ArchivDeutsches Ärzteblatt17/2001MR-basierte virtuelle Endoskopie des Gastrointestinaltrakts

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MR-basierte virtuelle Endoskopie des Gastrointestinaltrakts

Dtsch Arztebl 2001; 98(17): A-1120 / B-952 / C-894

Schölmerich, Jürgen; Herfarth, Hans; Schreyer, Andreas; Messmann, Helmut; Feuerbach, Stefan

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LNSLNS Zusammenfassung
Dreidimensionale (3-D-) Rekonstruktionen radiologischer Schnittbildverfahren mit virtuellen Flügen durch Hohlorgane erlauben realistische Abbildungen von Anatomie und pathologischen Veränderungen. Die Technik der dreidimensionalen Darstellung des Gastrointestinaltrakts mittels Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich in den letzten Jahren entscheidend weiterentwickelt. Sie stellt in Zukunft möglicherweise eine neue, nichtinvasive diagnostische Alternative dar – vor allem bei der Früherkennung des kolorektalen Karzinoms, bei endoskopisch nicht passierbaren Kolontumoren, bei Komplikationen wie Strikturen und Fisteln bei chronisch entzündlichen Darm­er­krank­ungen sowie bei Kontraindikationen für eine konventionelle Koloskopie.

Schlüsselwörter: virtuelle Endoskopie, Magnetresonanztomographie, MR-Koloskopie, kolorektales Karzinom

Summary
MR-Endoscopy of The Gastrointestinal Tract
Virtual flights through three dimensional reconstruction of organs from radiological cross sections offer the possibility of realistic images of organ anatomy and pathological variations. The technique of three dimensional imaging of the gastrointestinal tract using magnetic resonance tomography has improved considerably in the last years. This technique may be a useful diagnostic, non-invasive alternative as a colorectal cancer screening test, for the visualization of regions in the colon which are not accessible by conventional colonoscopy, for the diagnosis of strictures or fistulae in patients with chronic inflammatory bowel disease and in patients with contraindications for conventional colonoscopy.

Key words: virtual endoscopy, magnetic resonance imaging, MR-colonography, colorectal cancer

