Pneumologie 2016; 70(12): 813-825
DOI: 10.1055/s-0042-117747
Fort- und Weiterbildung
© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Quantifizierung von Ventilation, Inflammation, Perfusion und Struktur (VIPS)

Innovative pulmonale Funktionsanalytik mittels CT und MRT auf dem Weg in die klinische RoutineQuantification of Ventilation, Inflammation, Perfusion and Structure (VIPS)Innovative Analysis of Pulmonary Function with CT and MRI on the Road to Clinical Routine
J. Renne
Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Medizinische Hochschule Hannover
,
J. Vogel-Claussen
Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Medizinische Hochschule Hannover
› Author Affiliations
Further Information

Korrespondenzadresse

Dr. med. Julius Renne
Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie
OE 8220
Medizinische Hochschule Hannover
Carl-Neuberg-Str. 1
30625 Hannover

Publication History

Publication Date:
08 December 2016 (online)

 

Zusammenfassung

In der pulmonalen Bildgebung wurden in den letzten Jahren Fortschritte erzielt, die mit den aktuellen Methoden neben einer rein morphologischen Beschreibung von Lungenveränderungen zunehmend auch eine lokalisierte Quantifizierung der Lungenfunktion ermöglichen. In diesem Artikel werden die aktuellen klinischen Standards zur Lungenbildgebung zusammengefasst sowie in der Forschung angewandte Techniken vorgestellt. Anhand aktueller Studien wird der Einsatz quantitativer Bildgebung mittels Computertomografie und Magnetresonanztomografie bei COPD, Asthma, pulmonaler Hypertonie und zystischer Fibrose erläutert und ein Ausblick auf zukünftige Anwendungen gegeben.


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Abstract

Technical innovation in pulmonary imaging during the recent years has led to a shift from morphological description of pulmonary pathologies to regional quantification of pulmonary function. This article summarizes current clinical standards in pulmonary imaging and introduces the reader to new innovative techniques of functional lung imaging. In the context of actual clinical studies for COPD, asthma, pulmonary hypertension and cystic fibrosis the application of quantitative imaging methods using computed tomography and magnetic resonance imaging is demonstrated and possible future applications are discussed.


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Lernziel

Bildgebende Verfahren zur Visualisierung und Quantifizierung von Ventilation, Inflammation, Perfusion und Strukturveränderungen (VIPS) der Lunge werden vorgestellt. Die verschiedenen Modalitäten werden im Kontext aktueller Studien anhand verschiedener pulmonaler Erkrankungen, wie COPD, pulmonale Hypertonie, Asthma oder zystische Fibrose dargestellt. Der Leser soll nach der Lektüre mit den in aktuellen wissenschaftlichen Arbeiten verwendeten Methoden quantitativer pulmonaler Bildgebung vertraut sein sowie die Anwendungsmöglichkeiten der bereits etablierten Verfahren kennen.


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Einleitung

Bildgebung ist schon früh ein wichtiger Pfeiler der Diagnostik pulmonaler Erkrankungen gewesen. Konventionelle Röntgenaufnahmen sind bis heute bedeutend in der Verlaufsbeurteilung, aber auch in der frühen Differenzialdiagnose von Pneumonien, kardiopulmonalen Erkrankungen oder auch maligner pulmonaler Läsionen [1]. Der geringe Aufwand sowie die flächendeckende Verfügbarkeit dieser Technik bedingen den unveränderten Stellenwert in der täglichen Praxis. Zusätzlich hat sich in den letzten Jahren die Computertomografie als zweites wichtiges Verfahren sowohl in akuten Situationen wie auch in der Identifikation, Charakterisierung und Beurteilung chronischer Lungenkrankheiten etabliert [2]. Die Diagnostik basiert sowohl bei den konventionellen Röntgenaufnahmen wie auch der Computertomografie vorrangig auf der Erkennung und Beschreibung spezifischer Muster und deren Interpretation in Abhängigkeit von der Verteilung [3] [4].

In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass bei einer Reihe pulmonaler Erkrankungen (z. B. der COPD, [5]) eine reine Beschreibung pathologischer Muster nicht ausreicht, um klinisch offensichtlich vorhandene Phänotypen sowie unterschiedliche Stadien der Lungenerkrankungen zu erfassen. Durch die Entwicklung differenzierter Therapiestrategien, wie z. B. im Falle der pulmonalen Hypertonie werden Methoden zur Quantifizierung pathologischer Lungenveränderungen sowohl im Hinblick auf die Identifizierung erkrankungsspezifischer Subtypen wie auch auf ein suffizientes Monitoring der mit hohen Kosten bzw. zum Teil auch Nebenwirkungen verbundenen Therapien notwendig. Neben der rein morphologisch-pathologischen Veränderung ist hierbei auch die Funktion bzw. der jeweilige regionale Funktionsverlust ein vielversprechender Parameter. Hierzu wurden eine Reihe neuer bildgebender Verfahren entwickelt und zum Teil bereits im klinischen Alltag etabliert.

