Rofo 2005; 177(5): 660-669
DOI: 10.1055/s-2005-858063
Thorax

© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Funktionelle Bildgebung der Lunge mit gasförmigem Kontrastmittel: ³Helium-Magnetresonanztomographie

Functional Imaging of the Lung Using a Gaseous Contrast Agent: ³Helium-Magnetic Resonance ImagingK. K. Gast1 , C. P. Heußel1 , W. G. Schreiber2 , H.-U Kauczor3
  • 1Klinik mit Poliklinik für Radiologie, Klinikum der Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
  • 2AG Medizinische Physik, Klinik mit Poliklinik für Radiologie, Klinikum der Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
  • 3Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Heidelberg
Die Studien mittels hyperpolarisiertem ³He an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurden unterstützt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, FOR474), die Europäische Union („PHIL”) und Amersham Health/GE Healthcare.
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Publikationsverlauf

Publikationsdatum:
04. Mai 2005 (online)

Zusammenfassung

Aktuelle bildgebende Untersuchungsmethoden der Lunge konzentrieren sich auf die Darstellung der Morphologie bzw. des Parenchyms dieses Organs. Hierbei kommt die Computertomographie zum Einsatz, sobald eine subtilere Diagnostik als eine konventionelle Röntgen-Übersichtsaufnahme gebraucht wird. Funktionelle Informationen zeigt die Computertomographie jedoch nur eingeschränkt auf. Diese Informationen werden aus der Blutgasanalyse, der Spirometrie und der Ganzkörper-Plethysmographie gewonnen. Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, keinerlei regionale Zuordnungen von Pathologien zu erlauben. Die Magnetresonanztomographie der Lunge hat erhebliche Fortschritte durch die Nutzung von hyperpolarisiertem ³Helium als gasförmiges „Kontrastmittel” erfahren. Mit diesem Kontrastmechanismus können funktionelle Informationen mit örtlicher Zuordnung gewonnen werden. Zudem bietet die Methode eine hohe örtliche und zeitliche Auflösung und bringt keine Belastung durch ionisierende Strahlen mit sich. Limitierungen der Methode liegen derzeit bei eher hohen Kosten und einer eingeschränkten Verfügbarkeit. Dieser Übersichtsartikel soll einerseits die Methodik der Magnetresonanztomographie der menschlichen Lunge mittels hyperpolarisiertem ³Helium beleuchten, andererseits den derzeitigen Stand der Kenntnis der Methode unter besonderer Berücksichtigung der Neuerungen der letzten Zeit aufzeigen.

Abstract

Current imaging methods of the lung concentrate on morphology as well as on the depiction of the pulmonary parenchyma. The need of an advanced and more subtle imaging technology compared to conventional radiography is met by computed topography as the method of choice. Nevertheless, computed tomography yields very limited functional information. This is to be derived from arterial blood gas analysis, spirometry and body plethysmography. These methods, however, lack the scope for regional allocation of any pathology. Magnetic resonance imaging of the lung has been advanced by the use of hyperpolarised ³Helium as an inhaled gaseous contrast agent. The inhalation of the gas provides functional data by distribution, diffusion and relaxation of its hyperpolarised state. Because anatomical landmarks of the lung can be visualised as well, functional information can be linked with regional information. Furthermore, the method provides high spatial and temporal resolution and lacks the potential side-effects of ionising radiation. Four different modalities have been established: 1. Spin density imaging studies the distribution of gas, normally after a single inhalation of contrast gas in inspiratory breath hold. 2. Dynamic cine imaging studies the distribution of gas with respect to regional time constants of pulmonary gas inflow. 3. Diffusion weighted imaging can exhibit the presence and severity of pulmonary airspace enlargement, as in pulmonary emphysema. 4. Oxygen sensitive imaging displays intrapulmonary oxygen partial pressure and its distribution. Currently, the method is limited by comparably high costs and limited availability. As there have been recent developments which might bring this modality closer to clinical use, this review article will comprise the methodology as well as the current state of the art and standard of knowledge of magnetic resonance imaging of the lung using hyperpolarised ³Helium.