Durch die technische Weiterentwicklung ist es in den letzten Jahren möglich geworden, dreidimensionale (3-D-) Untersuchungen verschiedener Organe mittels Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) durchzuführen. Bei der virtuellen Endoskopie des Gastrointestinaltrakts ist es nach Erfassung der entsprechenden Schnittbilddatensätze möglich, den Magen beziehungsweise den Dünn- oder Dickdarm darzustellen und anschließend einen von einem Computer generierten 3-D-Flug durch das Hohlorgan zu simulieren. Die Anwendung der virtuellen Endoskopie wird insbesondere als mögliches neues Verfahren in der Vorsorge des kolorektalen Karzinoms diskutiert.
Die CT-gestützte Kolonographie mit virtueller Koloskopie wurde erstmals 1994 beschrieben (22). Bisher veröffentlichte Studien zeigen im Vergleich zur konventionellen Koloskopie (3, 4, 5, 8, 12) eine Sensitivität von 55 bis 66 Prozent bei Polypen bis zu einer Größe von 5 mm und eine Sensitivität von 70 bis 90 Prozent bei Polypen größer beziehungsweise gleich 1 cm. Allerdings ist die CT-basierte Untersuchung mit einer erheblichen Strahlenbelastung verbunden, sodass sich diese Technik als Screeninguntersuchung kaum anbietet. Eine Alternative bietet die MR-basierte virtuelle Darstellung des Gastrointestinaltrakts. Die MRT repräsentiert hierbei ein Schnittbildverfahren, das völlig ohne Strahlenbelastung auskommt. Ein Problem war bisher die Geschwindigkeit der Datenakquisition, zumal der zu untersuchende abdominale Bereich im Atemstillstand gescannt werden muss, um ein zusammenhängendes Datenvolumen zu erhalten. Moderne MR-Scanner ermöglichen die Darstellung des gesamten Abdomens in weniger als 30 Sekunden. Dabei können isotrope Auflösungen von weniger als 1,5 mm entlang jeder Körperachse erreicht werden.
Technik und Methodik
Prinzipiell sollten für die 3-D-Bildverarbeitung Schnittbilder angefertigt werden, die einen starken Dichteunterschied des darzustellenden Organs im Vergleich zum umgebenden Gewebe aufweisen. Dies erleichtert und verkürzt im Anschluss den Bildbearbeitungsprozess erheblich. Bei der MRT nutzt man dazu den T1-gewichteten Kontrast, den paramagnetische Kernspinkontrastmittel, wie etwa Gadoliniumkomplexe (Gd-DTPA, zum Beispiel Magnevist, Schering, Berlin) durch eine Verkürzung der Relaxationszeit der Wasserstoffatome erreichen. Diese Technik der Kontrastdarstellung wurde zuerst in der kontrastverstärkten MR-Angiographie angewandt. Ähnliche angepasste T1-gewichtete 3-D-Sequenzen werden auch in der MR-basierten virtuellen Endoskopie angewendet.
Die virtuelle Endoskopie des Magens steckt noch in einer experimentellen Phase. Für die MR-Untersuchung muss der Patient möglichst rasch etwa einen halben Liter Flüssigkeit trinken. Diese kann entweder mit T1 verkürzendem Kontrastmittel (Gd-DTPA) versehen sein, aus T1 verkürzendem manganhaltigen Fruchtsäften wie Heidelbeersaft bestehen oder eine Kombination aus beidem sein (17). Aufnahmen sollten in verschiedenen Schräg-/Seitenlagen des Patienten angefertigt werden, um die Restluft im Magen von pathologischen Veränderungen unterscheidbar zu machen.
Beim Dünndarm existieren verschiedene Ansätze für MR-Untersuchungen. Zum einen kann die Kontrastmittelapplikation wie beim Enteroklysma über eine Duodenalsonde erfolgen, die jedoch von vielen Patienten als sehr unangenehm empfunden wird (15). Bei ausschließlich oraler Kontrastmittelapplikation wird der Dünndarm zwar nur diskontinuierlich gezeigt, dieser Nachteil kann aber durch die extraluminalen Zusatzinformationen der Wanddicke und Kontrastmittelaufnahme bei der MRT kompensiert werden. Nach ersten Erfahrungen konnten jedenfalls alle relevanten Veränderungen auch bei oraler Kontrastierung ausreichend dargestellt werden (1).
Weiterhin können verschiedene Arten von Kontrastmitteln verwandt werden. Einen Ansatz stellt das so genannte Hydro-MR des Dünndarms dar (20). Dabei werden etwa 1,5 l einer 2,5-prozentigen Mannitollösung oral zur Kontrastierung gegeben. Der Nachteil besteht darin, dass mit diesen Sequenzen eine hochauflösende Darstellung entlang aller Körperachsen, wie es zur virtuellen Endoskopie notwendig ist, nicht möglich ist.
