mit dem klinischen Zustand der Patienten vor und nach der Operation versucht werden. Es wurden 21 Patienten mit Aortenklappenvitien untersucht, für 14 davon lagen auch die Werte der ersten Kontrolle nach einem Vierteljahr und für 5 die Werte nach einem Jahr vor. Aortenklappenvitien führen zu einer globalen Herzerkrankung (hier überwiegend linksventrikuläre Hypertro-phie bei Klappenstenose). Dies vereinfacht die spektroskopische Unter-suchung. Es wurde eine quantitative Untersuchung des Energiestoff-wechsels des Herzens dieser Patienten durchgeführt. Dabei ergaben sich Hinweise darauf, daß die Patienten um so mehr von der Operation profi-tieren, je schlechter ihre präoperativen Werte waren. Es konnte jedoch kein Parameter als Kriterium für den besten Operationszeitpunkt etabliert werden. Hierzu ist die Beurteilung der Nachkontrollen sowie generell ei-nes größeren Patientenkollektives abzuwarten. b) Das zweite Patientenkollektiv bildeten Patienten, die einen Herzinfarkt erlitten hatten, d.h. mit einer regionalen Herzschädigung. Sie wurden vor und ein halbes Jahr nach Therapie durch PTCA oder Bypass-Operation untersucht. Ziel war die Beurteilung der Untersuchung auf ihre Zuverlässigkeit bezüglich der Unterscheidung von vitalem und avi-talem Herzmuskel im Infarktbereich. Diese ist wichtig für die Entschei-dung, ob die Patienten von einer Operation profitieren können oder nicht. In dieser Studie wurden 50 Patienten untersucht, absolut eine geringe Anzahl, verglichen mit den Größen der bislang publizierten Studien je-doch eine sehr große Studie. Der Vergleich zwischen infarzierten und nichtinfarzierten Arealen mittels MRS sowie die quantitative Beurteilung metabolischer Schäden bei einem Infarkt wurde hier erstmalig durchge-führt. Dabei zeigte sich eine signifikante Unterscheidung der Absolutwerte von Patienten und Probanden. Ein Kriterium für die Unterscheidung zwi-schem avitalem und hibernating oder stunned myocardium konnte hier noch nicht gefunden werden, offensichtlich reicht hierfür das einfache Verhältnis PCr/g-ATP nicht aus. Eventuell kann eine Kombination von Pa-rametern gefunden werden. Im Vergleich der eigenen Ergebnisse mit de-nen des Goldstandards, d.h. den Dobutamin-Streß-MRI Untersuchungen wies die Spektroskopie eine Sensitivität von 47,1% gegenüber dem Gold-standard auf. Dies liegt unter anderem daran, daß bei der MRI-Untersuchung einzelne Segmente beurteilt werden konnten, während die Beurteilung einer regionalen Herzerkrankung aufgrund der geringen Ort-sauflösung der Spektroskopie noch Schwierigkeiten bereitet. Sollte es in Zukunft möglich sein, SLOOP-Spektren aus einzelnen Herzsegmenten zu erhalten, könnte sich dieser Wert verbessern. c) Die gemessenen 31P-Spektren wurden mit 3 verschiedenen Auswer-tungsprogrammen, LUISE, AMARES und SLOOP untersucht. Die so gewonnenen Ergebnisse sollten verglichen und die Verfahren hinsicht-lich Leistungsfähigkeit/Genauigkeit, Durchführbarkeit und Nutzen ver-glichen werden. Im Vergleich der drei Auswertungsverfahren stellte sich Folgendes her-aus: Kriterium LUISE AMARES SLOOP einfache Handha-bung/Erlernbarkeit ++ +++ + regionale Herzbeurtei-lung ++ ++ + Vergleichbarkeit der Ergebnisse + ++ +++ geringer Zeitaufwand ++ +++ + Abbildung 61: Vergleich der 3 Auswertungsverfahren Das während der Laufzeit dieser Arbeit entwickelte SLOOP-Verfahren brachte den Durchbruch zur Absolutquantifizierung. Damit wird eine Vergleichbarkeit der von zu verschiedenen Zeitpunkten, von verschiedenen Patienten und unter-schiedlichenn Arbeitsgruppen gewonnenen Daten ohne Korrekturfaktoren mög-lich. Die Güte der damit ermittelten Werte zeigt sich unter anderem darin, daß nur mit den SLOOP-Werten signifikante Ergebnisse im Vergleich mit den MRI-Daten erzielt werden konnten. Dies liegt an der Tatsache, daß bei den anderen Verfahren eine zu große Streuung der Werte auftritt. Im Vergleich der drei Auswertungsverfahren liefert aber derzeit AMARES am schnellsten und einfachsten verwertbare Daten.