Diese Methoden werden in diesem Artikel dargestellt und in den Kontext vorhandener und zukünftiger Anwendungsmöglichkeiten gesetzt. Um eine umfassende Diagnostik zu erreichen, die einen unmittelbaren Wert in der Behandlung der Patienten darstellt, sollte Bildgebung im besten Fall eine Quantifizierung von Veränderungen in folgenden vier Qualitäten ermöglichen: Ventilation, Inflammation, Perfusion und Struktur (VIPS). Im Folgenden werden die unterschiedlichen Methoden für die Erfassung von VIPS mittels Computertomografie und Magnetresonanztomografie anhand aktueller Entwicklungen in der Diagnostik und Charakterisierung pulmonaler Erkrankungen erläutert ([Abb. 1]).

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Abb. 1 Übersicht über die vorgestellten bildgebenden Verfahren zur Analyse der Lungenfunktion und deren aktueller Entwicklungsstand.

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Ventilation und Gasaustausch

Etabliertes Verfahren für die Ventilationsanalyse der Lunge sind die nuklearmedizinischen Untersuchungen Szintigrafie bzw. SPECT/SPECT-CT [6]. Klinische Indikationen für eine ausschließliche Ventilationsanalyse mittels SPECT sind selten, z. B. für die Bestimmung des funktionellen Lungenvolumens vor einer Lungenteilresektion [6]. Ventilationsanalyse mittels SPECT wird meistens in Kombination mit einem Perfusions-SPECT durchgeführt, z. B. zur Detektion von Ventilations-/Perfusions-Mismatch Arealen bei Verdacht auf chronisch thrombembolische pulmonale Hypertonie [7].

Für die strahlungsfreie Magnetresonanztomografie wurden in den letzten Jahren eine Reihe gasförmiger Kontrastmittel etabliert: molekularer Sauerstoff, hyperpolarisierte Gase (Xenon-129 (129Xe) bzw. Helium-3 (3He)) und inerte Fluorverbindungen (z. B. Perfluorpropan). Diese Kontrastmittel liefern ebenfalls regionale Informationen über die Ventilation der Lungen, ermöglichen darüber hinaus zum Teil aber auch dynamische Aufnahmen, die Verzögerungen im Fluss (sowohl Inspiration als auch Exspiration) und somit Verengungen der Luftwege erfassen und quantifizieren können [8].

Die Ventilations-/Perfusionsszintigrafie ist klinischer Goldstandard zur Erfassung von Perfusionsdefiziten im Rahmen der Diagnostik der pulmonalen Hypertonie.

Hyperpolarisierte Gase

Das Problem, welches lange eine sinnvolle Anwendung der MRT zur Diagnostik von Lungenerkrankungen verhindert hat, ist die im Vergleich zu anderen Organen sehr geringe Dichte an Wassermolekülen in der Lunge, welche zu einem sehr geringen Signal führt. Darüber hinaus werden durch den unmittelbaren Übergang von Luft zu Gewebe in der Lunge Artefakte verursacht, welche zu einer weiteren Reduktion der Bildqualität führen. Eine Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung von hyperpolarisierten Gasen wie 3He oder 129Xe, da diese durch die Hyperpolarisation (ein physikalischer Prozess, welcher zu einer „gleichsinnigen Orientierung der Spins“ führt) ein deutlich höheres Signal erzeugen.

Es wurden zunächst für 3He und wegen hoher Kosten und Knappheit von 3He in den letzten Jahren zunehmend auch für 129Xe Sequenzen entwickelt, die eine hohe Bildqualität erreichen und direkt das Gas in der Lunge visualisieren [9] ([Abb. 2]).

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Abb. 2a Ventilationskarten mit direkter Visualisierung hyperpolarisierten 129Xenons bei einer gesunden Probandin (65 Jahre, immer Nichtraucherin) mit guter Lungenfunktion (FEV1 %pred 120 %, FVC%pred 122 %). Es lassen sich trotz des guten Gesundheitszustands einzelne Areale mit verminderter Ventilation (einzelne Areale mit Pfeilen markiert) abgrenzen, was bereits als mögliche physiologische Veränderungen im Alter beschrieben wurde [46]. Die Besonderheit der 129Xenon Bildgebung ist die zusätzliche Information über im Gewebe sowie in Erythrozyten gelöstem 129Xenon. Hieraus lassen sich Verhältniskarten von b Parenchym zu Gasphase und c Erythrozyten zu Gasphase erstellen und daraus die Diffusionskapazität quantifizieren. Die Erythrozytenphase zeigt hier ebenfalls ein sehr heterogenes Signal. Aktuell besitzt 129Xenon MRT noch keine klinische Zulassung in Deutschland.

Die regionale Ventilationsinformation dieser Technik wurde in einer Reihe von Studien eingesetzt, u. a. in der regionalen Erfassung der unmittelbaren Veränderungen nach Gabe von Bronchodilatatoren bei Asthma [10].

Eine weitere Besonderheit des 129Xenon ist, dass es bei Übertritt in das Lungenparenchym sowie noch einmal bei Übertritt in die roten Blutkörperchen zu einer jeweils geringen Verschiebung der Resonanzfrequenz kommt. Somit kann das Xenon in den drei Kompartimenten Gas – Lungenparenchym – rote Blutkörperchen unabhängig voneinander gemessen werden und auf diese Weise die Diffusionskapazität lokal quantifiziert werden [11] ([Abb. 2]).

Mittels diffusionsgewichteter Aufnahmen lassen sich darüber hinaus strukturelle Veränderungen detektieren (siehe unter „Struktur“).