Beim MR-Enteroklysma kann durch die Gabe von paramagnetischen Kontrastmitteln wie Gadolinium-DTPA das Darmlumen in T1-gewichteten Sequenzen positiv und in T2, also flüssigkeitsgewichteten Sequenzen, negativ dargestellt werden. So wird es möglich, intraluminale Pathologien, die hauptsächlich in T2-gewichteten Serien ein starkes Signal haben, von der intraluminalen Füllung zu unterscheiden.
Neben der verdünnten Gabe von teuren Kernspinkontrastmitteln kann im Dünndarm auch die Anwendung manganhaltiger Fruchtsäfte, wie etwa Heidelbeer- (6) oder Ananassaft (1), erwogen werden.
Für die virtuelle Koloskopie benötigen Patienten die gleiche Darmvorbereitung und Reinigung wie zur konventionellen Koloskopie. Grundsätzlich soll die MR-Bildgebung des Kolons in Atemanhaltetechnik erfolgen. Dadurch werden Artefakte von Darmschlingen sowie Bewegungs- und Verschiebungsartefakte vermieden. Atemanhalte-Intervalle von bis zu 30 Sekunden werden von den meisten Patienten gut toleriert. Im Gegensatz zu der virtuellen CT-Kolonographie, bei der rektal Luft oder CO2 appliziert wird, erfolgt bei der MRT-Untersuchung die rektale Gabe von paramagnetischen Substanzen. Der Einlauf besteht aus etwa 1 bis 1,5 l Wasser, das mit 15 bis 20 ml 0,5 M Gd-DTPA versetzt ist (9). Zur Darmruhigstellung und Distension werden, soweit keine Kontraindikationen vorliegen, 20 bis 40 mg Butylscopolamin (Buscopan, Boehringer, Ingelheim) intravenös gegeben. Um Stuhlreste und Luft von reellen pathologischen Veränderungen unterscheidbar zu machen, werden die MRT-Akquisitionen in Bauch- und Rückenlage angefertigt. Hochauflösende T1-gewichtete 3-D-Sequenzen mit Fettsupprimierung gewährleisten eine Ortsauflösung von bis zu 1,4 mm.
Eine intravenöse Gabe von 0,1 mmol/kg Gd-DTPA (Magnevist, Schering, Berlin) kann über die Kontrastmittelanreicherung der Darmwand zusätzlich entzündliche Veränderungen nachweisen.
Virtuelle Endoskopie des Gastrointestinaltrakts
Um eine virtuelle Darstellung des untersuchten Organs zu erhalten, muss eine Bildnachbearbeitung der 2-D-Datensätze an einer leistungsfähigen Grafik-Workstation erfolgen. Prinzipiell stehen zwei Techniken, die Oberflächenrekonstruktion (Surface Rendering) und die Volumenrekonstruktionen (Volume Rendering) für die 3-D-Visualisierung zur Verfügung. Während die Oberflächenrekonstruktion durch die manuelle Markierung einzelner 2-D-Schnittbilder, die anschließend im dreidimensionalen Raum zu einem Gittermodell verbunden werden, sehr zeitaufwendig sein kann, entfällt bei dem Verfahren des „Volume rendering“ diese aufwendige Segmentation. Das gesamte Schnittbildvolumen wird im Hauptspeicher des Computers gehalten. Jedem Voxel werden anhand von vorher festgelegten dichtebasierten Histogrammen die Eigenschaften von Farbe, Durchsichtigkeit und Reflexion zugeteilt. Mithilfe von Computeralgorithmen kann nun ein „Flug“ durch den Dünn- oder Dickdarm erfolgen, der sich durch den Betrachter per Mausklick steuern lässt.
Magen und Dünndarm
Da pathologische Veränderungen des Magens häufig im Schleimhautbereich liegen, ist es schwierig, mit der virtuellen Gastroskopie krankhafte Veränderungen zu beurteilen, zumal bei dieser auf Schnittbildverfahren basierten Methode die Mucosa nicht direkt beurteilt werden kann. Auch die zeitliche Auflösung ist zurzeit noch unbefriedigend, da wandstarre Magenareale oder funktionelle Veränderungen, wie sie in der optischen Gastroskopie oder im Magendoppelkontrast unter Durchleuchtung gesehen werden, mit der MR-basierten virtuellen Gastroskopie nicht dargestellt werden können. Diese liefert nur ein fixes Abbild zu einem bestimmten Zeitpunkt. Neu eingeführte ultraschnelle MR-Techniken (2) könnten in Zukunft eine MR-basierte Beurteilung der Magenwandmotilität erlauben.
