Eine Sequenz, alle Daten

MR-Fingerprinting und Compressed Sensing: die Revolution kommt in die Klinik

MR-Fingerprinting und Compressed Sensing sind zwei Verfahren, mit denen MR-Sequenzen um ein Vielfaches schneller durchgeführt werden können als derzeit. Aber nicht nur das.

Bericht: Michael Krassnitzer

Courtesy U of Vienna: S. Kitzer, W. Bogner, B. Strasser, E. Springer, S. Trattnig
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Prof. Dr. Siegfried Trattnig, medizinischer Leiter des High Field MR Centre (HFMRC) der Medizinischen Universität Wien.
Quelle: MedUni Wien/Hammerschmidt

„MR-Fingerprinting wird die Magnetresonanztomographie revolutionieren. Es wird die Art, wie wir heute MRT-Untersuchungen durchführen, grundlegend ändern“, ist Univ.-Prof. Dr. Siegfried Trattnig, Leiter des Exzellenzzentrums für Hochfeld-MR der Medizinischen Universität Wien, überzeugt: Mit MR-Fingerprinting ist es möglich, ganz individuelle quantitative Karten des untersuchten Gewebes eines Patienten zu erstellen, sogenannte T1- und T2-Maps (die Längsrelaxationszeit T1 und die Querrelaxationszeit T2 sind zusammen mit der Protonendichte die grundlegenden Parameter bei der MR-Bildgebung). Auf diese Weise entsteht gewissermaßen ein kernspintomographischer Fingerabdruck des Patienten, wie Trattnig erläutert. „Denn die mit MR-Fingerprinting erzeugten Maps sind nicht abhängig von der Sequenz oder vom Scanner. Egal, ob ein Patient in Wien, in Heidelberg oder in New York untersucht wird: MR-Fingerprinting liefert immer die gleichen Werte. Es besteht also erstmals die Chance, MR zu standardisieren und vorteilhaft in Multicenter Studien einzusetzen.“

MR-Fingerprinting ist ein fundamental neuer Ansatz, Magnetresonanztomographie durchzuführen

Siegfried Trattnig

MR-Fingerprinting eröffnet auch weitere Möglichkeiten: „Wenn man solche T1- und T2-Maps hat, kann man daraus die üblichen, dem Radiologen vertrauten Kontrastbilder beliebig künstlich herstellen“, bekräftigt Trattnig. Das bringt eine erhebliche Beschleunigung mit sich. Trattnig nennt dies „one stop shopping“: „In einer einzigen Sequenz, die vielleicht fünf Minuten dauert, erhält man alle quantitativen Daten – T1, T2, Protonendichte – und kann zusätzlich aus diesen Daten alle Kontrastbilder herstellen, die man mit der bisherigen konventionellen Bildgebung bekommt.“

Gehirntumor mit MR-Fingerprinting.
Gehirntumor mit MR-Fingerprinting.
Courtesy U of Vienna: S. Kitzer, W. Bogner, B. Strasser, E. Springer, S. Trattnig

Das dahinter stehende Prinzip ist nicht einfach zu erklären. „MR-Fingerprinting ist ein fundamental neuer Ansatz, Magnetresonanztomographie durchzuführen“, erläutert Trattnig. Bislang wurden MR-Bilder auf den T1- oder T2-Relaxationskurven aufgebaut mit fixen Sequenzparametern (z.B. TR-Zeit oder Flip-Winkel). Beim MR-Fingerprinting hingegen gibt es keine fixen Parameter mehr. „Mit einer einzigen Spiralsequenz wird eine große Zahl an Bildern akquiriert, wobei bei jedem einzelnen dieser Bilder die genannten Parameter nach dem Zufallsprinzip variieren“, erklärt der Wiener Radiologe. So entstehen innerhalb von 30 bis 40 Sekunden 3.000 bis 5.000 Bilder mit unterschiedlichen TR-Zeiten oder Flip-Winkeln. Diese Bilder sind für sich genommen von geringer Qualität, weil auch nur einzelne Punkte des K-Raumes rekonstruiert werden. Verfolgt man allerdings einen dieser Punkte (Pixel) auf allen Bildern, erhält man für dieses Pixel eine aussagekräftige Signalintensitätskurve über die Zeit. Diese Signalintensitätskurve ergibt für den Patienten den MR-„Fingerabdruck“. Dieser wird dann mit einer Datenbank („Dictionary“) verglichen. Diese Datenbank kann rechnerisch aus den zufällig gewählten Sequenzparametern und den zu erwartenden T1- und T2-Relaxationszeiten des untersuchten Gewebes durch die Bloch-Gleichung berechnet werden. Mittels eines Mustererkennungs-Tools wird der beste Match des MR-Fingerprints (der individuellen Signalintensitätskurve) des Patienten mit der Datenbank gesucht und dieser beste Match gibt die genaue T1- und T2-Verteilung dieses Patienten sowie die Protonendichteverteilung im Gewebe anhand von T1- und T2-Maps wieder.