Die Arbeit befasst sich mit der Frage, welche Bedeutung die Radiologie in ihrer Anfangszeit (1895-1912) für die Verselbstständigung der Kinderheilkunde zur eigenen klinischen Disziplin hatte. Sie verdeutlicht dies anhand ausgewählter Krankheitsbilder bei denen die Radiologie neue Erkenntnisse erbrachte, eine frühere und beweiskräftigere Diagnose ermöglichte, eine effektivere Therapie zuließ oder auch ein verstärktes Interesse an den medizinischen Besonderheiten des Kindesalters weckte. In diesem Zusammenhang werden auch Ergebnisse der entsprechenden Grundlagenforschung dargestellt, wie zum Beispiel die Ossifikationsstudien. Insgesamt werden, basierend auf konkreten Beispielen, Zusammenhänge zwischen radiologischer Forschung und der Forderung nach Verselbstständigung der Kinderheilkunde als eigenständige Disziplin hergestellt.
Rotatorenmanschettenrupturen stellen ein häufig auftretendes Krankheitsbild in der Bevölkerungsgruppe der „Über-40-Jährigen“ dar. Die führenden Methoden in der Diagnostik der Rotatorenmanschette sind neben der klinischen Untersuchung die Kernspintomographie und die Sonographie. Die Aussagekraft beider Methoden wurde im Rahmen von Untersuchungen an präoperativen und postoperativen Patienten verglichen. Die Ergebnisse zeigten eine ausgezeichnete Sensitivität (92,9%) und Spezifität (84,2%) der Sonographie in der Erkennung von Rupturen der Rotatorenmanschette, jedoch eine Abnahme der Sensitivität (71,4%) bei Differenzierung der Läsionen in partielle und komplette Rupturen. Bei der Beurteilung der postoperativen Rotatorenmanschette blieben kleine Läsionen aufgrund der Inhomogenität des Echomusters unerkannt, größere Rerupturen wurden in allen Fällen diagnostiziert. Die Treffsicherheit der Kernspintomographie ergab eine Sensitivität von 78.6% (64,3% bei Differenzierung, s.o.), eine Spezifität von 89,5%, wobei die Untersuchungen an einem Niederfeldgerät (0,2 Tesla) mit im Vergleich zu den in der Schulterdiagnostik standardmäßig eingesetzten Kernspintomographen geringerer Auflösung und verminderter Bildqualität durchgeführt wurden. Innerhalb des ersten postoperativen Jahres erschweren Artefakte die Diagnostik der rekonstruierten Rotatorenmanschette, danach erweist sich die Kernspintomographie als ein überaus spezifisches Verfahren, mit welchem auch kleine Läsionen dargestellt werden. Des Weiteren untersucht vorliegende Arbeit anhand von Patienten- und Probandenkollektiven mit rupturierten und intakten Rotatorenmanschetten, inwieweit sich bei unterschiedlichen Ausmaßen von Rotatorenmanschettenrupturen während einer passiven oder aktiven Abduktion des Armes eine Änderung der Biomechanik feststellen läßt. Bei Untersuchungen an einem offenen Kernspintomographen wurden erstmals Verhältnisse geschaffen, welche die aktive und passive Abduktion des Armes ohne und mit Belastung möglichst realitätsnah simulierten. Die Ergebnisse der dynamischen Untersuchung zeigen, daß Rupturen des M.supraspinatus alleine zu keiner signifikanten Veränderung des Bewegungsablaufs führen. Eine zusätzliche Beteiligung des M.infraspinatus dagegen verursachte sowohl im prä- als auch im postoperativen Kollektiv eine signifikante Verringerung des Subakromialraumes, bei