Die virtuelle Darstellung des Dünndarms mittels MRT ist ein erst kürzlich publiziertes neues Verfahren (19). Die Anwendung des MRT in der Diagnostik von pathologischen Veränderungen des Dünndarms im Vergleich zu anderen konventionellen Verfahren wurde bisher vor allem bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darm­er­krank­ungen evaluiert. Der Vorteil des MR-Enteroklysmas gegenüber dem konventionellen Enteroklysma besteht in der Darstellung extraluminaler Prozesse, sodass bei einem Drittel der Patienten zusätzlich Befunde wie Konglomerattumoren und Abszesse erhoben werden (7). Eine Untersuchung an 84 Patienten im Vergleich zum konventionellen Enteroklysma zeigte eine Überlegenheit der MRT-Untersuchung (die mit liegender Duodenalsonde durchgeführt wurde) nicht nur in Bezug auf Fisteln und extraluminale Abszesse (Sensitivität MRT versus Enteroklysma: 70,6 Prozent und 77,8 Prozent versus 17,7 Prozent und 0 Prozent), sondern auch in der Sensitivität (95,2 Prozent versus 85,4 Prozent) und Spezifität (92,6 Prozent versus 76,9 Prozent) der Diagnose entzündlicher Veränderungen der Darmwand (8). Eventuell kann mit entsprechend leistungsfähigeren Computern die Sensitivität und Spezifität in Zukunft mittels virtueller MR-Intestinoskopie noch erhöht werden. Erste Studien bei 30 Patienten zeigen, dass in 30 Prozent (9/30) trotz der ausgesprochenen Torquierung des Dünndarms ein vollständiger „virtueller Flug“ durch den Dünndarm möglich war (19). Bei 60 Prozent (18/30) der Patienten gelang eine inkomplette Darstellung des Dünndarms, wobei hier circa 20 Prozent des Dünndarms in Folge von unzulänglicher Kontrastierung oder Bewegungsartefakten nicht dargestellt werden konnten. Nur bei zehn Prozent (3/30) der untersuchten Patienten war die Bildqualität für eine entsprechende Bildverarbeitung unzureichend.
Anwendung der virtuellen MR-Kolonographie
Derzeit wird vor allem die auf der CT-Untersuchung basierende virtuelle Koloskopie als ein mögliches Screeningverfahren bei kolorektalem Karzinom sowie als Überwachungsuntersuchung nach Polypektomie diskutiert (10, 14). Den Goldstandard beim Screening sowie bei der Nachbeobachtung nach Polypektomie stellt nach wie vor die Koloskopie dar. In einer prospektiven Studie bei Patienten mit hohem Risiko ein kolorektales Karzinom zu entwickeln, identifizierte die CT-basierte virtuelle Koloskopie im Vergleich zur konventionellen Koloskopie 91 Prozent (20 von 22) der Polypen, die größer als 10 mm waren und 83 Prozent (33 von 40) der Polypen, die zwischen 6 und 9 mm groß waren (4). Ersten Studien zufolge erscheint die Sensitivität der MRT-basierten virtuellen Koloskopie bei endoluminalen Prozessen, die zwischen 6 und 10 mm und größer sind, dem CT-basierten Verfahren ebenbürtig zu sein. Die Sensitivität liegt bei 93 Prozent bis 96 Prozent bei einer Spezifität von 93 Prozent bis 99 Prozent bei Polypen mit einer Größe von etwa 10 mm (9, 11). Wie bei der CT-basierten Untersuchung werden bei dieser Technik zum jetzigen Zeitpunkt jedoch Polypen bis 5 mm nur schlecht erkannt (9). Bei polypoiden Läsionen zwischen 5 bis 10 mm differieren die bisher publizierten Ergebnisse, wobei Sensitivitäten von 60 Prozent bis 97 Prozent im Vergleich zur Koloskopie angegeben werden (9, 11, 16). Bei der konventionellen Koloskopie werden allerdings 13 Prozent der Adenome zwischen 6 und 9 mm übersehen (13). Angaben zu von der Koloskopie nicht entdeckten Polypen, die erst durch virtuelle Koloskopie und erneute konventionelle Koloskopie entdeckt wurden, fehlen bisher in der Literatur.
Eine weitere Anwendung ist die Untersuchung des Restkolons bei stenosierenden Kolonprozessen oder unvollständigen konventionellen Koloskopien. Darüber hinaus eignet sich dieses nichtinvasive Untersuchungsverfahren wahrscheinlich bei Patienten mit bereits diagnostizierter chronisch entzündlicher Darm­er­krank­ung zum Ausschluss von Darm-assoziierten Komplikationen wie Fisteln oder Stenosen.
