Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie

Direktor: Prof. Dr. Thorsten Bley

Lungenbildgebung mit MRTHerbert Köstler

Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie

Direktor: Prof. Dr. Thorsten Bley

Abteilung für Experimentelle Radiologie

Leiter: Prof. Dr. Herbert Köstler

Anatomie der Lunge

Ast der Lungenarterie

terminale Bronchiole

Kapillargefäße

Alveolen

CT

Rek

on

stru

ktio

n

Patrick J. Lynch | http://de.wikipedia.org/wiki/Lunge | 2006

Lungenfunktion

(min)

)(

t

lVnVentilatio LUFT

(min)

)(

t

lVPerfusion BLUT

Belüftung der Lunge

Durchblutung der Lunge

Lungenfunktion

(min))(

)(

tgm

mlVnVentilatio LUFT

(min))(

)(

tgm

mlVPerfusion BLUT

Belüftung der Lunge

Durchblutung der Lunge

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichte

Suszeptibilitätsunterschiede

Bewegung, Fluß

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe ProtonendichteOptimierte (Sequenz-)Parameter

Bierderer et al. Insights Imaging 3; 355:2012

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe ProtonendichteOptimierte (Sequenz-)Parameter

Bierderer et al. Insights Imaging 3; 355:2012

Lungenbildgebung mit MRT: Morphologie

► 66jähriger Mann

► Röntgenthorax (a)

► Low dose CT (b)

► MRT: T2-gewichtet (c)

► MRT: T1-gewichtet (d)

► MRT: SSFP (e)

► MRT: T2-gewichtet; Fettsättigung (f)

Bierderer et al. Insights Imaging 3; 355:2012

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Restvolumen

Schwefelhexafluorid

scan times: (a) 260 ms, (b) 780 ms, and (c) 26 s.

Restvolumen

hyperpolarisiertes

Helium-3

Schreiber in Kauzor: MRI of the Lung 2009

Fluor und Helium

FluorProtonen

Restvolumen

Serie von 160 Lungenbildern eines

gesunden Probanden.

http://www.physik.uni-mainz.de/exakt/helium3/forsch/anwend/lung/index.html

Helium

Svenningsen et al., JMRI (2013) 38:1521-1530

► Asthmatiker

► Untersuchung vor und nach

Gabe eines Bronchodilatators

Restvolumen

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Suszeptibilität

http://mpec.sc.mahidol.ac.th/radok/physmath/PHYSICS/k12.htm

MR-Bildgebung

Pulsdiagramm

rf

Spin Echo

SE

T2* T2

90° 180°

Gradienten Echo

GRE

T2*: T2 und intra voxel dephasing

Relaxationszeiten im Lungengewebe

Patrick J. Lynch | http://de.wikipedia.org/wiki/Lunge | 2006

T1: 650 ms 1300 ms 1300 ms

T2: 30 ms

T2*: 10 ms < 2 ms 0,5 ms

0,2 T 1,5 T 3 T

MR-Bildgebung

Pulsdiagramm: GRE

rf

x

y

Akq

TE

TEmin bei GRE: 0,8 ms

MR-Bildgebung

Pulsdiagramm: UTE

rf

x

y

Akq

TEmin bei UTE: < 0,08 ms

TE

radial read out

UTE

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

O2-verstärkte MRT

O2 Luft

GewebeO2, gelöst

Dc

T2*

O2-verstärkte MRT

T2*-Karten

M. Beer ,… H. Köstler , et al. Radiologe 2009 · 49:732–738

Navigator.

@ 0,2 T

O2-verstärkte MRT

deutlichen Verkürzung von T2*

M. Beer ,… H. Köstler , et al. Radiologe 2009 · 49:732–738

T2*-Karten

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ .O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

IVIM

https://en.wikipedia.org/wiki/Intravoxel_incoherent_motion; Patel et al. JMRI 2010 · 31: 586–600

Diffusion-weighted SE

Diffusion-weighted MRI:

intravoxel incoherent motion (IVIM)

IVIM

GintB0Dc/d = 75 mT/m mit Alveolar-Durchmesser d =200 mmB0 = 1,5 TDc = 10 ppm

IVIM

a,b: Reference images acquired in diastole with TM1=2 msec: bint,1 = 3.8 s/mm2

c,d: Blood-suppressed images acquiredin end-systole with TM2=40 msec: bint,2 = 59 s/mm2