Für beide Gase liegen mittlerweile umfangreiche Erfahrungen in der Anwendung am Menschen vor, und erste Anwendungen in der klinischen Routine von 129Xe MRT der Lunge wurden in Großbritannien beschrieben. In Deutschland jedoch sind Xenon, Helium und auch Fluorgase (s. u.) nicht für die klinische Routine als Test für regionale Lungenfunktionsmessungen zugelassen und dürfen nur in Studien angewandt werden [12] [13].

Probleme dieser Technik sind die hohen Kosten für das Gas, wie auch für die benötigte zusätzliche Hardware (Empfangseinheiten im Scanner sowie dem Gerät zur Hyperpolarisation) und ein vergleichsweise hoher personeller Aufwand.

Es wurden auch Versuche unternommen, Xenon als Kontrastmittel in der Computertomografie einzusetzen [14]. Aufgrund der vergleichbar hohen Strahlenexposition, insbesondere bei dynamischen Aufnahmen, wird diese Technik jedoch auf experimentelle Anwendungen beschränkt bleiben.

Hyperpolarisierte Gase ermöglichen eine direkte Visualisierung und Quantifizierung der Ventilation im MRT. 129-Xenon liefert darüber hinaus Informationen über die Membrandiffusionskapazität. Die Gase sind sicher in der Anwendung am Menschen, erfordern aber einen hohen finanziellen und technischen Aufwand und haben noch keine Zulassung für die klinische Routine in Deutschland.


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Sauerstoffverstärkte Magnetresonanztomografie

Die sauerstoffgestützte MRT der Lunge basiert auf der paramagnetischen Eigenschaft des Sauerstoffs, die T1-Relaxationszeit von Lungengewebe bzw. des Blutes zu verringern. Es lassen sich im Gegensatz zur MRT mit hyperpolarisierten Gasen Aufnahmen mit vorhandener Hardware eines klinischen 1,5 Tesla MRTs erfassen. Die Sequenzen werden hierbei unter Raumluftatmung sowie unter 100 % Sauerstoff aufgenommen und daraus Differenzkarten berechnet, welche Informationen vorrangig über die Ventilation der Lungenareale enthalten [15]. Gebräuchliche Größen zur Quantifizierung dieser Effekte sind die „oxygen transfer function“ (OTF) [16] sowie Verhältniskarten von Sauerstoff- zu Raumluftakquisitionen [17]. Darüber hinaus lässt sich die Anflutungszeit sowie die Auswaschzeit des Sauerstoffs mittels dynamischer Akquisition erfassen. Es konnte gezeigt werden, dass mittels dieser Technik der Therapieeffekt von Bronchodilatatoren bei schwerem Asthma visualisiert und quantifiziert werden kann [17]. Darüber hinaus konnte in einer Pilotstudie ein signifikanter Unterschied der OTF zwischen Patienten mit fortgeschrittener chronischer Lungenabstoßung (Bronchiolitis Obliterans Syndrom) und Patienten mit guter Organfunktion nach der Transplantation gezeigt werden ([Abb. 3]). Somit könnte die OTF möglicherweise ein Parameter neben der Lungenfunktionsanalyse zur Verlaufsbeurteilung von Lungentransplantaten sein [18]. Die Vorteile dieser Methode liegen in der guten Verfügbarkeit sowie der raschen Aufnahme der gewünschten Sequenzen (je ca. 2 Minuten für Raumluft- und Sauerstoffkarten mit einzelnem Atemanhalt von je ca. 6 Sekunden). Aufgrund der notwendigen Nachverarbeitung ist diese Technik jedoch noch nicht im klinischen Alltag verfügbar.

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Abb. 3 T1 mapping MRT der Lunge eines gesunden Probanden unter Atmung von a Raumluft und unter Atmung von b 100 % Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in dieser Technik als Kontrastmittel verwendet, und es können Informationen hauptsächlich zur Ventilation entnommen werden. In Studien konnte gezeigt werden, dass c Patienten mit fortgeschrittener chronischer Abstoßung nach Lungentransplantation eine deutlich erhöhte Heterogenität des Lungenparenchyms im T1 mapping zeigen. Dies könnte eine frühere Erkennung der chronischen Abstoßung ermöglichen.

Die sauerstoffgestützte MRT liefert Informationen über die lokale Sauerstoffverteilung.


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Fluorgasverbindungen und Magnetresonanztomografie

Im Vergleich zu hyperpolarisierten Gasen geben nicht hyperpolarisierte Fluorgasverbindungen ein etwas geringeres MRT-Signal. Sie wurden bereits zu Beginn der 1990er Jahre in tierexperimentellen Ansätzen verwendet. Sie sind danach mit kontinuierlichen MRT-Hardware-Verbesserungen auch in verschiedenen Studien erfolgreich und bisher ohne nennenswerte Nebenwirkungen zur Darstellung der regionalen Ventilation an Gesunden und lungenkranken Patienten etabliert worden [19] [20]. Entgegen der Eigenschaft von 129Xenon treten die inerten Fluorgasverbindungen nicht in das Gewebe oder das Blut über ([Abb. 4]). Ein weiterer Vorteil dieser Gase liegt darin, dass auch kontinuierliche Atemmanöver mit einem Gemisch mit Sauerstoff durchgeführt werden können, und somit dynamische Serien sowohl der Anflutung wie auch des Auswaschens in der gesamten Lunge visualisiert und auch quantifiziert werden können. Dies ist möglich zum einen, da das 19F/O2 Gasgemisch erheblich preiswerter als hyperpolarisiertes 3He oder 129Xe ist und somit auch größere Mengen für dynamische Messungen gegeben werden können, zum anderen dadurch, dass es nicht depolarisiert und dadurch mit der Zeit kein Signal verliert [8]. Trotzdem sind die initialen Kosten auch für diese Technik durch die benötigten zusätzlichen Empfangsspulen und MRT-Multikerntechnik im Moment noch sehr hoch. Auch fehlt eine Zulassung für ein 19F Gasgemisch für MRT-gestützte Lungenventilation in der klinischen Routine.

