ArchivDeutsches Ärzteblatt26/2002Neue Untersuchungsverfahren in der Herzdiagnostik: Magnetresonanztomographie und Computertomographie

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Neue Untersuchungsverfahren in der Herzdiagnostik: Magnetresonanztomographie und Computertomographie

Dtsch Arztebl 2002; 99(26): A-1836 / B-1550 / C-1446

Sandstede, Jörn; Kreitner, Karl-Friedrich; Kivelitz, Dietmar; Miller, Stephan; Wintersperger, Bernd; Gutberlet, Matthias; Becker, Christoph; Beer, Meinrad; Pabst, Thomas; Kopp, Andreas; Hahn, Dietbert

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LNSLNS Zusammenfassung
Die Technik der kardialen Bildgebung mit Magnetresonanztomographie (MRT) und Computertomographie (CT) hat in den letzten Jahren entscheidende Fortschritte gemacht. Die Entwicklung schneller MR-Methoden ermöglicht die Untersuchung der myokardialen Morphologie, Funktion und Perfusion und die Darstellung von Herzinfarkten. Mit der MR-Spektroskopie kann der kardiale Metabolismus untersucht werden. Die Einführung der Multischicht-CT hat den Einsatz der kardialen CT in der klinischen Routine ermöglicht. Die Koronarkalkmessung, die zuvor nur mit dem Elektronenstrahl-CT möglich war, kann jetzt mit weiter Verbreitung durchgeführt werden. Die nichtinvasive Koronarangiographie mit MRT und CT zeigt viel versprechende Ergebnisse. Diese neuen Entwicklungen lassen erwarten, dass MRT und CT in Zukunft eine große Rolle im diagnostischen Management von Patienten mit Herzerkrankungen haben werden.

Schlüsselwörter: Magnetresonanztomographie, Computertomographie, kardiale Bildgebung, Koronarangiographie, Herzfunktionsanalyse

Summary
New Methods in Cardiac
Diagnosis – Magnetic Resonance Imaging and Computed Tomography
Techniques of cardiac imaging using magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT) have improved considerably in
the last years. The development of fast MRI methods allows the assessment of myocardial morphology, function and perfusion as well as imaging of myocardial infarction. With MR spectroscopy, cardiac metabolism can be analyzed. The introduction of multislice CT-scanners has made cardiac CT feasible in clinical routine. Previously, measurement of coronary artery calcifications was only possible by electron beam CT, but has now gained a widespread availability. Non-invasive coronary angiography by MRI and CT shows promising results. These new developments will enable MRI and CT to play a major role in the diagnostic work-up of cardiac patients in the future.

Key words: magnetic resonance imaging, computed tomography, cardiac imaging, coronary angiography, heart functional analysis

