Die MRT-Perfusion des Gehirns ist eine fortschrittliche bildgebende Technik, die es ermöglicht, die Durchblutung des Gehirns detailliert zu untersuchen. Diese Methode spielt eine entscheidende Rolle bei der Diagnose und Überwachung verschiedener neurologischer Erkrankungen.
Einführung in die MRT-Perfusion
Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich in der neurologischen Diagnostik als unverzichtbares Instrument etabliert. Neben der Darstellung anatomischer Strukturen ermöglicht die funktionelle MRT (fMRT) die Untersuchung von Gehirnaktivitäten bei verschiedenen Aufgaben. Die MRT-Perfusion, auch als perfusionsgewichtete MRT (PWI) bekannt, ist eine spezielle Form der MRT, die Informationen über die Durchblutung und Vaskularisation des Gehirns liefert. Sie ermöglicht die Beurteilung der Neoangiogenese (Gefäßneubildung) und der Gefäßversorgung intrazerebraler Raumforderungen und trägt somit zur besseren Differenzierung zwischen verschiedenen Tumorentitäten bei.
Prinzip der funktionellen MRT (fMRT)
Die fMRT basiert auf dem Prinzip, dass aktive Nervenzellen in bestimmten Hirnarealen einen erhöhten Bedarf an Sauerstoff und Glukose haben. Um diesen Bedarf zu decken, kommt es zu einer Steigerung der Durchblutung in den aktivierten Arealen. Das sauerstoffreiche Blut verändert das lokale Magnetfeld, was durch spezielle MRT-Sequenzen nachgewiesen werden kann. Durch komplexe Nachverarbeitung der Bilddaten können diese Veränderungen dargestellt und als Aktivität der entsprechenden Hirnareale identifiziert werden.
Indikationen für die fMRT
Die vorrangige Indikation für eine fMRT-Untersuchung ist die Diagnostik vor Hirnoperationen, insbesondere zur Bestimmung der räumlichen Lage von Spracharealen. Dies ist besonders wichtig, wenn das Operationsgebiet in der Nähe von sprachrelevanten Hirnarealen liegt. Da die Sprachzentren in den meisten Fällen in der linken Großhirnhemisphäre lokalisiert sind, hilft die fMRT, das Risiko von Komplikationen während und nach der Operation abzuschätzen.
Ablauf der MRT-Perfusion Untersuchung
Der Ablauf einer MRT-Perfusion ähnelt einer herkömmlichen MRT-Untersuchung. Der Patient liegt in einem MRT-Gerät, während verschiedene Aufgaben gestellt werden, die über einen Bildschirm präsentiert werden. Diese Aufgaben können sowohl aktive Antworten mittels Druckknöpfen erfordern als auch passive Aufgaben sein, bei denen sich der Patient etwas zu einem angezeigten Wort vorstellen soll. Vor jeder Aufgabe erfolgt eine Einweisung durch das medizinisch-technische Radiologieassistenzpersonal (MTRA). Der Aufgabenteil dauert etwa 20 Minuten. Anschließend werden die Bilder aufwendig ausgewertet und aufbereitet, um den behandelnden Ärzten eine bessere Einschätzung der Komplikationen des geplanten Eingriffs zu ermöglichen.
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Was ist bei der Untersuchung zu beachten?
Eine aktive Mitarbeit des Patienten ist bei der fMRT-Untersuchung besonders wichtig. Es erfolgt keine Bewertung, ob die Aufgaben richtig oder falsch gelöst wurden; entscheidend ist der Einsatz des Patienten.
Funktionelle Bildgebung: Erweiterte diagnostische Möglichkeiten
Funktionelle Bildgebung umfasst bildgebende Verfahren, die über die üblichen konventionellen MR-Aufnahmen hinaus zusätzliche Informationen über die Beschaffenheit und den Stoffwechsel (Metabolismus) von krankhaften Veränderungen im Gehirn liefern. Sie ermöglicht eine präzisere Diagnosestellung.