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Abb. 4 Ventilationsaufnahmen aus dem Signal von inerten Fluorgasverbindungen. a Homogenes Signal bei einem gesunden Probanden über die gesamte Lunge. b Ventilationsausfälle (exemplarisch mit Pfeilen markiert) bei einem COPD-Patienten in fortgeschrittenem Erkrankungsstadium.

Fluorgasverbindungen können für statische und dynamische MRT-Studien der regionalen Lungenventilation eingesetzt werden und benötigen keine Hyperpolarisation, erfordern jedoch ebenfalls spezielle Hardware.


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Ventilation und Perfusion mittels MRT-Fourier Dekomposition (FD)

Die Methode der Fourier Dekomposition (also die mathematische Auftrennung eines Signals in seine einzelnen Frequenzbestandteile) zur Lungenfunktionsanalyse wurde 2008 [21] beschrieben und in den nächsten Jahren weiterentwickelt [22] [23]. Es konnte eine gute Übereinstimmung dieser Technik mit der konventionellen SPECT-CT gezeigt werden [24]. Vorteile dieser Technik sind zum einen die Akquisition in freier Atmung, sodass auch pulmonal eingeschränkte Patienten komfortabel untersucht werden können. Zum anderen wird für diese Technik kein Kontrastmittel benötigt. Über ca. 8 Minuten werden hier von der gesamten Lunge kontinuierlich Bilder mit kommerziell verfügbaren MRT-Sequenzen aufgenommen und anschließend mittels einer Fourier-Analyse Karten generiert, welche regionale Ventilation und Perfusion auch quantitativ erfassen ([Abb. 5]). In der MRT-Datenakquise ist diese Methode technisch sehr einfach und patientenfreundlich, jedoch ist von den MRT-Geräteherstellern der FD-Nachbearbeitungsalgorithmus zur Erstellung der Ventilations- und Perfusionskarten zurzeit noch nicht kommerziell verfügbar.

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Abb. 5 Die MRT-Fourier Dekompositions-Methode liefert b Perfusionskarten und c Ventilationskarten ohne den Einsatz von gasförmigen oder intravenösen Kontrastmitteln in freier Atmung und stellt damit zukünftig eine Alternative z. B. für Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion dar. Bei diesem Patienten mit CTEPH lassen sich deutlich die Perfusionsausfälle (Pfeile, a) bei gleichzeitig erhaltener Ventilation erkennen. Dynamische kontrastmittelverstärkte MR-Angiografie zum Vergleich ist in a dargestellt.

Fourier Dekompositions-MRT ermöglicht eine Quantifizierung von Ventilation und Perfusion ohne Einsatz von Kontrastmitteln oder spezieller Hardware in freier Atmung.


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Inflammation

Die Identifikation entzündlicher Läsionen in der Lunge, vorrangig pneumonischer Infiltrate, war und ist Gegenstand der Diagnostik sowohl mittels konventioneller Röntgenaufnahmen wie auch mittels Computertomografie. Anhand spezifischer Muster lassen sich Einschätzungen zur Art des Erregers vornehmen und insbesondere mit der Computertomografie auch in frühen Stadien Pneumonien gegen Differenzialdiagnosen abgrenzen [25]. Die konventionelle Röntgenaufnahme ist hier aufgrund der hohen Verfügbarkeit die entscheidende bildgebende Modalität in der Verlaufsbeurteilung [1]. Die Computertomografie liefert aufgrund der sehr umfassenden Erfahrung mit diesem Verfahren gerade in immunkompromittierten Patienten wichtige differenzialdiagnostische Informationen [26].

Mit beiden Modalitäten ist jedoch die weitergehende Charakterisierung und insbesondere auch Quantifizierung nicht infektiöser inflammatorischer Reaktionen nur sehr eingeschränkt möglich.

Neuere Studien zeigen die Möglichkeit, PET-CT-Untersuchungen mit markierter Glukose zur Quantifizierung entzündlicher Reaktionen auf. Eingesetzt wurde dies in kleinen Studien u. a. in der Bestimmung der Aktivität der Sarkoidose.

Die relativ hohe Strahlenbelastung dieser Untersuchung verhindert zumindest aktuell jedoch eine Anwendung des PET-CT für diese Fragestellung in der Routine, insbesondere auch in longitudinalen Verlaufsbeobachtungen.