IVIM

maps of the blood volume fraction f of the human lung obtained at 1.5T

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Lungenbildgebung mit MRT

Atemstopp

► 66jähriger Mann

► Röntgenthorax (a)

► Low dose CT (b)

► MRT: T2-gewichtet (c)

► MRT: T1-gewichtet (d)

► MRT: SSFP (e)

► MRT: T2-gewichtet; Fettsättigung (f)

Bierderer et al. Insights Imaging 3; 355:2012

Navigator

T2*-Karten

M. Beer ,… H. Köstler , et al. Radiologe 2009 · 49:732–738

@ 0,2 T

Atemstopp Navigator

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Angiographie

TWIST: subtrahiert MIP Coronal, TR: 2,6 ms, TE: 0,9 ms, Flip angle: 27°

80 Schichten je 1,4 mm, Acq: 74 s: 19 time frames alle 3,9 s je 12,25 sFOV: 366 x 390 mm², Matrix: 224 x 352, double dose

Courtesy of Th. Pabst

Perfusion

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

g

Perfusion

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

perfusion

(blood flow)

g

Perfusion

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

mean transit time

MTT

g

Perfusion

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

distribution volume

(„blood volume“)

g

Perfusion

=

Ritter et al., MRM, 2006; 56: 844 - 849

Perfusion

scan time per image 300 msec,180 consecutive images of a single coronal slicetotal acquisition time 54 seconds

Perfusion

Signalverlauf in Lunge und TruncusPulmonalis bei verschiedenen KM-Mengen

Perfusion

PBF maps of a healthy volunteer, calculated fromdifferent contrast-agent doses: 0.5 mL (a), 1.0–2.0 mL (c).

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

perfusion

(blood flow)

Perfusion

PBV maps of a healthy volunteer, calculated fromdifferent contrast-agent doses: 0.5 mL (a), 1.0–2.0 mL (c).

-5 0 5 10 15 20 25 30 350,0

0,2

0,4

0,6

0,8

fermi

sig

nal in

ten

sit

y

time [s]

distribution volume

(blood volume)

Perfusion

@1.5 T: 32-element coil 3D FLASHTR: 1.74 ms; ET: 0.74 ms;flip angle: 20 degrees; 28 partitionsSchichtdicke 5 mm; field of view, 440 x 480 mm2; matrix size, 100 x 192; R = 3; 6/8 fourier sampling; scan time per slab: 1.5 s; 18 measurements, total acquisition time: 26 s.

Veldhoen et al. Investigative radiology 51, (2015)

Perfusion

„Small contrast boluses of 3 mL for Gd-DTPA, 1.5 mL for Gd-BOPTA, and 1.5mL for gadofosveset provided unbiased perfusion values and sufficient signal yield for lung parenchymameasurements“

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ .DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Spin Labeling: Prinzip

► Spin Labeling

► Auslöschung des Signals durch geeignete Schichtpräparation

► Resultierendes Signal in der Schicht von einfließendem Blut

[1] E. D. Pracht et al. | MRM | 56 | 1347-1351 | 2006

Spin Labeling: Prinzip

TSE Segment t

selektiv global

TI1

TL

TI2

200 400 600 800

t

-1

-0.5

0.5

1

M M0

Zeitlicher Verlauf der Magnetisierung

-M0

global

200 400 600 800

t

-1

-0.5

0.5

1

M M0

global selektiv

Gewebe in der Schicht

Blut außerhalbder Schicht

200 400 600 800

t

-1

-0.5

0.5

1

M M0

selektiv

Gewebe in der Schicht

Blut außerhalbder Schicht

global

TI1

200 400 600 800

t

-1

-0.5

0.5

1

M M0

Gewebe in der Schicht

Blut außerhalbder Schicht

global

TSE Segment

TL

TI2

TSE

S

egm

ent

M/M0

Stäb D. Diplomarbeit, Physik Würzburg 2007

Spin Labeling: Ergebnisse

upper right lower right upper left lower left whole right whole left

Q 1,6 ± 0,4 2,0 ± 0,4 1,3 ± 0,3 1,5 ± 0,4 1,9 ± 0,5 1,6 ± 0,4

@ 0,2 T

► Mehr SNR erforderlich

SNR: 5

Perfusion / (ml /min /ml)