Die rasche technische Entwicklung der letzten Jahre hat zu einem
zunehmenden Einsatz von Magnetresonanztomographie (MRT) und Computertomographie (CT) in der Herzdiagnostik geführt. Hierdurch konnten einerseits andere Verfahren ersetzt werden, andererseits haben sich auch völlig neue Einsatzgebiete ergeben. Entscheidende Fortschritte für beide Verfahren haben sich durch die Einführung der EKG-Triggerung und die Durchführung der einzelnen Untersuchungsabschnitte in jeweils einer Atemanhaltephase ergeben. Während in der Anfangszeit der kardialen MRT die Aufnahmezeiten noch im Minutenbereich lagen, sind jetzt Aufnahmen von bis zu fünf Schichten während eines Herzschlags und Funktionsuntersuchungen mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 20 ms möglich. Die Einführung der Elektronenstrahl-CT ermöglichte erstmals die computertomographische Darstellung des Herzens mit der notwendigen hohen zeitlichen Auflösung. Nachteil des Verfahrens ist jedoch vor allem seine geringe Verfügbarkeit aufgrund hoher Kosten und
die limitierten Einsatzmöglichkeiten in anderen Körperregionen. Die in jüngster Zeit eingeführte Multischicht-CT (MSCT) kann dagegen sowohl in der bisherigen Routinediagnostik als auch in der Herzdiagnostik mit zusätzlich verbesserter Bildqualität eingesetzt werden.
Morphologie und Funktion
Die MRT ermöglicht eine hervorragende Darstellung des gesamten Herzens und der großen Gefäße sowie weiterer mediastinaler Strukturen, sodass die kardiale MRT inzwischen als Goldstandard in der Untersuchung morphologischer Veränderungen des Herzens gilt (Abbildung 1). Daher stellt die MRT eine weiterführende Alternative bei unklarem echokardiographischen Befund dar (11). Die EKG-getriggerte CT ermöglicht ebenfalls eine Darstellung der kardialen Morphologie. Rekonstruierte Einzelschichten mit mindestens 50 Prozent Überlappung ermöglichen Reformatierungen und 3-D-Rekonstruktionen mit ausreichender Bildqualität zur multiplanaren Diagnostik (Abbildung 2). Für die Diagnostik kongenitaler Vitien können neben dem gesamten Herzen auch die großen thorakalen Gefäße bis einschließlich des Aortenbogens dargestellt werden. In der reinen Darstellung der Morphologie sind MRT und CT gleichwertig, die MRT bietet jedoch zusätzlich die Möglichkeit, ischämisch oder inflammatorisch bedingte Myokardschädigungen nachzuweisen, bevor diese zu Veränderungen zum Beispiel der Wanddicke geführt haben. Hierzu wird das begleitende Myokardödem durch Aufnahmen mit starker T2-Wichtung (13) dargestellt. In jüngerer Zeit hat zusätzlich die Beurteilung des späten Enhancements nach Gabe eines extrazellulären MR-Kontrastmittels große Bedeutung für den Nachweis von Nekrosen und Narbengewebe erlangt. Hierzu sind hochauflösende, stark T1-gewichtete Aufnahmen erforderlich, die das Myokard sehr signalarm und die nekrotischen Areale mit einer höheren Signalintensität darstellen.
Die Funktionsdiagnostik des Herzens verfolgt zwei Ziele, die Beurteilung der regionalen Wandbewegung und die Erfassung der globalen ventrikulären Funktion mit Berechnung rechts- und linksventrikulärer Parameter und Volumina. Wenn diese linksventrikulären Parameter mittels biplaner Cine-Angiokardiographie, digitaler Subtraktionsangiokardiographie oder 2-D-Echokardiographie bestimmt werden, muss die Ventrikelkonfiguration über Modelle, zum Beispiel ein Rotationsellipsoid, angenähert werden. Vorteile der MRT liegen in der Fähigkeit, in konsekutiven Schnitten eine vollständige Darstellung des Herzens in verschiedenen Phasen des Herzzyklus zu erzielen und durch Planimetrie und Summation der Myokardschnitte die Myokardmasse sowie Funktionsparameter direkt zu