Literatur

  • 1 Bletz C, Markstaller K, Karmrodt J. et al . Quantifizierung von Atelektasen bei kontrollierter Beatmung: Spiral-CT versus dynamische Einzelschicht-CT.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 409-416
  • 2 Suga K. Technical and analytical advances in pulmonary ventilation SPECT with xenon-133 gas and Tc-99 m-Technegas.  Ann Nucl Med. 2002;  16 303-310
  • 3 Schuster D. The evaluation of lung function with PET.  Semin Nucl Med. 1998;  28 341-351
  • 4 van Beek E J, Wild J M, Kauczor H U. et al . Functional MRI of the lung using hyperpolarized 3-helium gas.  J Magn Reson Imaging. 2004;  20 540-554
  • 5 Fink C, Eichhorn J, Kiessling F. et al . Zeitlich aufgelöste multiphasische 3D-MR-Angiographie zur Diagnostik des Lungengefäßsystems bei Kindern.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 929-935
  • 6 Leutner C, Schild H. MRT des Lungenparenchyms.  Fortschr Röntgenstr. 2001;  173 168-175
  • 7 Heussel C P, Sandner A, Voigtlaender T. et al . Prospektive Machbarkeitsstudie zum Vergleich von Röntgenübersichtsaufnahme und Thorax-MRT in Atemanhaltetechnik am offenen Niederfeldgerät.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 854-861
  • 8 Biederer J, Reuter M, Both M. et al . Analysis of artefacts and detail resolution of lung MRI with breath-hold T1-weighted gradient-echo and T2-weighted fast spin-echo sequences with respiratory triggering.  Eur Radiol. 2002;  12 378-384
  • 9 Ley S, Fink C, Puderbach M. et al . Kontrastmittelverstärkte 3D-MR-Perfusion der Lunge: Einsatz paralleler Bildgebungstechniken bei gesunden Probanden.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 330-334
  • 10 Ohno Y, Sugimura K, Hatabu H. MR imaging of lung cancer.  Eur J Radiol. 2002;  44 172-181
  • 11 Haage P, Adam G, Karaagac S. et al . Mechanical delivery of aerosolized gadolinium-DTPA for pulmonary ventilation assessment in MR imaging.  Invest Radiol. 2001;  36 240-243
  • 12 Ohno Y, Hatabu H, Takenaka D. et al . Dynamic oxygen-enhanced MRI reflects diffusing capacity of the lung.  Magn Reson Med. 2002;  47 1139-1144
  • 13 Albert M S, Cates G D, Driehuys B. et al . Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129 Xe.  Nature. 1994;  370 199-201
  • 14 Altes T A, De Lange E E. Applications of hyperpolarized helium-3 gas magnetic resonance imaging in pediatric lung disease.  Top Magn Reson Imaging. 2003;  14 231-236
  • 15 Gast K K, Zaporozhan J, Ley S. et al . ³He-MRI in follow-up of lung transplant recipients.  Eur Radiol. 2004;  14 78-85
  • 16 Moeller H E, Chen X J, Saam B. et al . MRI of the lungs using hyperpolarized noble Gases.  Magn Reson Med. 2002;  47 1029-1051
  • 17 Rizi R R, Lipson D A, Dimitrov I E. et al . Operating characteristics of hyperpolarized 3He and arterial spin tagging in MR imaging of ventilation and perfusion in healthy subjects.  Acad Radiol. 2003;  10 502-508
  • 18 Rodrigo G, Pollack C, Rodrigo C. et al . Heliox for treatment of exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease (Cochrane Review).  Cochrane Database Syst Rev. 2002;  2 CD003571
  • 19 Colegrove F D, Schearer L D, Walters K. Polarization of ³He gas by optical pumping.  Physiol Rev. 1963;  132 2561-2572
  • 20 Otten E W. „Take a breath of polarized noble gas”.  Europhysics News. 2004;  35 16-20
  • 21 van Beek E J, Schmiedeskamp J, Wild J M. et al . Hyperpolarized 3-helium MR imaging of the lungs: testing the concept of a central production facility.  Eur Radiol. 2003;  13 2583-2586
  • 22 Eberle B, Markstaller K, Stepniak A. et al . 3Helium-MRI-Based Assessment of regional gas exchange impairment during experimental pulmonary artery occlusion.  Anesthesiology. 2002;  96 A1309
