Boesiger, Peter

Fischer, Stefan E.

McKinnon, Greame C.

Scheidegger, Markus B.

Stuber, Matthias

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Messung der systolischen und diastolischen Herzbewegungmittels bildgcbender MagnetresonanzStefan E. Fischer, Markus B. Scheidegger, Greame C. McKinnon,Matthias Stuber und Peter BoesigerInstitut für Biomedizinische Technik und Medizinische Informatik der Universität Zürich und derEidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, SchweizEin bildgebendes Magnetresonanz-Verfahren wird vor-gestellt, mit dem es gelingt sowohl die systolische wieauch die diastolische Herzbewegung mit einer zeitlichenAuflösung von 35ms zu erfassen. Ein Schichtverfolgungs-verfahren sorgt dafür, dass trotz der dreidimensionalenBewegung des Herzens immer dasselbe Gewebe in denverschiedenen Herzphasenbildern erfasst wird. Nebst dentechnischen Entwicklungen werden Resultate von Gesun-den und von Patienten nach einem Vorderwandinfarktpräsentiert.EINLEITUNGZur nichtinvasiven Erfassung der Herzbewegung kön-nen durch Modulation der Magnetisierung (MyocardialTagging) [1] Markierungen, z.B. eine Gitterstruktur, aufdem Herzmuskel angebracht werden. Diese Markierun-gen, z.B. die Kreuzpunkte des Gitters, können sehr genauin Magnetresonanz-Bildern, die zu verschiedenen Zeit-punkten des Herzzyklus aufgenommen werden, verfolgtwerden. Die Trajektorie einzelner Punkte des Herzmus-kels kann somit direkt von robusten Modulusbildern be-stimmt werden. Allerdings werden zur Zeit noch einigeNachteile der Tagging-Methode diskutiert. Erstens zerfal-len diese Markierungen unter dem Einfluss der longitudi-nalen Relaxation (Tj etwa 850ms) und zusätzlich aufGrund des Auslese-Radiofrequenz-Pulses des bildgeben-den Messverfahrens. Mit bisherigen Tagging-Verfahrenkonnte deshalb die Herzbewegung nur über einen Zeit-raum von ca. 300ms mit einer zeitlichen Auflösung vonmehr als 50ms erfasst werden. Zweitens wird wegen derdreidimensionalen Bewegung des Herzens (through planemotion) nicht immer das gleiche Gewebe abgebildet, waszu Ungenauigkeiten führt. Mittels eines neuen Messver-fahrens und durch verschiedene Optimierungen derTagging- und Bilderzeugungssequenz gelingt es, die ebe-ne Projektion der dreidimensionalen Herzbewegung vonEnddiastole bis zur späten Diastole mit einer zeitlichenAuflösung von 35ms zu erfassen,METHODEFigur l zeigt die verwendete MR-Pulssequenz. Unmit-telbar nach der Detektion der R-Zacke des Elektrokardio-gramms (EKG) wird die Magnetisierung einer 5mm dün-nen Schicht sinusförmig moduliert. Mittels einer konven-tionellen bildgebenden Gradienten-Echo-Sequenz wird al-le 35ms eine dickere Schicht abgebildet, welche diebewegte und verformte, dünne, modulierte Schicht ein-schliesst [2]. Durch Subtraktion einer zweiten Messungmit im Vergleich zur ersten Messung inverser Modulationder Magnetisierung entsteht ein Bild, welches ausschliess-lich vom Signal des Gewebes der dünnen, "getaggten"Schicht induziert ist. Zur Reduktion der Messzeit werdenzwei solche Messungen mit nur eindimensionaler Modu-lation der Magnetisierung in Ausleserichtung durchge-führt, wobei Auslese- und Phasenkodierrichtung für diezweite Messung vertauscht werden (Fig. 2). Da die Fre-quenzanteile der eindimensional modulierten Bilder (kRaum xf und y') nur in einem schmalen Band parallel zurAuslese- bzw. Modulationsrichtung liegen, müssen nurwenige, z.B. 25% der Phasenkodierschritte für jedes Ein-zelbild durchgeführt werden. Ein Bild mit zweidimensio-nalem Gittermuster (xy) wird durch die Multiplikation derseparat rekonstruierten Subtraktionsbilder (x und y) mitorthogonalen Streifenmustern erreicht. Verglichen mit ei-ner entsprechenden Messung mit direkt gitterförmigerRFGsiiceG preparationG readoutTagging Sequence phases)Figur l - Schichtverfolgungs-Tagging Sequenz undbildgebende, fllr jede Herzphase repetierteGradientenecho-Sequenz. Die Tagging Sequenz be-steht zusammen mit den Gradienten a und d, aus zweischichtselektiven 90* Radiofrequenz (RF) Pulsen.Durch die Einßgen eines ISO2 