bestimmen. Untersuchungen am Tiermodell sowie bei Probanden und Patienten haben für normale und pathologisch konfigurierte Ventrikel eine hohe Genauigkeit und eine sehr geringe intra- und interindividuelle Variabilität gezeigt (19, 20). Aufgrund der hohen Genauigkeit des Verfahrens kann die MRT als Goldstandard für die kardiale Funktionsdiagnostik angesehen werden. Standard sind Cine-Sequenzen, die eine zeitaufgelöste Darstellung einer Schicht erlauben. Mittels Gradientenecho-Sequenzen werden Bilder zu verschiedenen Zeiten des Herzzyklus aufgenommen, die anschließend in einer Kinoschleife (Cine) abgespielt werden können. Die Zeitauflösung sollte dabei mindestens 50 ms betragen, um eine ausreichende Analyse der Wandbewegung zu erlauben und eine hinreichende Genauigkeit der Funktionsparameter zu erzielen (14). Insgesamt ist die Funktionsdiagnostik eine Domäne der MRT, die Computertomographie wird nur in Ausnahmefällen primär zur Funktionsdiagnostik des Herzens angewandt. Allerdings stehen auch für die CT je nach Gerätetyp spezielle Aufnahmemodi zur Verfügung, oder es können aus morphologischen Datensätzen mit retrospektiver EKG-Triggerung multiphasische Datensätze zur Berechnung funktioneller Daten rekonstruiert werden. Eine zusätzliche Strahlenexposition der Patienten kann somit vermieden werden (9). Die Auswertung mit Berechnung der ventrikulären Parameter (myokardiale Masse, Ejektionsfraktion, enddiastolisches und endsystolisches Volumen) erfolgt nach der modifizierten Simpson-Regel (Scheibchen-Summations-Methode), indem die Volumina der aneinander liegenden Schichten addiert werden. Es müssen zumindest die enddiastolischen und endsystolischen Bilder ausgewertet werden, indem manuell oder mit einem Konturfindungsprogramm die endo- und epikardialen Konturen eingezeichnet werden (Abbildung 3). Eine noch genauere Analyse der Wandbewegung ist mit der MRT durch Markierung (Tagging) einzelner Myokardregionen möglich. Bei dieser Tagging-Technik wird mit selektiven Hochfrequenz-Pulsen ein Linien- oder Gittermuster auf das Herz geprägt, anschließend können das Verziehen und die Bewegung der Linien- und Gittermuster verfolgt und quantitativ erfasst werden (4). Diese Technik ist aufgrund der aufwendigen Nachverarbeitung in der klinischen Routine jedoch noch nicht etabliert.
Koronarkalkquantifizierung
Die zuverlässige Quantifizierung koronarer Verkalkungen war lange Zeit eine alleinige Domäne der Elektronenstrahl-CT (EBT). Mit der MSCT kann durch überlappende Schichtrekonstruktion bei EKG-getriggerten Spiraldatensätzen die Variabiliät der Ergebnisse ohne zusätzliche Strahlenexposition deutlich reduziert werden (Abbildung 4). Zudem kann jetzt zum Erreichen einer besseren Vergleichbarkeit wiederholter Untersuchungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Quantität der Verkalkungen des gesamten Koronargefässsystems als absolute Masse in Milligramm erfolgen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Anwendungen der Computertomographie in der kardialen Diagnostik erfolgt diese Untersuchung ohne Verabreichung von Kontrastmittel.
CT-Angiographie
Die nichtinvasive CT Angiographie der Koronararterien hat sich in letzter Zeit aufgrund moderner technischer Fortschritte (MSCT) deutlich weiterentwickelt (Abbildung 5). Moderne Untersuchungsgeräte ermöglichen eine Darstellung des gesamten Koronargefäßsystems in einer Atemanhalteperiode.
Die durch die neuen Techniken mögliche hohe räumliche Auflösung erlaubt die genaue anatomische und morphologische Darstellung der Koronararterien. Aufgrund der jedoch weiterhin begrenzten räumlichen Auflösung ist eine zuverlässige Erkennung und Quantifizierung von signifikanten Stenosen bisher nicht möglich (1). Die erforderliche Zeitauflösung steht in Abhängigkeit von den verwendeten Untersuchungstechniken und den zu erwartenden Herzfrequenzen der Patienten.