T2-gewichtete MRT sowie sauerstoffgestütztes T1-mapping

Eine mögliche Alternative ist auch hier die Magnetresonanztomografie. In kleineren Pilotstudien wurde gezeigt, dass eine Quantifizierung einer unter Versuchsbedingungen gesetzten bronchialen Entzündungsreaktion mittels eines Scoringsystems auf gängigen Sequenzen der 1H-MRT – und somit auf Standardgeräten – möglich ist [27]. Darüber hinaus gelang eine absolute Quantifizierung dieser Entzündungsreaktion, korrelierend mit der Anzahl eosinophiler Zellen, in einer bronchoalveolären Lavage mittels (sauerstoffgestützter) T1-mapping MRT (siehe unter „Ventilation“, [28]). Beide Methoden stellen vielversprechende Ansätze in der Inflammationsquantifizierung dar, müssen aber in größeren Studien weiter evaluiert werden. Wichtige Anwendungsmöglichkeiten in diesem Zusammenhang sind vor allem die frühe Entdeckung respiratorischer akut entzündlicher Exazerbationen chronischer Lungenerkrankungen, z. B. auch bei der zystischen Fibrose. Gerade in diesem Zusammenhang könnte eine lokale Therapiekontrolle eine deutliche Verbesserung in der Therapiegestaltung und individuellen Anpassung bedeuten und somit zu einem besseren Krankheitsverlauf für den Patienten beitragen [29].

Mittels T2-gewichteter Sequenzen sowie sauerstoffgestützter T1-mapping MRT konnte in experimentellen Ansätzen eine Quantifizierung akuter entzündlicher Läsionen in der Lunge erreicht werden.


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Perfusion

Auch in der Analyse der Lungenparenchymperfusion war und ist der klinische Standard die Szintigrafie bzw. die SPECT [6]. Insbesondere in der Diagnostik einer chronisch thrombembolischen pulmonalen Hypertonie ist die Ventilations-/Perfusions-Szintigrafie die leitliniengerechte Diagnostik [7].

Kontrastgestützte Computertomografie

In der akuten Diagnostik von Lungenembolien hingegen wurde die Szintigrafie nahezu vollständig durch die Angiografie mittels Computertomografie mit ihrer schnellen Durchführung und hohen flächendeckenden Verfügbarkeit ersetzt. Lediglich in Ausnahmen für schwangere Patientinnen bzw. bei stark eingeschränkter Nierenfunktion oder anderen Kontraindikationen für jodhaltige Kontrastmittel ist weiterhin die Durchführung einer Szintigrafie oder je nach Verfügbarkeit auch MRT angezeigt.

Eine Quantifizierung der Lungenparenchymperfusion ist mit der Standard-CT-Angiografie nicht möglich. Es können jedoch verschiedene Perfusionsmuster wie z. B. Mosaikperfusion bei chronischer Lungenembolie dargestellt werden. Eine Alternative stellt die Berechnung von Jodkarten mittels Dual-Energy-CT-Geräten dar, welche das Kontrastmittel mittels einer Aufnahme während der Parenchymphase separat visualisieren und somit eine Abschätzung der Lungenparenchymperfusion ermöglichen ([Abb. 6]).

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Abb. 6aa In der Diagnostik akuter Lungenembolien ist die CT-Angiografie der aktuelle Goldstandard mit schneller und sicherer Erkennung der Thrombusformationen (weißer Pfeil). b – d Mittels Dual-Energy Computertomografie lassen sich nach Gabe von jodhaltigem Kontrastmittel Jodkarten des Lungenparenchyms erstellen und somit die Parenchymperfusion evaluieren. Damit können z. B. bei Patienten mit chronisch thrombembolischer pulmonaler Hypertonie Areale mit Perfusionsausfällen/-minderungen (rote Pfeile) erkannt werden.

In der Akutdiagnostik von Lungenembolien ist die CT-Angiografie der Pulmonalgefäße das diagnostische Verfahren erster Wahl.


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Kontrastmittelgestützte MRT

Die kontrastmittelgestützte Angiografie stand bereits vor den ersten CT-Angiografien zur Verfügung und wird heute hauptsächlich in der Diagnostik von Arterienstenosen, aber auch bei Vaskulitiden eingesetzt. Grundsätzlich ist hiermit eine Detektion einer akuten Lungenembolie wie mit der CT – wenn auch mit geringerer Auflösung – möglich. Aufgrund der etwas geringeren Test-Performance spielt dies im klinischen Alltag jedoch nur in Ausnahmen eine Rolle [30].

Eine Weiterentwicklung dieser Technik stellen dynamische Angiografie-Sequenzen mit zeitlich sehr hoher Auflösung (ca. 1 Sekunde pro 3D-Datensatz) dar ([Abb. 7]). Mit diesen wird die serielle Aufnahme eines Kontrastmittelbolus möglich und mittels Nachbearbeitung lässt sich hieraus eine Quantifizierung der Lungenperfusion in ml pro Minute und 100 ml Gewebe errechnen [31] [32].

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Abb. 7 Zeitlich hochaufgelöste MR-Angiografie (ca. 1 s pro 3D-Volumen): Der Kontrastmittelbolus lässt sich genau erfassen und somit nach der a Rechtsherzphase genau die b Parenchymphase des Kontrastmittels auf Perfusionsausfälle (exemplarisch: rote Pfeile) bei diesem Patienten mit CTEPH untersuchen. c In der aortalen Phase dann zusätzliche Kontrastierung über Bronchialarterien bzw. verzögerte Perfusion durch die Pulmonalarterien. d Aus der dynamischen Angiografie berechnete Perfusionskarte zur Quantifizierung des Blutflusses im Lungenparenchym (ml/100 ml/min) mit deutlichen Perfusionsminderungen (exemplarisch: weiße Pfeile).