  • 23 Viallon M, Berthezene Y, Callot V. et al . Dynamic imaging of hyperpolarized (3)He distribution in rat lungs using interleaved-spiral scans.  NMR Biomed. 2000;  13 207-213
  • 24 Gierada D S, Saam B, Yablonskiy D. et al . Dynamic echo planar MR imaging of lung ventilation with hyperpolarized (3)He in normal subjects and patients with severe emphysema.  NMR Biomed. 2000;  13 176-181
  • 25 Gast K K, Ley S, Zaporozhan J. et al . Reformatierungen als Lösungsansatz für die Problematik der unterschiedlichen Schichtführung beim Vergleich von ³He-MRT und HR-CT der Lunge.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 786-790
  • 26 Peces-Barba G, Ruiz-Cabello J, Cremillieux Y. et al . Helium-3 MRI diffusion coefficient: correlation to morphometry in a model of mild emphysema.  Eur Respir J. 2003;  22 14-19
  • 27 Salerno M, Altes T A, Brookeman J R. et al . Rapid hyperpolarized 3He diffusion MRI of healthy and emphysematous human lungs using an optimized interleaved-spiral pulse sequence.  J Magn Reson Imaging. 2003;  17 581-588
  • 28 Fichele S, Paley M N, Woodhouse N. et al . Investigating 3He diffusion NMR in the lungs using finite difference simulations and in vivo PGSE experiments.  J Magn Reson. 2004;  167 1-11
  • 29 Ley S, Zaporozhan J, Morbach A. et al . Functional Evaluation of Emphysema Using Diffusion-weighted 3Helium-Magnetic Resonance Imaging, High-Resolution Computed Tomography, and Lung Function Tests.  Invest Radiol. 2004;  39 427-434
  • 30 Deninger A J, Eberle B, Ebert M. et al . Quantification of regional intrapulmonary oxygen partial pressure evolution during apnea by (3)He MRI.  J Magn Reson Imag. 1999;  141 207-216
  • 31 Lipson D, Fischer M C, Gefter W. et al . Human Imaging of Ventilation-Perfusion Ratios Using Hyperpolarized Helium-3 MRI: Preliminary Results.  Proc Intl Soc Mag Reson Med. 2004;  12 763
  • 32 Deninger A J, Eberle B, Ebert M. et al . (3)he-MRI-based measurements of intrapulmonary p(O2) and its time course during apnea in healthy volunteers: first results, reproducibility, and technical limitations.  NMR Biomed. 2000;  13 194-201
  • 33 Deninger A, Eberle B, Bermuth J. et al . Assessment of a single-acquisition imaging sequence for oxygen-sensitive 3He MRI.  Magn Reson Med. 2002;  47 105-114
  • 34 Lehmann F, Eberle B, Markstaller K. et al . Ein Auswerteprogramm zur quantitativen Analyse von Messungen des alveolären Sauerstoffpartialdrucks (pAO2) mit der sauerstoffsensitiven 3He-MR-Tomographie.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 1390-1398
  • 35 Gast K K, Puderbach M, Rodriguez I. et al . Distribution of Ventilation in Lung transplant recipients: Evaluation by Dynamic ³He-MRI with lung motion correction.  Invest Radiol. 2003;  38 341-348
  • 36 Salerno M, Altes T A, Brookeman J R. et al . Dynamic Spiral MRI of Pulmonary Gas Flow using Hyperpolarized ³He: Preliminary Studies in Healthy and Diseased Lungs.  Magn Reson Med. 2001;  46 667-677
  • 37 Lehmann F, Knitz F, Weiler N. et al . Quantitative Untersuchung der Lungenventilation mittels dynamischer MRT von hochpolarisiertem Helium-3.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 1399-1408
  • 38 Ebert M, Grossmann T, Heil W. et al . Nuclear magnetic resonance imaging with hyperpolarised helium-3.  Lancet. 1996;  347 1297-1299
  • 39 Mata J, Altes T, Christopher J. et al . Transient, position-dependent ventilation defects of the lung in healthy volunteers: demonstration with hyperpolarized helium-3 MR imaging.  Proc Intl Soc Mag Reson Med. 2002;  10 2027
  • 40 Kauczor H U, Hast J, Heussel C. et al . Focal airtrapping at expiratory high-resolution CT: comparison with pulmonary function tests.  Eur Radiol. 2000;  10 1539-1546
  • 41 Guenther D, Eberle B, Hast J. et al . (3)He MRI in healthy volunteers: preliminary correlation with smoking history and lung volumes.  NMR Biomed. 2000;  13 182-189