zusätzlicher Belastung in den jeweiligen Abduktionsstellungen zeigte sich keine weitere signifikante Translation. Dies verdeutlicht die Rolle des M.infraspinatus, dessen Funktionsdefizit ein permanentes Höhertreten des Humeruskopfes zur Folge hat. Anhand vorliegender Ergebnisse besteht kein Hinweis auf die Bestätigung der These, biomechanische Veränderungen würden zeitlich vor morphologischen Sehnenläsionen auftreten. Sowohl in der präoperativen Diagnostik als auch in der Beurteilung postoperativer Rotatorenmanschetten besitzt die Kernspintomographie einen herausragenden Stellenwert. Durch die dynamische Untersuchung konnte die oft vernachlässigte Bedeutung des M.infraspinatus hervorgehoben werden, dessen Rekonstruktion bzw. Stärkung anzustreben ist, bevor es zu einer weiteren Störung der Biomechanik kommt. Die dynamische Kernspintomographie stellt somit eine wertvolle Methode zur Untersuchung physiologischer und pathologischer Bewegungsabläufe der Schulter dar.
Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Parameter der linksventrikulären Wandbewegung aus MR-tagging-Aufnahmen quantitativ zu analysieren. Die Auswertemethode sollte angewendet werden, um den physiologischen Kontraktionsablauf zu charakterisieren und pathophysiologische Veränderungen zu erfassen. Die tagging-Untersuchung wurde in einer basisnahen, mittventrikulären und einer apikalen Schicht des linken Ventrikels durchgeführt. Für die automatische Quantifizierung von Rotation, Kontraktion und Umfangsverkürzung wurde eine geeignete Software erstellt. Die Methode wurde bei 8 gesunden Probanden, 13 Patienten mit Aortenstenose vor und 1 Jahr nach Klappenersatz und 10 Patienten mit Myokardinfarkt vor und nach Revaskularisation angewendet. Die entwickelte Software gestattet die Quantifizierung der linksventrikulären Wandfunktion über die Bestimmung von Rotation, Kontraktion und Umfangsverkürzung. Bei den Probanden zeigte sich eine Wringbewegung mit gegenläufiger Rotation der Herzbasis zur Herzspitze. Vor Klappenersatz zeigten die Patienten mit Aortenstenose eine signifikant verstärkte apikale Rotation und Torsion. 1 Jahr postoperativ hatte sich die Torsion normalisiert. Bei den Patienten mit Myokardinfarkt zeigte sich nach Revaskularisierung eine Zunahme der Umfangsverkürzung im Infarktareal. Die Quantifizierung der linksventrikulären Wandbewegung mit MR-tagging-Aufnahmen ermöglicht die Charakterisierung und Verlaufsbeobachtungen von Veränderungen der linksventrikulären Wandfunktion bei verschiedenen Herzerkrankungen.
Die Arbeit zeigt bei verschiedenen Patientengruppen, dass mit Hilfe der quantitativen 31P-MR-Spektroskopie der Energiemetabolismus des Myokards beurteilt werden kann. Mit der gewählten Methode SLOOP ist nun auch eine Bestimmung der absoluten Konzentration der energiereichen Phosphate PCr und ATP möglich; im Gegensatz dazu wurde bisher nur das Verhältnis von PCr/ATP bestimmt. Die Beobachtungen bei Patienten mit Aortenklappenfehlern zeigten vor und nach Aortenklappenersatz Veränderungen, ebenso wurden bei Patienten mit Dilatativer Kardiomyopathie nach Einsatz von ß-Blockern bzw. nach Beginn regelmäßiger körperlicher Aktivität Verbessserungen des Energiestoffwechsels beobachet.