Mit dieser Technik lassen sich Perfusionskarten erstellen, welche insbesondere bei chronischen Embolien einen Perfusionsausfall darstellen können, und somit u. a. in der Beurteilung des Therapieerfolgs nach pulmonaler Thrombendarterektomie eingesetzt werden können [33]. In weiteren Studien wird derzeit evaluiert, ob die kontrastmittelgestützte MRT die Szintigrafie im Rahmen der Diagnostik der pulmonalen Hypertonie ersetzen kann. Auch konnte mit dieser Technik gezeigt werden, dass im Vergleich zu Rauchern ohne COPD der pulmonale parenchymale Blutfluss bei Patienten mit leichter COPD deutlich erniedrigt ist [32].

Zeitlich hochaufgelöste kontrastmittelgestützte MRT-Angiografien sind allgemein verfügbar auf aktuellen MRT-Geräten und liefern eine dynamische Darstellung der regionalen Lungenparenchymperfusion.


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Fourier Dekomposition

Wie bereits unter Ventilation beschrieben, ist diese Technik auch zur Quantifizierung der Lungenperfusion ohne Gabe eines Kontrastmittels geeignet. Im Rahmen der Diagnose der chronisch thrombembolischen pulmonalen Hypertonie konnte hier eine sehr hohe Übereinstimmung mit der kontrastmittelgestützten MRT nachgewiesen werden [34], sodass diese Technik zukünftig als Alternative z. B. für Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion zur Verfügung steht [35] ([Abb. 5]).


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Struktur

Der aktuelle Standard für die Erfassung der Struktur der Lunge ist im klinischen Alltag die Computertomografie. War es zu Beginn noch eine separate Anforderung, ist das „high resolution CT“ (HRCT) mit der aktuellen Gerätegeneration mit Akquisition einer hoch aufgelösten Spirale über den gesamten Thorax de facto der Standard geworden. Lediglich in der Wahl des Rekonstruktionskernels werden ggf. noch Unterschiede zwischen den verschiedenen Protokollen gemacht, sodass eine gezielte Anforderung eines HRCT noch sinnvoll ist und mit dem Radiologen besprochen werden sollte. Die CT lässt eine morphologische Charakterisierung der pathologischen Veränderungen einer Lungenerkrankung zu [2] [3] [4].

Über die rein deskriptive Analyse der Veränderungen und deren Lokalisation in verschiedenen Lungenabschnitten hinaus wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Parametern entwickelt, die eine teils automatisierte Quantifizierung pathologischer Veränderungen erlauben.

Diese Techniken sind mittlerweile gut verfügbar, haben aber noch einen relativ geringen Stellenwert in der alltäglichen Diagnostik. Basierend auf mehreren großen Multicenterstudien wird sich dies aber in absehbarer Zukunft ändern.

Quantitative Computertomografie

Insbesondere bei der COPD wurden mehrere Parameter evaluiert, welche eine Quantifizierung unterschiedlicher Aspekte der Lungenstruktur und damit eine Differenzierung unterschiedlicher COPD-Phänotypen ermöglichen [36] [37]. Die meisten Erfahrungen liegen hierbei in der Quantifizierung des Emphysems vor [5]. Die Emphysemausdehnung wird hier mittels eines vorgegebenen Grenzwertes für die Dichte (alle Voxel unterhalb einer Dichte von − 950 HU werden als Emphysem klassifiziert) quantifiziert (low attenuation area < − 950, LAA < −950 ). Neben dem Emphysem ist eine weitere wichtige pathophysiologische Komponente der COPD das „airway-remodeling“. Da die Auflösung der Computertomografie nicht ausreicht, eine direkte Visualisierung der kleinsten Luftwege vorzunehmen, wurden verschiedene Parameter zur Messung der mittleren bis großen Luftwege etabliert, die weiterhin nebeneinander existieren. Die am häufigsten verwandten Parameter sind das Verhältnis der Wanddicke zur Gesamtquerschnittsfläche der Luftwege (percentage wall area, %WA) sowie der Pi10 (Wurzel des Anteils der Wanddicke am Gesamtdurchmesser eines aus dem gesamten Bronchialsystem ermittelten theoretischen Bronchus mit einer Dicke von 10 mm). Der letztgenannte Parameter wurde entwickelt, um eine höhere Vergleichbarkeit der gemessenen Werte zwischen verschiedenen Patienten zu gewährleisten. In der norwegischen GenKOLS-Studie konnte gezeigt werden, dass ein erhöhter Emphysemanteil bei COPD-Patienten mit einer erhöhten Mortalität korreliert und der Pi10 bei Patienten mit höheren Emphysemanteilen zusätzlich mit einer erhöhten Sterblichkeit einhergeht [38].

Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung des „small airway disease“ ist die Quantifizierung von „gas trapping“ auf Exspirationsaufnahmen, also der Areale mit herabgesetzter Dichte bei möglichst vollständiger Exspiration (Areale mit Dichte < − 856HU auf Exspirationsaufnahmen, LAA < −856 ). Ein Fehler, der bei dieser Messung entsteht, sind emphysematöse Areale, welche zu einer falsch hohen Einschätzung des air trapping mittels des LAA < −856 führen.