Die Rolle der virtuellen Koloskopie als „besserer“ Dickdarmeinlauf muss jedoch für diese Indikationen noch evaluiert werden. Bei diesem Verfahren kann die Kolonschleimhaut allerdings nicht beurteilt werden. Daher können eventuelle diagnostisch wichtige Schleimhautveränderungen (zum Beispiel blande Formen einer chronisch entzündlichen Darm­er­krank­ung, flache Adenome) unerkannt bleiben.
Kosten-Nutzen-Relation
Gerade in Hinsicht auf die virtuelle MR-Kolonographie als Screeningmethode zur kolorektalen Karzinomprävention sind Nutzen und Kosten abzuwägen. Eine entsprechende Kostenberechnung, basierend auf dem Markov-Modell, existiert bisher nur für die virtuelle CT-Kolonographie, die auf einer für die USA gültigen Kostengrundlage berechnet wurde (21). Hierbei entsprechen die Kosten einer virtuellen CT-Kolonographie in etwa den Kosten einer ambulanten Koloskopie (beide um 600 $) (14). Sonnenberg errechnet 24 586 $ für ein gerettetes Lebensjahr für die CT-Kolonographie und 20 930 $ für ein gerettetes Lebensjahr bei der konventionellen Koloskopie. Bereits miteinbezogen waren die Koloskopien, die aufgrund eines positiven Befunds in der CT-Kolonographie durchgeführt werden müssen. Um eine Kostengleichheit beider Methoden zu erreichen, müsste die Compliancerate bei der virtuellen Untersuchung um 15 bis 20 Prozent besser ausfallen, oder die Kosten der virtuellen Untersuchung müssten um mindestens 54 Prozent sinken. Da die Kosten für eine ambulante Koloskopie in Deutschland deutlich niedriger als für eine virtuelle Kolonographie anzusetzen sind, müsste mit den neuen Verfahren eine deutlich höhere Compliance bei niedrigen Kosten erreicht werden.
Ausblick
Aufgrund des technischen Fortschritts insbesondere in der MR-Technologie kann in den nächsten Jahren eine noch höhere Ortsauflösung und somit bessere Trennschärfe erreicht werden. Für den möglichen Einsatz der virtuellen Koloskopie als Screeninguntersuchung muss zusätzlich eine gute Patientenakzeptanz erreicht werden. Problematisch gestaltet sich hier die gleiche Vorbereitung durch Darmreinigung wie bei der Koloskopie, die von vielen Patienten als der unangenehmste Teil der Untersuchung empfunden wird. Eine Möglichkeit ist das „fecal-tagging“ (Stuhlmarkierung) (23), bei dem mit der zusätzlichen oralen Aufnahme von kontrastgebenden Substanzen (zum Beispiel Gadolinium) der Stuhl angefärbt wird und dadurch im T1-gewichteten Bild von der umgebenden Darmwand unterschieden werden kann.
Bei entsprechenden Weiterentwicklungen der intravenösen Kontrastmittel lässt sich vermutlich eine gute Korrelation von Kontrastmittelaufnahme und Darmentzündung erreichen. Außerdem könnte die virtuelle MRT-Untersuchung insbesondere bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darm­er­krank­ungen ähnlich wie bei der Leukozytenszintigraphie (18) zur exakten Lokalisation von entzündlichen Veränderungen im Darm genutzt werden.
Zum jetzigen Zeitpunkt sind die virtuellen radiologischen Verfahren jedoch noch in einer Entwicklungsphase und sollten im klinischen Alltag lediglich bei bestimmten Situationen (zum Beispiel koloskopisch nicht erreichbaren Coecum bei stenosierendem Karzinom des Colon descendens) und im Rahmen von Studien angewandt werden.

Die Arbeit der Autoren wird unterstützt durch das Kompetenznetz „Chronisch entzündliche Darm­er­krank­ungen“ und durch die DCCV e.V.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 2001; 98: A 1120–1123 [Heft 17]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über das Internet (www.aerzteblatt.de) erhältlich ist.

Anschrift für die Verfasser:
Dr. med. Hans Herfarth
Klinik und Poliklinik für Innere Medizin I
Klinikum der Universität Regensburg
93042 Regensburg
E-Mail: hans.herfarth@ klinik.uni-regensburg.de

´Tabelle1C´
Polypen oder Karzinome, die durch MRT-basierte virtuelle Koloskopie oder durch konventionelle Koloskopie diagnostiziert wurden
Erkannte Polypen Sensitivität
Studie (5–10 mm) im Vergleich (Prozent)
zur Koloskopie
Luboldt et al. 19 / 31 61
2000 (12)
Pappalardo et al. 29 / 30 97
2000 (18)
Saar et al. Keine Angabe 88,6
2000 (19)
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