MR-Spektroskopie (MRS)
Die MR-Spektroskopie (MRS), auch "molecular imaging" genannt, ermöglicht die nicht-invasive Gewinnung von Informationen zum Metabolismus in verschiedenen zerebralen Pathologien. Diese Informationen können nach mehreren Verarbeitungsschritten in Form von Kurvenkonstellationen dargestellt werden und helfen, verschiedene Differentialdiagnosen präziser zu unterscheiden. Dies ist besonders wichtig bei Hirntumoren, um den Malignitätsgrad zu bestimmen. Die Darstellung des malignsten Teils eines Hirntumors kann dem Neurochirurgen bei der Probenentnahme oder Tumorentfernung helfen.
Perfusionsgewichtete MRT (PWI)
Die perfusionsgewichtete MRT (PWI) liefert Informationen zur Neoangiogenese (Gefäßneubildungen) und Vaskularisation (Gefäßversorgung) innerhalb der intrazerebralen Raumforderungen. Diese Untersuchung kann mit oder ohne Kontrastmittel erfolgen, wobei kontrastmittelgestützte Untersuchungen genauere Ergebnisse liefern. Der große Vorteil der PWI ist die kurze Akquisitionszeit von etwa 2 Minuten.
Anwendung der fMRT in der präoperativen Diagnostik
Die fMRT ist besonders in der präoperativen Diagnostik von Bedeutung. Wenn sich ein intrazerebraler Prozess (Tumor, Abszess usw.) in einer eloquenten (funktionell wichtigen) Hirnregion befindet, ist es wichtig, vor einem geplanten operativen Eingriff neben den anatomischen auch die funktionellen Grenzen dieser Region zu kennen. Mittels fMRT können die Faserbahnsysteme im Gehirn und deren mögliche Affektion bei verschiedenen intrazerebralen Pathologien dargestellt werden. Es können Aussagen darüber getroffen werden, ob durch einen Hirntumor eine Infiltration entlang der Faserbahnen (partiell oder komplett) vorliegt.
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Morphologische MRT-Sequenzen und ihre Grenzen
Traditionelle morphologische MRT-Sequenzen stoßen bei der Charakterisierung des Hirngewebes oft an ihre Grenzen. Zwar können mittels morphologischer Analyse Ödeme und Tumoren erkannt werden, eine genaue Subtypisierung ist jedoch häufig schwierig.
Dynamische kontrastmittelverstärkte MRT (DCE-MRT)
Eine Arbeitsgruppe der neuroradiologischen Abteilung des Universitätsklinikums Erlangen hat eine ultraschnelle, hochaufgelöste, isotrope Sequenz entwickelt, die mit einer zeitlichen Auflösung von unter 2 Sekunden die Tumordurchblutung nach der Bolus-Kontrastmittelgabe exakt aufzeigen kann. Dieses Verfahren basiert auf den Erfahrungen mit der quantitativen DCE-MRT der Brust, bei der Mammakarzinome spezifische Perfusionsmuster aufweisen. Tumoren ab einer Größe von 3 mm haben die Fähigkeit zur Neoangiogenese, was zu einer schnelleren und stärkeren Blutzufuhr führt. Dieser sogenannte Wash-out lässt sich mittels DCE-MRT nachzeichnen und hat positive Auswirkungen auf die Differenzialdiagnostik und die Subtypisierung des Tumors sowie die Therapie-Response.
Herausforderungen und technische Anforderungen
Die Schwierigkeit einer T1-gewichteten Perfusionsbildgebung des Gehirns lag bisher in der zeitlichen Auflösung, die im Sekundenbereich liegen muss. Das von der Erlanger Arbeitsgruppe angewandte Protokoll basiert auf einem intelligenten Sequenzansatz, der mit einer K-Raum-Auslese viel Messzeit spart. Die Methode ist jedoch komplex und stellt hohe technische Anforderungen an die Datennachbearbeitung, weshalb der Einsatz der DCE-MRT in der Neurobildgebung derzeit nur in spezialisierten Zentren Anwendung findet.