RF-Echopluses und denDephasiergradienten b und c9 werden einerseits Gitter-deformationen refokussiert andererseits der Kontrastzwischen Blut und Herzmuskel verbessen. Die Gra-dienten f und g bestimmen die Frequenz derortsabhängigen Modulation der Magnetisierung.Biomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993- 343 -Modulation der Magnetisierung, bei der gesamte k Raum(xy*) abgetastet werden muss, kann so die Messzeit halb-iert werdenk-RmmBild-RaumMuhiptihitkwif 2D Fooriv-ltamffbcmatknR• Moolllith mlfl BiMitO FmrpimnT^nk de· defomnqteo OitteoFigur 2 - Prinzip der Messzeitreduktion durch die Ac-quisition zweier k Raum Fragmente der selben Schicht,wobei die Tagging und Readout-Richtung mit der Pha-senkodierrichtung Jür die zweite Messung vertauschtwerden.Die Sequenz wurde auf einem 1.5T Ganzkörpertomo-graphen (Philips Gyroscan S15/ACS ) implementiert.Die Rotationswinkel der Auslese-Radiofrequenzpulsewerden so variiert, dass der Betrag der transversalen Ma-gnetisierung nach der RF-Anregung fllr alle Herzphasen-bilder konstant wird. Die MR-Signale werden mit einerOberflächenspule (0 20cm) empfangen. Zur Unterdrük-kung der Bewegungsartefakte wird repetitiv ein Atmungs-schema eingesetzt, bei welchem die Datenaquisition nurwährend dem Ausatmungszustand durchgeführt wird.ERGEBNISSEMit der beschriebenen Methode wurden bisher 7 Pro-banden untersucht, wobei 16 bis 18 Herzphasen mit ei-nem Abstand von 35ms aufgenommen wurden. Bei allenkonnte eine apikale und äquatoriale Kurzachseneben mitgenügender Bildqualität abgebildet werden. Die Aufnah-me der basalen Schicht gelang trotz der stark reduziertenSensitivität der Oberflächenspule in diesem Bereich in 5Fällen.Bei den Probanden kann während der Systole an derBasis des linken Ventrikels nebst der Verdickung undKontraktion des Herzmuskels eine Rotation im Uhr- undan der Herzspitze im Gegenuhrzeigersinn beobachtet wer-den. Dabei laufen Rotation und Kontraktion gleichzeitigab. Während der Diastolc tritt innerhalb von 70ms vorersteine Rotation des Herzmuskels in umgekehrter Richtungzur systolischen Rotation auf, ohne dass sich das Ventri-kelvolumen ändert. Anschliessend wird die Dilatation desVentrikels beobachtet, die sich innerhalb ca. 100ms ab-spielt. Zusätzlich zur systolischen Kontraktions- undRotationsbewegung lässt sich eine Verschiebung derbasalen Ebene des linken Ventrikels in Richtung desApex feststellen, die lateral ca. 2cm beträgt.Bei Patienten mit anterolateralem Myokardinfarkt fielsowohl die Rotation wie auch die Kontraktion um dieHälfte geringer aus [3]. Das systolische Bewegungsmusterhingegen ist vergleichbar mit dem der Gesunden. Wäh-rend der frühen Diastole kann aber im hypokinetischenAreal der Patienten eine zusätzliche Bewegung in Rich-tung Ventrikelmitte beobachtet werden, im Gegensatz zuden normokinetischen Gebieten, in denen bereits der Be-ginn der Dilatationsbewegung weg vom Ventrikelzentrumzu verzeichnen ist.Figur 3-4 von 16 apikalen Kurzachsen-Bilder einesgesunden Herzens. Die "Tagging''-Bilder zeigen dieenddiastolische Herzphase (oben links), die endsystoli-sche (oben rechts), eine früh-diastolisch ( unten links)70ms nach der Endsystole sowie eine middiastolische175 ms nach der Endsystole (unten rechts).DISKUSSIONMyocardial Tagging erlaubt eine genaue Quantifizie-rung der Herzbewegung von Enddiastole über die Endsy-stole bis zur späten Diastole. Es hat sich gezeigt, dass vorallem während der Diastole nach einem Herzinfarkt deut-liche Veränderungen des Bewegungsmusters auftreten.Die schnelle Rotationsbewegung während der frühen Dia-stole verlangt eine zeitliche Auflösung der Bildsequcnzcnvon mindestens 35ms.LITERATUR[1] L.Axd,L.Doughoty,Radk>logy,171,841(l989[2] S. E. Rächer, G.C MC Kinnon, et al„ SMRM Book ofAbstracts(WlP), 891,1992[3] S. E. Fischer, J. IJn, et al, SMRM Book of ANitnuts ( IX12,1992Biomedizinische Technik Band 38 · Ergänzungsband · 1993-344-

Messung der systolischen und diastolischen Herzbewegung mittels bildgebender Magnetresonanz

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