Zu den klinischen Anwendungsmöglichkeiten zählt etwa die Herzbildgebung. Bei einer dilatativen oder hypertrophen Kardiomyopathie oder einer Myokarditis spielt T1-Mapping zunehmend eine wichtige Rolle. „T1-Mapping ohne MR-Fingerprinting ist allerdings langwierig, eine Sequenz dauert bis zu acht bis zehn Minuten“, erläutert Trattnig: „Mit MR-Fingerprinting können mit einem Atemanhalten T1- und T2-Maps erstellt und aus diesen Daten Kontrastbilder synthetisch hergestellt werden.“

Der Patient kann ganz normal atmen, während die K-Raum-Daten kontinuierlich aufgenommen und retrospektiv rekonstruiert werden

Siegfried Trattnig

Auch Compressed Sensing beschleunigt die MR-Bildgebung – allerdings auf eine andere Art und Weise. Die Kompression von Daten ist der breiten Bevölkerung vor allem durch mp3 oder JPEG bekannt geworden. JPEG erlaubt typischerweise die Reduktion der Dateigröße auf einen Bruchteil des komprimierten Bildes. Damit ist ein Großteil der akquirierten Daten für die fehlerfreie Darstellung des Bildes irrelevant. Eine Kernspintomographie dauert normalerweise deshalb so lange, weil eine große Anzahl von Punkten aus der MR-Rohdatenmatrix (K-Raum) ausgelesen wird, um daraus Bilder zu erstellen. „Viele Punkte im K-Raum sind jedoch für die spezifische Untersuchung unwichtig“, erklärt Trattnig die Idee hinter Compressed Sensing. Das beste Beispiel ist die MR-Angiographie, bei der nur die Gefäße interessant sind, aber nicht das Gewebe rundherum. Laut einer Übersichtsarbeit lässt sich bei der MR-Angiographie mit Compressed Sensing eine Beschleunigung um den Faktor 12,5 erzielen.

Während MR-Fingerprinting sich noch im experimentellen Stadium befindet, hält Compressed Sensing gerade Einzug in die klinische Routine. Ein neuer Drei-Tesla-Scanner der Firma Siemens stellt bereits Compressed Sensing für Untersuchungen des Abdomens oder der Leber zur Verfügung. „Der Patient kann ganz normal atmen, während die K-Raum-Daten kontinuierlich aufgenommen und retrospektiv rekonstruiert werden“, berichtet Trattnig. Auch in der Herzbildgebung kann dies vorteilhaft bei Patienten mit Arrythmien oder eingeschränkter Lungenfunktion eingesetzt werden. Bislang mussten sich die Radiologen zwischen einer hohen zeitlichen und einer hohen räumlichen Auflösung entscheiden: „Mit Compressed Sensing ist erstmals beides gleichzeitig möglich“, wie Trattnig unterstreicht. Auf diese Weise können etwa Tumore besser detektiert und differenzialdiagnostisch besser unterschieden werden. 

Eine weitere Anwendung für Compressed Sensing sieht Trattnig in der Kinderradiologie. Um jetzt eine MR-Untersuchung bei kleinen Kindern durchzuführen, müssen diese sediert oder narkotisiert werden; das allerdings kann in der weiteren Entwicklung einen negativen Einfluss auf die neurokognitiven Fähigkeiten haben. Mit den schnellen Sequenzen, die Compressed Sensing ermöglicht, kann etwa eine MR-Angiographie in deutlich kürzerer Zeit beim kleinen Kind durchgeführt werden, was die Dauer der Sedierung oder der Allgemeinanästhesie deutlich zu verkürzen hilft. 


Profil:

Univ.-Prof. Dr. Siegfried Trattnig ist Professor für Radiologie mit besonderem Schwerpunkt Hochfeld-MR an der Medizinischen Universität Wien. Seit dem Jahr 2000 ist er Medizinischer Leiter des Hochfeld-MR-Forschungsscanners und seit seiner Gründung im Jahr 2003 auch des High Field MR Centre (HFMRC) der MedUni Wien. Trattnig ist Mitglied in mehr als 50 Komitees in allen wichtigen internationalen radiologischen, orthopädischen und MR-Gesellschaften und Autor von über 480 Fachartikeln. 


Veranstaltungshinweis

Fr, 11.05.18, 08:00-09:30: 

Klinische Anwendung neuer, schneller MR-Bildgebungstechniken: compressed sensing und MR-Fingerprinting

S. Trattnig (AT-Wien)

Wissenschaftliche Sitzung: MRT-Innovationen: schnelle Bildgebungstechniken und neue Kontraste

09.05.2018

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