Zukünftige Perspektiven der DCE-MRT
Es besteht die Möglichkeit, anhand der Anreicherungsmuster auf die Entität des Primärtumors zu schließen, Patienten in Risikoklassen zu unterteilen und idealerweise das Ansprechen auf teure Medikamente frühzeitig vorherzusagen.
MRT-Perfusion bei Alzheimer-Demenz
Die Alzheimer-Demenz (AD) ist durch kognitive Störungen wie Gedächtnis-, Sprach- und Denkeinschränkungen gekennzeichnet, die die alltagspraktischen Fertigkeiten beeinträchtigen. Da therapeutische Strategien in den leichten Stadien der Erkrankung am wirkungsvollsten sind, ist eine frühzeitige Diagnose der AD erforderlich. Volumetrische MRT-Messungen des Gehirns haben gezeigt, dass bestimmte Gehirnregionen des medialen Temporallappens bereits in einem Anfangsstadium betroffen sind. Die Perfusions-MRT könnte eine attraktive Alternative darstellen, da sie zusammen mit einer strukturellen MRT-Untersuchung durchgeführt werden kann und kostengünstiger als die PET ist.
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Forschungsprojekte zur MRT-Perfusion bei Alzheimer
Dr. Peter Schönknecht und seine Mitarbeiter vermuten, dass die leichte kognitive Beeinträchtigung (LKB) durch strukturelle und funktionelle Veränderungen des medialen Temporallappens charakterisiert ist, die sich im klinischen Verlauf bei Patienten verstärken, die später eine AD entwickeln. Des Weiteren besteht die Annahme, dass in der Perfusions-MRT und der PET ähnliche Muster der zerebralen Veränderung auftreten, die mit spezifischen neuropsychologischen Defiziten in einem Zusammenhang stehen, die in Abhängigkeit von Bildungsniveau und Trainingsgrad variieren können.
Weitere Anwendungen der MRT-Perfusion
Die Arbeitsgruppe Neuroimaging und funktionelle Bildgebung der Abteilung für Neuroradiologie beschäftigt sich neben der fMRT und der MR-Traktographie auch mit weiteren Untersuchungen zur Struktur des menschlichen Gehirns (MR-Morphometrie), Durchblutungsmessungen mit und ohne Kontrastmittel (kontrastverstärkte Perfusion und Arterial-Spin-Labeling) sowie nichtinvasiven Bestimmungen von mechanischen Gewebeeigenschaften (MR-Elastographie) und von Stoffwechselprodukten im Gehirn (MR-Spektroskopie).
Lokalisierung von Hirnarealen und Faserbahnen
In der Patientenversorgung werden diese Methoden eingesetzt, um vor neurochirurgischen und anderen Eingriffen wichtige, 'eloquente' Hirnareale und Faserbahnen, z.B. der Sprachverarbeitung, zu lokalisieren. Dadurch können sie bei der Operationsplanung und -navigation besser geschützt werden. Es ist heute möglich, solche Eingriffe bereits am Computer zu planen. Bei dieser virtuellen Neurochirurgie simuliert der Neuroradiologe für den Operateur den Bezug der funktionell wichtigen, aktiven Hirnregionen zu der zu entfernenden Läsion.
Multimodale Anwendung der MRT-Verfahren
Die multimodale Anwendung der oben genannten Verfahren gestattet es, zum Beispiel einen Hirntumor und seine Mehrdurchblutung in den besonders aggressiven Anteilen zusammen mit den zu schützenden, sprachtragenden Hirngebieten und Faserbahnen vor dem Eingriff so genau wie möglich zu erfassen.
Zusammenarbeit und Forschung
Die Arbeitsgruppe Neuroimaging arbeitet seit Jahren eng mit anderen, international renommierten Institutionen auf diesem Gebiet zusammen, so mit dem Massachusetts General Hospital und dem Martinos Center for Biomedical Imaging der Havard-Universität und dem FMRIB Centre der Universität Oxford. Dadurch werden die fortschrittlichsten Software-Entwicklungen - wie FSL und FreeSurfer - nicht nur genutzt sondern auch passend zu den klinischen Anwendungen von uns in der Entwicklung mitgestaltet.