Während bei einer zeitlichen Auflösung von 100 ms wie beim Elektronenstrahl-CT Patienten mit Herzfrequenzen bis circa 100 Schläge/Minute untersucht werden können, muss bei längeren Akquisitionszeiten pro Bild eine adäquate Patientenvorbereitung mit medikamentöser Reduktion (zum Beispiel Betablocker) der Herzfrequenz erfolgen. Bei modernen MSCT-Geräten mit einer Zeitauflösung von circa 250 ms sollte die Herzfrequenz 60 Schläge/Minute nicht überschreiten. Bei höheren Frequenzen ist eine ausreichende diagnostische Bildqualität nicht zu erzielen. In diesen Fällen sollte wie bei ausgeprägten Arrhythmien von einer Untersuchung abgesehen werden.
Die CT-Angiographie der großen thorakalen Gefäße und von Bypassgefäßen stellt meist keine speziellen Anforderungen an die verwendeten Untersuchungsgeräte. Lediglich für die Beurteilung der Aortenwurzel ist eine EKG-gesteuerte Datenaufnahme zu fordern, um Pulsationsartefakte zu mindern und somit eine ausreichende Beurteilung der Koronarabgänge bei Aortendissektionen und Aneurysmen zu ermöglichen. Als Untersuchungsbereich für die thorakalen Gefäße ist die Region vom Zwerchfell bis zu den supraaortalen Gefäßen ausreichend. Bei Aortendissektion ist jedoch die Untersuchung der gesamten Aorta anzustreben.
MR-Angiographie und Flussmessungen
Für die Darstellung der Koronararterien mit der MRT stehen derzeit zwei prinzipiell unterschiedliche methodische Ansätze zur Verfügung: Bei der KM-verstärkten 3-D-MR-Angiographie (KM-MRA) wird der „first-pass“ eines Kontrastmittels zur Darstellung der Koronararterien ausgenutzt. Die Datenakquisition erfolgt unter Atemanhalten des Patienten. Bei der navigatorbasierten Darstellung der Koronararterien wird unter kontinu-
ierlicher Registrierung der Zwerchfellposition beim frei atmenden Patienten ein dreidimensionaler Datensatz erhoben, bei dem nur die zu einem bestimmten Zeitpunkt des Atemzyklus gewonnenen Daten zur Bildverarbeitung genutzt werden (16, 22). Beide Angiographietechniken ermöglichen die Darstellung der proximalen zwei Drittel der Koronararterien; hierbei ist es möglich, hämodynamisch relevante Stenosen oder Okklusionen der Koronararterien mit einer Sensitivität von 65 bis 85 Prozent und einer Spezifität von 70 bis 90 Prozent nachzuweisen. Diese Zahlen zeigen, dass hier noch weitere Verbesserungen erforderlich sind, bevor das Verfahren zum Nachweis von Koronararterienstenosen routinemäßig eingesetzt werden kann.
Methode der Wahl für die Darstellung der großen intrathorakalen Gefäße, speziell der thorakalen Aorta, ist die 3D-KM-MRA (2). Um eine gute Bildqualität zu gewährleisten, muss die Untersuchung in Atemanhalten des Patienten durchgeführt werden. Entscheidend für die Bildqualität ist die Synchronisation von MR-Datenaufnahme und Erscheinen des Kontrastmittelbolus im Zielgefäß. Dies kann entweder durch Gabe eines kleinen Testbolus zur Bestimmung der Kontrastmitteltransitzeit oder durch eine Boluserkennung für den automatischen Start der Angiographie erreicht werden. Die KM-MRA weist mit großer Sicherheit Aneurysmen, Dissektionen, Entry- und Reentry-Stellen, Stenosen und Anomalien der thorakalen Aorta und supraaortalen Äste nach (8, 18). Die KM-MRA ermöglicht auch die Darstellung akuter und chronisch rezidivierender Lungenembolien (12). Allerdings wurde das Verfahren bei diesen Fragestellungen erst im Rahmen von Studien eingesetzt.