Stäb D. Diplomarbeit, Physik Würzburg 2007

Spin Labeling: Ergebnisse

@ 1,5 T: SEEPAGESNR: 5

Fischer A. et al. JMRI 27:63-70 (2008)

Spin Labeling: Ergebnisse

@ 1,5 T: SEEPAGESNR: 5

Fischer A. et al. JMRI 27:63-70 (2008)

a: HASTE image of a 51-year-old patient suffering from nonsmall-cell lung cancer. b: SEEPAGE perfusion-weighted image

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ .DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Fourier Decomposition

Echtzeitbildgebung

Rapid acquisition of untriggered/ ungated images (ca. 3 images per second, no breathhold, no ECG)

Fourier Decomposition

Before morphingAfter morphing

InspirationReference stateExpiration

Fourier Decomposition

Bauman et al. MRM 62: 656-664 (2009)

Fourier Decomposition

Fourier Transform

Fourier Decomposition

Bauman. et al. MRM 62: 656-664 (2009)

Ventilation Perfusion

Fourier Decomposition

Fourier Decomposition

(A) (B) (C) Qw image

(D) (E) (F) Vw image

very good quality good quality non-diagnostic quality

Lederlin M. et al. Eur. J. Radiol. 82: 1015-1022 (2013)

Fourier Decomposition

Morphological CT in coronal view (a) of a patient with cystic parenchymal defect in the lower lobe of the right lung (arrows) shows a tissue density malformation. A perfusion defect in DCEMRI perfusion map (b) is clearly visible on the perfusion-weighted image (c) obtained using the Fourier decomposition method

CT DCE FD

Lederlin M. et al. Eur. J. Radiol. 82: 1015-1022 (2013)

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ .DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

SENCEFUL

Acquisition of a short non-phase-encoded gating signal after each readout step

Measurement: Free breathing, no ECG triggering

Imaging

DC signal

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SElf-gated Non-Contrast Enhanced FUnctional Lung imagingSENCEFUL

DC Gating

DC signal = sum over all voxels in the volume

Pick a coil near the diaphragm for respiratory gating

Pick a coil near the heart for cardiac gating

Expiration

Inspiration

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL setzt keine konstante Atem- / Herzfrequenz

voraus

SENCEFUL

Veldhoen, … Köstler, et al. Radiology: 283: 242 – 251 (2017)

SENCEFUL

Veldhoen, … Köstler, et al. Radiology: 283: 242 – 251 (2017)

B: HASTE: atelectasis of the left upper lobe in a 21-year-old male patient. C: Ventilation-weighted functional SENCEFUL map: ventilation defect. D: HASTE: regional fibrosis andbronchiectasis in this 30-year-old female patient with CF. F: SENCEFUL : ventilation deficits

► Perfusion

SENCEFUL

SENCEFUL

Fischer A. et al. NMRBioMed 27: 907-917 (2014)

SENCEFUL

SENCEFUL SEEPAGE

► Perfusion

SPECT SENCEFUL

Kestler et al. CircImaging 2016

SENCEFUL

ISMRM 20150981

SENCEFUL

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

0 200 400 600 800 1000

Gefäß

Parenchym

Delay / Phase

Zeit [ms]

Rel

. Sig

nal

Perfusion and perfusion phase maps obtained from a healthy volunteer (left) and a 30 year old patient with Cystic Fibrosis (right).

ISMRM 20150981

SENCEFUL

► Perfusion

gesund zystische Fibrose

Veldhoen et al. ISMRM 2016

SENCEFUL

SENCEFUL UTE

ISMRM 2017

Pereira et al. ISMRM 2017

UTE

Rekonstruktion

verschiedener

Atemzustände

ISMRM 2017

SENCEFUL UTE

ISMRM 2017

Lungenbildgebung mit MRT

Geringe Protonendichteo Optimierte (Sequenz-)Parameter

+ Darstellung des Restvolumens

Suszeptibilitätsunterschiedeo Messung mit UTE

+ O2-verstärkte MRT, interne Diffusions-MRT

Bewegung, Flußo Triggering, Atemstop

+ DCE-MRI, Spin-labeling,

Fourierdekomposition, SENCEFUL

Experimentelle Radiologie

Lungenbildgebung mit MRT

„Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!“

Lungenbildgebung mit MRT