Zur Verbesserung dieser Methode wurde daher das parametric response mapping eingeführt, welches eine Aufnahme in Exspiration und Inspiration mittels Bildregistrierung ineinander überführt ([Abb. 8]). Anschließend werden dann das Emphysem sowie air trapping unabhängig vom Emphysem als fSAD (functional Small Airway Disease) berechnet [39]. In einer kürzlich veröffentlichten Analyse der COPDgene-Studie konnte gezeigt werden, dass insbesondere das fSAD mit einer progredienten Verschlechterung der FEV1 in den folgenden fünf Jahren korreliert [40]. Weitere Studien müssen nun zeigen, ob aus diesen Informationen Subgruppen generiert werden können, für die dann individuelle Therapieansätze eingesetzt werden können.

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Abb. 8 Parametric response mapping. Mittels automatischer Nachverarbeitung lässt sich aus einem Scan in Inspiration a und Exspiration eine Parameterkarte b berechnen, welche das normale Lungengewebe c, den Emphysemanteil d sowie den Anteil der Erkrankung der kleinen Luftwege (functional small airway disease) visualisieren und quantifizieren. In diesem COPD-Patienten im Stadium GOLD IV ist das ausgeprägte Emphysem neben dem ebenfalls ausgeprägten Areal mit small airways disease zu erkennen.

Auch das Ausmaß einer Lungenfibrose lässt sich mittels Nachverarbeitung der Computertomografiedaten quantifizieren. Die hierbei erhobenen Parameter wurden an Patienten mit idiopathischer pulmonaler Fibrose untersucht, und es wurde eine Korrelation mit dem Überleben der Patienten gezeigt [41].

Mittels automatisierter Verfahren zur Auswertung computertomografischer Aufnahmen lassen sich relevante Parameter zur Typisierung von COPD-Patienten generieren. Insbesondere die Quantifizierung des „small airway disease“ und des Emphysems mittels parametric response mapping liefert hierbei prognostische Informationen.


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MRT mittels hochauflösender Sequenzen

Die MRT lieferte im Bereich der Lunge bislang nur eine sehr geringe Auflösung und aufgrund der geringen Protonendichte im Lungenparenchym nur ein unzureichendes Signal, sodass eine dem CT vergleichbare Analyse der Lungenstruktur bislang nicht möglich war. Neue Sequenzen mit sehr kurzen Echozeiten (sogenannte UTE-Sequenzen: ultrashort time to echo) von < 100 Mikrosekunden füllen jetzt diese Lücke und erlauben Auflösungen von 1 mm isovolumetrisch [42]. Es wurde gezeigt, dass hiermit Scoringverfahren in der Quantifizierung der zystischen Fibrose (CF) gleiche Ergebnisse liefern wie auf CT-Aufnahmen [43]. Darüber hinaus konnten bereits frühe Veränderungen erkannt werden [44], sodass die MRT als Bildgebung ohne ionisierende Strahlung in Zukunft bei jungen CF-Patienten zur longitudinalen Beobachtung eingesetzt werden könnte.

Über die Berechnung von diffusionsgewichteten Aufnahmen hyperpolarisierter Gase in der Lunge ist eine Bestimmung relativer Alveolargrößen möglich, sodass hiermit Mikrostrukturveränderungen der Lunge erkannt werden können [45]. Aufgrund der o. g. Einschränkungen in der Verfügbarkeit dieser Technik spielt dies aktuell aber in der Klinik noch keine Rolle.

Neue hochauflösende UTE-Sequenzen in der Magnetresonanztomografie liefern mit dem CT nahezu vergleichbare Bildqualität und ermöglichen somit eine kombinierte funktionelle und morphologische Untersuchung mit einer Modalität.

Fazit

Die zunehmende Spezialisierung von Therapien sowie die Identifikation einzelner Pathomechanismen pulmonaler Erkrankungen wie der COPD, dem Asthma oder auch der pulmonalen Hypertonie sowie der zystischen Fibrose werden in der Zukunft die Identifikation relevanter Subgruppen von Erkrankten erforderlich machen. Neben den lange etablierten klinischen Verfahren, wie der Lungenfunktionsanalyse mittels Bodyplethysmografie oder standardisierten Tests wie dem 6-Minuten-Gehtest, stellen die hier vorgestellten bildgestützten Verfahren mit ihrer zusätzlichen örtlichen Information vielversprechende Ansätze dar. Aus der vorangegangenen Darstellung wird deutlich, dass mit der Computertomografie bereits heute klinisch relevante Subgruppen mittels quantitativer Parameter identifiziert werden können. Die Magnetresonanztomografie hat sich in den letzten Jahren sehr stark auf dem Gebiet der funktionellen Lungenbildgebung weiterentwickelt. Ein erneuter Blick auf [Abb. 1] lässt erahnen, dass zukünftig eine umfassende Analyse sämtlicher relevanter Parameter als Ventilations-, Inflammations-, Perfusions- und Strukturanalyse in einer Untersuchung möglich sein kann. Unabdingbar hierbei ist die enge Zusammenarbeit zwischen Pneumologie und Radiologie, um gemeinsam eine Diagnostik zu entwickeln, die relevante Informationen möglichst rasch und für den Patienten schonend generiert und dabei eine verbesserte Therapie ermöglicht.