Hypoxie und Neovaskularisation
Hypoxie (Sauerstoffmangel) ist ein bekannter Auslöser der Neovaskularisation. Es besteht eine starke Beziehung zwischen der Neubildung von Tumorvaskulatur, der Sauerstoff- und Nährstoffversorgung und den Pfaden des Energiestoffwechsels (Warburg-Effekt). In enger Zusammenarbeit mit der Klinik für Neurochirurgie konnte in einem gemeinsamen Projekt zur Korrelation von Sauerstoffmetabolismus und Neovaskularisierung gezeigt werden, dass diese beiden Faktoren im Vergleich zu anderen, herkömmlichen bildgebenden Biomarkern am besten für die Differenzierung des IDH1-Genmutationsstatus bei anaplastischen Gliomen geeignet sind.
Differenzierung von Therapiefolgen und Tumorprogress
Auch bei der Differenzierung von Therapiefolgen (Pseudoprogress) und wahrem Tumorprogress von hochmalignen Gliomen sind diese Techniken in Ergänzung zur Perfusionsbildgebung äußerst hilfreich.
Weitere bildgebende Verfahren in der Neurologie
Neben der MRT-Perfusion gibt es weitere bildgebende Verfahren, die in der neurologischen Diagnostik eingesetzt werden.
Computer-Tomographie (CT)
Die Computer-Tomographie (CT) erzeugt überlagerungsfreie Schnittbilder quer zur Körperachse, indem die Schwächung von Röntgenstrahlen durch den Körper des Patienten aus verschiedenen Richtungen gemessen wird. Die CT ist in der Standardversorgung als auch in der Notfalldiagnostik vor allem zur Diagnostik von Verletzungen oder krankhaften Veränderungen mit hoher Dichte geeignet, wie sie beispielsweise bei Blutungen und den Knochenstrukturen gemessen wird.
CT-Perfusion beim Schlaganfall
Beim akuten Schlaganfall spielt die CT-Perfusion eine wichtige Rolle in der Notfalldiagnostik. Hierzu erfolgen mehrere rasche Messungen nacheinander, so dass man die Anflutung und Abflutung des Kontrastmittels im Gehirngewebe messen kann.
Ultraschall (Sonographie)
Beim Ultraschall wird der Doppler-Effekt genutzt, um den Blutfluss in den Gefäßen zu visualisieren. Damit lassen sich Verengungen (Stenosen) und Verschlüsse, aber auch Umgehungskreisläufe der Hals- und Kopfgefäße des Hirnkreislaufs erkennen. Die neurologische Gefäßultraschalldiagnostik ist heutzutage eine Standardmethode in der Ursachenklärung von Schlaganfällen.
Angiographie (Arteriographie)
Bei der Angiographie wird nach einer örtlichen Betäubungsspritze in der Leiste das Kontrastmittel mit einer feinen dünnen Nadel direkt in die Leistenarterie gespritzt. Mit einer gleichzeitig durchgeführten Röntgenaufnahme lässt sich die Ader dann sichtbar machen. Über die Schlagader kann dann ein ganz dünner Schlauch (Katheter) bis in die hirnversorgenden Gefäße vorgeschoben werden.
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nuklearmedizinisches bildgebendes Verfahren, um Informationen über den Stoffwechsel des Körpers zu gewinnen. Um die Stoffwechselprozesse sichtbar zu machen, werden sehr schwach radioaktive Substanzen (Tracer) eingesetzt. Diese werden dann nach Injektion im Körper weiter verstoffwechselt.
PET bei Alzheimer und Tumorerkrankungen
Bei bestimmten Erkrankungen wie zum Beispiel der Alzheimer-Krankheit können im PET Veränderungen des Zuckerstoffwechsels im Gehirn sichtbar gemacht werden. Bei Tumorerkrankungen zeigt sich ein hoher Zuckerstoffwechsel im Vergleich zu normalem, gesundem Gewebe.
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