Quantitative 31P-MR-Spektroskopie am menschlichen Herzen und Etablierung von SLOOP am Skelettmuskel
(2003)
Die vorliegende Arbeit setzt sich mit dem Einsatz der 31P-Magnetresonanzspektroskopie (MRS) zur Untersuchung des menschlichen Herz- und Skelettmuskelstoffwechsels auseinander: [1] Mit der Anwendung und Implementierung der akquisitionsgewichteten CSI (AW-CSI) am menschlichen Herzen konnten wir den Einsatz dieser neuen Methode zur 31P-MR-Bildgebung am klinischen MR-Gerät etablieren. [2] Mit dem erstmaligen Einsatz von SLOOP am Skelettmuskel zur nicht-invasiven Quantifizierung des Energiestoffwechsels mit 31P-MRS erarbeiteten wir neue Untersuchungsprotokolle und konnten sie erfolgreich bei Probanden anwenden. [3] Mit der 31P-MRs konnten wir durch Bestimmung des PCr/ATP Verhältnisses Einflüsse und Veränderungen im Energiestoffwechsel sowohl im infarzierten als auch im nicht-infarzierten Myokard bei Patienten mit vitalem und avitalem anterioren Infarkt nachweisen (FAST). [4] Mit der klinischen Anwendung von SLOOP wurden subklinische Stoffwechselveränderungen bei Patienten mit multipler Sklerose (MS) und bei mit Mitoxantron (MX) therapierten MS-Patienten eruiert. [5] Mit dem erstmalig kombinierten Einsatz von SLOOP bei neuromuskulären Erkrankungen wie myotoner Dystrophie (DM1) und proximaler myotoner Myopathie (PROMM/DM2) wurden Zusammenhänge zwischen Krankheitsdauer, Krankheitsverlauf, Muskelschwäche und dem kardialen und skelettmuskulären Energiestoffwechsel untersucht, um zusätzliche Informationen zum Verständnis der Pathogenese und Entwicklung von DM1 und PROMM/DM2 zu gewinnen.
Die farbkodierte Duplexsonographie (FKDS) hat sich als nichtinvasive Methode zur Darstellung des Blutflußes innerhalb von Gefäßen sowie von Gefäßveränderungen etabliert. Während gute Ergebnisse der Farbduplexsonographie in großen Gefäßen über 0,51 mm vorliegen, konnte in einer Modellstudie an kleinen Gefäßen unter 0,51 mm festgestellt werden, daß die FKDS in kleineren Gefäßen systematisch zu niedrig mißt. Mit Hilfe des geprüften Echosignalverstärkers kann dieser systematische Fehler nicht behoben werden. Der Einsatz des Echosignalverstärkers bewirkt grundsätzlich nur eine geringe Zunahme der gemessenen Flußgeschwindigkeit. Dies ist unabhängig von dem Gerätetyp und der Schlauchgröße. Der maximale Effekt wird nach 10 bis 60 Sekunden erreicht. Die Messungen der drei Farbdopplergeräte QAD 1 (Firma Philips/Quantum), SONOLINE Elegra (Firma Siemens) und HDI 3000 (Firma Philips/ATL) unterscheiden sich in ihrer Auswertung signifikant. Die Ursache der großen Messdifferenzen unter den Geräte ist endgültig nicht geklärt. Wahrscheinlich liegt die Ursache in der internen Signalverarbeitung der Farbduplexgeräte.
Retrospektive Studie (1995-1999) aus dem Institut für Röntgendiagnostik der Universität Würzburg mit insgesamt 206 Patienten. Die Offenheitsraten der insg. 535 radiologischen Interventionen (PTA, Stentimplantationen) der Becken- und Beinarterien wurden in einer statistischen Auswertung nach Kaplan-Meier dargestellt. Dabei wurden die Ergebnisse auf die unterschiedlichen Grundparameter (Alter, Geschlecht, Risikofaktoren, Fontaine-Stadium, Gefäßlokalisation, Runoff, Stenosenart, Stenosenanzahl, Interventionsart...) bezogen.