  • 42 Altes T, Powers P, Knight-Scott J. et al . Hyperpolarized 3He MR Lung Ventilation Imaging in Asthmatics: Preliminary Findings.  J Magn Reson Imag. 2001;  13 378-384
  • 43 Samee S, Altes T, Powers P. et al . Imaging the lungs in asthmatic patients by using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance: assessment of response to methacholine and exercise challenge.  J Allergy Clin Immunol. 2003;  111 1205-1211
  • 44 Kauczor H U, Ebert M, Kreitner K F. et al . Imaging of the lungs using 3He MRI: preliminary clinical experience in 18 patients with and without lung disease.  J Magn Reson Imaging. 1997;  7 538-543
  • 45 Herber S, Lill J, Heussel C P. et al . Akute oder chronische Transplantat-Abstoßung? - HRCT des Thorax bei Patienten nach Lungentransplantation.  Fortschr Röntgenstr. 2001;  173 822-829
  • 46 Gast K K, Viallon M, Eberle B. et al . MR Imaging in lung transplant recipients using hyperpolarized 3He: comparison with CT.  J Magn Reson Imag. 2002;  15 268-274
  • 47 Collins J, Muller N L, Kazerooni E A. et al . CT findings of pneumonia after lung transplantation.  Am J Roentgenol. 2000;  175 811-818
  • 48 Lee E S, Gotway M B, Reddy G P. et al . Early bronchiolitis obliterans following lung transplantation: accuracy of expiratory thin-section CT for diagnosis.  Radiology. 2000;  216 472-477
  • 49 McAdams H P, Palmer S M, Donnelly L F. et al . Hyperpolarized 3He-enhanced MR imaging of lung transplant recipients: preliminary results.  Am J Roentgenol. 1999;  173 955-959
  • 50 Kauczor H U, Markstaller K, Puderbach M. et al . Volumetry of ventilated airspaces using ³He MRI.  Invest Radiol. 2001;  36 110-114
  • 51 Markstaller K, Kauczor H U, Puderbach M. et al . 3He-MRI-based vs. conventional determination of lung volumes in patients after unilateral lung transplantation: a new approach to regional spirometry.  Acta Anaesthesiol Scand. 2002;  46 845-852
  • 52 Zaporozhan J, Ley S, Gast K K. et al . Functional analysis in single-lung transplant recipients: a comparative study of high-resolution CT, 3He-MRI, and pulmonary function tests.  Chest. 2004;  125 173-181
  • 53 Saam B, Yablonskiy D, Kodibagkar V. et al . MR imaging of diffusion of 3He gas in healthy and diseased lungs.  Magn Reson Med. 2000;  44 174-179
  • 54 Morbach A E, Gast K K, Schmiedeskamp J. et al . Diffusion Weighted MR-Imaging of the Lung with Hyperpolarized Helium-3. A Study of Reproducibility.  J Magn Reson Imag (eingereicht).
  • 55 Bink A, Hanisch G, Vogel A. et al . Clinical Aspects of the Apparent Diffusion Coefficient in ³He MRI: Results in Healthy Volunteers and Patients after Lung Transplantation.  J Magn Reson Imag (submitted).
  • 56 Fichele S, Woodhouse N, Swift A J. et al . MRI of helium-3 gas in healthy lungs: posture related variations of alveolar size.  J Magn Reson Imaging. 2004;  20 331-335
  • 57 Hanisch G, Schreiber W, Diergarten T. et al . Investigation of intrapulmonary diffusion by 3He MRI.  Eur Radiol. 2000;  10 S345
  • 58 Eberle B, Markstaller K, Lill J. et al . Oxygen-sensitive 3He Magnetic Resonance Imaging of the Lungs in Patients after Unilateral Lung Transplantation.  Am J Resp Crit Care Med. 2000;  161 A718
  • 59 Gast K K, Puderbach M U, Rodriguez I. et al . Dynamic ventilation ³He-MRI with lung motion correction: Gas flow distribution analysis.  Invest Radiol. 2002;  37 126-134
  • 60 Panth S R, Fain S B, Holmes J H. et al . Assessment of Lung Ventilation, Gas Trapping and Pulmonary Perfusion in patients with Asthma during Inhaled Corticosteroid Withdrawal.  Proc Intl Soc Mag Reson Med. 2004;  12 764

Klaus Kurt Gast

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