Zusätzlich zur reinen Gefäßdarstellung sind mit der MRT auch nichtinvasive Flussmessungen möglich. Diese basieren auf dem Prinzip, dass im Unterschied zu stationären Spins bewegte Spins auf ihrem Weg durch ein externes Magnetfeld eine Phasenverschiebung erfahren, die ihrer Flussgeschwindigkeit proportional ist (Phasenkontrast-Technik). Bei Kenntnis des Gefäßdurchmessers kann neben der Flussgeschwindigkeit auch das Flussvolumen pro Zeiteinheit bestimmt werden (15). Damit können sehr genau Schlagvolumina und damit Herzminutenvolumina, Shuntvolumina, Regurgitationsvolumina bei insuffizienten Klappen sowie maximale Flussgeschwindigkeiten bei Klappen- oder Gefäßstenosen zur Bestimmung des Druckgradienten bestimmt werden (7, 10). Flussmessungen können auch in sehr kleinen Gefäßen wie Bypass- oder Koronargefäßen durchgeführt werden. Messungen unter pharmakologischer Belastung ermöglichen hier die Berechnung der koronaren Flussreserve.
Perfusionsmessung und Belastungsuntersuchungen
Die Untersuchung der Myokardperfusion ist im klinischen Alltag der MRT vorbehalten. Die hohe zeitliche Auflösung der MRT ermöglicht die Messung von mehreren Bildern pro Herzschlag (Abbildung 6) (3). Um den „first-pass“ eines Kontrastmittelbolus durch das linksventrikuläre Cavum und Myokard abzubilden, werden mehrere Schichtpositionen mit 30 bis 40 Bildern pro Schichtposition aufgenommen (17). Als Kontrastmittelbolus werden in der Regel 0,025 bis 0,05 mmol Gd-Chelat/kg Körpergewicht verwendet. Limitationen bestehen noch in der vollständigen Abbildung des linken Ventrikels sowie in der Auswertung der Aufnahmen, welche qualitativ visuell oder computergestützt (semi-)quantitativ erfolgen kann (23). Belastungsuntersuchungen in der MRT werden entweder mit vasodilatierenden Pharmaka (zum Beispiel Adenosin) für Perfusionsstudien oder mit positiv inotropen Substanzen (zum Beispiel Dobutamin) zur Untersuchung der Kontraktilität durchgeführt. Die Überwachung des Patienten im Magneten erfolgt durch kontinuierliche EKG-Registrierung, Blutdruckmessung und Pulsoximetrie. Im Gegensatz zu Perfusionsstudien und zur niedrigdosierten Dobutamingabe zur Vitalitätsdiagnostik, bei denen nur äußerst selten therapiebedürftige Komplikationen auftreten, werden bei der hochdosierten Dobutamingabe zum Beispiel zur Primärdiagnostik der koronaren Herzerkrankung auch schwerwiegende Komplikationen beschrieben. Grundsätzlich sollten alle Belastungsuntersuchungen nur beim hämodynamisch und klinisch stabilen Patienten unter Bereitstellung einer Notfallausrüstung einschließlich eines Defibrillators in Anwesenheit eines Arztes mit der notwendigen Notfallerfahrung durchgeführt werden.
Stoffwechsel
Wesentlich für eine regelrechte Funktion des Herzmuskels ist ein intakter Energiestoffwechsel. Die MR-Spektroskopie (MRS) erlaubt als einziges nichtinvasives Verfahren die Erfassung von Stoffwechselvorgängen im menschlichen Herzen ohne Gabe eines externen Tracers; mit der CT ist eine Stoffwechselbeurteilung nicht möglich. Bedingt durch den hohen technischen Aufwand ist die Durchführung klinischer MRS-Untersuchungen jedoch derzeit auf einige wenige Zentren beschränkt. Das könnte sich durch die konsequente Anwendung neuerer technischer Entwicklungen ändern. Technische Verbesserungen betreffen vor allem die Möglichkeit, quantitative Aussagen über den Stoffwechsel zu treffen, sowie Verbesserungen der räumlichen und zeitlichen Auflösung. Für globale Herzerkrankungen zeichnen sich mögliche Anwendungen der MRS für die prognostische Abschätzung und zur Verlaufskontrolle unter Therapie ab (5). Auch in der Beurteilung von Umbauprozessen („Remodeling“) bei regional-ischämischen Herzerkrankungen könnte die MRS neue Einsichten ermöglichen (6). Ein neuer, derzeit noch experimenteller Ansatz zur Darstellung des Herzinfarkts ist die Natriumbildgebung, mit welcher der erhöhte Natriumgehalt im Infarktgebiet dargestellt werden kann. Dieser entsteht aufgrund verschiedener Mechanismen: Normalerweise ist der Natriumgehalt des Extrazellulärraums zehnfach höher als der des Intrazellulärraums. Im akuten Infarkt kommt es durch den Verlust der Zellmembranintegrität zum Einstrom von Natrium in die Zelle und zur Ausbildung eines extrazellulären Ödems, während bei chronischen Infarkten durch die Narbenbildung der Extrazellulärraum vergrößert ist. Diese Mechanismen führen zu einem erhöhten Gesamtnatriumgehalt des Infarktareals, der in der Natriumbildgebung dargestellt werden kann (21).
Technische Entwicklung
Für beide Verfahren, MRT und CT, sind bereits jetzt technische Weiterentwicklungen absehbar. Zurzeit werden die ersten MR-Tomographen mit höherer Feldstärke (3 Tesla) in der klinischen Anwendung etabliert. Hierdurch sind vor allem Verbesserungen für die Spektroskopie und die Perfusionsmessung zu erwarten, aber auch die Angiographie wird von dem erhöhten Signal-zu-Rausch-Verhältnis profitieren. Im Bereich der MR-Kontrastmittelforschung befinden sich intravaskuläre Kontrastmittel in der klinischen Erprobung, deren Einführung die MR-Koronarangiographie verbessern und Perfusionsmessungen mit Absolutquantifizierung des myokardialen Blutflusses ermöglichen wird. Des Weiteren befinden sich spezifische Kontrastmittel in der Entwicklung, die atherosklerotische Veränderungen beziehungsweise Fibrinauflagerungen auf atheromatösen Plaques direkt nachweisen können. Die CT wird vor allem von einer Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung profitieren. Derzeit befinden sich Computertomographen mit 16 Detektorzeilen und 0,5 mm Schichtdicke bei einer Röhrenrotationszeit von 420 ms in der Erprobung. Hierdurch ist vor allem eine verbesserte Darstellung der Koronararterien und auch atheromatöser Plaques mit der CT zu erwarten.
Schlussfolgerung
Die Aussagekraft der kardialen MRT umfasst die Analyse der regionalen und globalen Funktion, die Untersuchung der myokardialen Perfusion, die Infarkt- und Vitalitätsdiagnostik und die nichtinvasive Darstellung der Koronararterien. Neben der reinen morphologischen Darstellung gelingt jetzt auch die Untersuchung krankhafter Gewebeveränderungen, bevor diese zu morphologischen Veränderungen geführt haben. Das Ausmaß eines Herzinfarkts kann zum Beispiel erstmals vor Ausbildung einer bindegewebigen Narbe beurteilt werden. Zusätzlich ist die Untersuchung des Energiestoffwechsels und der zellulären Homöostase möglich.
Mit der EKG-getriggerten MSCT können der Koronarkalk quantifiziert sowie hochauflösende Darstellungen der Herzmorphologie und der Koronararterien gewonnen werden. Die technischen Voraussetzungen und die einzelnen Untersuchungstechniken sind in den „Leitlinien für den Einsatz von MRT und CT in der Herzdiagnostik“ der Deutschen Röntgengesellschaft nachzulesen (www.drg.de, www.awmf-online.de). Durch die technischen Fortschritte ergeben sich neue Indikationen und Untersuchungsstrategien in der Herzdiagnostik, die in einem folgenden Beitrag beschrieben werden.

Manuskript eingereicht: 20. 8. 2001, revidierte Fassung angenommen: 14. 2. 2002

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2002; 99: A 1836–1840 [Heft 26]

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:
Priv.-Doz. Dr. med. Jörn Sandstede
Institut für Röntgendiagnostik
Universität Würzburg
Klinikstraße 8
97070 Würzburg
E-Mail: joern.sandstede@mail.uni-wuerzburg.de
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