In einem Zeitraum von Oktober 1997 bis Mai 1998 werden an 19 Patienten 22 Untersuchungen der Becken- und Bein-Arterien sowohl in MRA-Technik als auch als i.a. DSA durchgeführt. Hierbei finden im Rahmen der MRA-Untersuchung in allen Fällen die zeitaufgelöste, Kontrastmittel-unterstützte 3d-Flash-Sequenz und die EKG-getriggerte 2d-Flash-Multivenc-Pha-senkontrast-Sequenz Anwendung. Beide Methoden werden in der Diagnostik der pAVK von der Aortenbifurkation bis zum distalen Unterschenkel getestet und in 3 Fällen im Rahmen einer periinterventionellen Kontrolle vor und nach PTA eingesetzt. Das Patientenkollektiv setzt sich ausnahmslos aus Patienten mit pAVK zusammen, die häufig Nebenbefunde wie zum Beispiel einen Diabetes mellitus oder eine Niereninsuffizienz aufweisen. Die Auswertung der Angiographien erfolgt durch die Zuordnung der verschiedenen arte-riellen Abschnitte zu verschiedenen Stenosegraden und dem anschließenden statistischen Ver-gleich der Befunde der MRA und der i.a.DSA. Als Ergebnisse erhalten wir für die Kontrastmittel-unterstützte MRA eine Übereinstim-mungsrate mit der i.a. DSA von 79% sowie eine Sensitivität von 96,7% und eine Spezifität von 97% für die Abbildung hämodynamisch relevanter Stenosen. Die Sensitivität für die Detektion von Verschlüssen beträgt 97,8% und die entsprechende Spezifität 99,2%. Die Phasenkontrast-MRA zeigt im Vergleich mit der i.a.DSA eine schwächere Überein-stimmungsrate von 65,4% sowie eine Sensitivität von 88,3% und eine Spezifität von 85,6% für die Darstellung hämodynamisch relevanter Stenosen. Für die Diagnose eines Gefäßverschlus-ses ist die Sensitivität 89% und die Spezifität 91,8%. Als Schlußfolgerung wird festgestellt, daß die MRA eine nichtinvasive, zur i.a.DSA äqui-valente Untersuchungsmethode darstellt, die bei Kontraindikationen gegen die i.a.DSA einge-setzt werden kann. Im Vergleich zur Phasenkontrast-MRA ist die Kontrastmittel-unterstützte MRA sowohl ein schnelleres als auch ein präziseres Verfahren zur Diagnostik von Gefäßläsio-nen der Becken-Bein-Arterien und bietet den Vorteil der 3-dimensionalen Darstellung. Die Phasenkontrast-MRA ist insbesondere durch die einfache Durchführbarkeit und die fehlende Invasivität ebenfalls als Verfahren zur Diagnostik der peripheren AVK denkbar, jedoch ist zur exakten Stenosegraduierung im Bereich der Läsion eine nachgeschaltete Untersuchung mit weiteren Methoden nötig. Die MRA kann in der postinterventionellen, angiographischen Kontrolle eingesetzt werden. Für die Empfehlung zum routinemäßigen Einsatz in diesem Bereich sind jedoch Studien mit größeren Fallzahlen nötig. In naher Zukunft läßt sich die MRA-Technik durch die Entwicklung von leistungsfähi-geren Gradientenspulensystemen, neuen Prototypen von Oberflächenspulen, intelligenteren Nachverarbeitungs-Algorhytmen und Blutpool-Kontrastmitteln noch weiter optimieren. Die Evolution der MRA-Technik wird ihre Integration in die Routinediagnostik vereinfachen und ihr Indikationsspektrum erweitern.