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Interessenkonflikt

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Danksagung

Für die Unterstützung bei der Erstellung der Abbildungen dieses Artikels danken wir Till Kareit, Andreas Voskrebenzev, Marcel Gutberlet, Agilo Kern und Christian Schönfeld.


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Dr. med. Julius Renne
Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie
OE 8220
Medizinische Hochschule Hannover
Carl-Neuberg-Str. 1
30625 Hannover


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Abb. 1 Übersicht über die vorgestellten bildgebenden Verfahren zur Analyse der Lungenfunktion und deren aktueller Entwicklungsstand.
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Abb. 2a Ventilationskarten mit direkter Visualisierung hyperpolarisierten 129Xenons bei einer gesunden Probandin (65 Jahre, immer Nichtraucherin) mit guter Lungenfunktion (FEV1 %pred 120 %, FVC%pred 122 %). Es lassen sich trotz des guten Gesundheitszustands einzelne Areale mit verminderter Ventilation (einzelne Areale mit Pfeilen markiert) abgrenzen, was bereits als mögliche physiologische Veränderungen im Alter beschrieben wurde [46]. Die Besonderheit der 129Xenon Bildgebung ist die zusätzliche Information über im Gewebe sowie in Erythrozyten gelöstem 129Xenon. Hieraus lassen sich Verhältniskarten von b Parenchym zu Gasphase und c Erythrozyten zu Gasphase erstellen und daraus die Diffusionskapazität quantifizieren. Die Erythrozytenphase zeigt hier ebenfalls ein sehr heterogenes Signal. Aktuell besitzt 129Xenon MRT noch keine klinische Zulassung in Deutschland.
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Abb. 3 T1 mapping MRT der Lunge eines gesunden Probanden unter Atmung von a Raumluft und unter Atmung von b 100 % Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in dieser Technik als Kontrastmittel verwendet, und es können Informationen hauptsächlich zur Ventilation entnommen werden. In Studien konnte gezeigt werden, dass c Patienten mit fortgeschrittener chronischer Abstoßung nach Lungentransplantation eine deutlich erhöhte Heterogenität des Lungenparenchyms im T1 mapping zeigen. Dies könnte eine frühere Erkennung der chronischen Abstoßung ermöglichen.
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Abb. 4 Ventilationsaufnahmen aus dem Signal von inerten Fluorgasverbindungen. a Homogenes Signal bei einem gesunden Probanden über die gesamte Lunge. b Ventilationsausfälle (exemplarisch mit Pfeilen markiert) bei einem COPD-Patienten in fortgeschrittenem Erkrankungsstadium.
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Abb. 5 Die MRT-Fourier Dekompositions-Methode liefert b Perfusionskarten und c Ventilationskarten ohne den Einsatz von gasförmigen oder intravenösen Kontrastmitteln in freier Atmung und stellt damit zukünftig eine Alternative z. B. für Patienten mit eingeschränkter Nierenfunktion dar. Bei diesem Patienten mit CTEPH lassen sich deutlich die Perfusionsausfälle (Pfeile, a) bei gleichzeitig erhaltener Ventilation erkennen. Dynamische kontrastmittelverstärkte MR-Angiografie zum Vergleich ist in a dargestellt.
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Abb. 6aa In der Diagnostik akuter Lungenembolien ist die CT-Angiografie der aktuelle Goldstandard mit schneller und sicherer Erkennung der Thrombusformationen (weißer Pfeil). b – d Mittels Dual-Energy Computertomografie lassen sich nach Gabe von jodhaltigem Kontrastmittel Jodkarten des Lungenparenchyms erstellen und somit die Parenchymperfusion evaluieren. Damit können z. B. bei Patienten mit chronisch thrombembolischer pulmonaler Hypertonie Areale mit Perfusionsausfällen/-minderungen (rote Pfeile) erkannt werden.
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Abb. 7 Zeitlich hochaufgelöste MR-Angiografie (ca. 1 s pro 3D-Volumen): Der Kontrastmittelbolus lässt sich genau erfassen und somit nach der a Rechtsherzphase genau die b Parenchymphase des Kontrastmittels auf Perfusionsausfälle (exemplarisch: rote Pfeile) bei diesem Patienten mit CTEPH untersuchen. c In der aortalen Phase dann zusätzliche Kontrastierung über Bronchialarterien bzw. verzögerte Perfusion durch die Pulmonalarterien. d Aus der dynamischen Angiografie berechnete Perfusionskarte zur Quantifizierung des Blutflusses im Lungenparenchym (ml/100 ml/min) mit deutlichen Perfusionsminderungen (exemplarisch: weiße Pfeile).
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Abb. 8 Parametric response mapping. Mittels automatischer Nachverarbeitung lässt sich aus einem Scan in Inspiration a und Exspiration eine Parameterkarte b berechnen, welche das normale Lungengewebe c, den Emphysemanteil d sowie den Anteil der Erkrankung der kleinen Luftwege (functional small airway disease) visualisieren und quantifizieren. In diesem COPD-Patienten im Stadium GOLD IV ist das ausgeprägte Emphysem neben dem ebenfalls ausgeprägten Areal mit small airways disease zu erkennen.