Rofo 2000; 172(2): 129-133
DOI: 10.1055/s-2000-10508
THORAX
ORIGINALARBEIT
Georg Thieme Verlag Stuttgart - New York

Ultraschnelle MRT der Lungenventilation mittels hochpolarisiertem Helium-3[*]

W. G. Schreiber1 , N. Weiler2 , H.-U. Kauczor1 , K. Markstaller1,2 , B. Eberle2 , J. Hast1 , R. Surkau3 , T. Großmann3 , A. Deninger3 , G. Hanisch1 , E. W. Otten3 , M. Thelen1
  • 1Klinik und Poliklinik für Radiologie
  • 2Klinik für Anästhesiologie
  • 3Institut für Physik,
  • Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
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Publication History

Publication Date:
31 December 2000 (online)

Zusammenfassung.

Ziel: Darstellung der räumlichen und zeitlichen Distribution der Ventilation der Lunge mittels ultraschneller Magnet-Resonanz-Tomographie von hochpolarisiertem Helium-3 in der Atemgasmischung. Methoden: Für die Studie wurden ultraschnelle Gradienten-Echo-Sequenzen mit TR/TE = 3,3 ms/1,3 ms (Schichtdicke 40 mm) und TR/TE = 2,0 ms/0,7 ms (ohne Schichtselektion) entwickelt. Die Meßzeit betrug 210 ms bzw. 130 ms je Aufnahme. Serien aus 80 bzw. 160 koronaren Aufnahmen wurden mit diesen Sequenzen während mehrerer Atemzyklen aufgenommen. Am Beginn der Messung wurde ein einzelner Bolus (300 ml) aus Helium-3 appliziert. Die Messungen erfolgten an 6 gesunden Probanden unter Spontanatmung. Die Beurteilung der zeitlichen Dynamik erfolgte in verschiedenen Regionen der Lunge und der Trachea. Ergebnisse: Mit den Aufnahmen konnten verschiedene Phasen der Inspiration und der Exspiration dargestellt werden. Während der Messung nahm das Helium-3-Signal durch Verdünnung von Helium-3 in alveolärem Gas, durch die Hochfrequenzanregungen, und aufgrund von T1-Relaxation mit Sauerstoff sowie durch Ausatmung ab. Das Signal eines einzelnen Helium-3 Bolus konnte während bis zu 4 Atemzyklen in der Lunge nachgewiesen werden. Anatomische Strukuren waren auf den schichtselektiven Aufnahmen besser abgrenzbar als auf den Projektionsaufnahmen. Schlußfolgerungen: Das vorgestellte Verfahren könnte in der Zukunft eine regionale Analyse der Lungenfunktion mit einer Orts- und Zeitauflösung ermöglichen, die der konventioneller Verfahren überlegen sein dürfte.

Ultrafast MR-Imaging of Lung Ventilation Using Hyperpolarized Helium-3.

Objective: Assessment of the temporal and spatial dynamics of hyperpolarized Helium-3 (3He) distribution in the lung with ultrafast gradient-echo magnetic-resonance imaging. Material and Methods: Coronal images of the lung were acquired using ultrafast gradient-echo pulse sequences with TR/TE = 3.3 ms/1.3 ms (slice thickness, 40 mm) and TR/TE = 2.0 ms/0.7 ms (without slice selection). A series of 80 or 160 projection images was obtained with 210 ms or 130 ms temporal resolution, respectively. Imaging was performed during several respiratory cycles after application of a single bolus of 300 mL hyperpolarized 3He. Measurements were performed in six healthy volunteers (spontaneous breathing). Results: Different phases of in- and expiration could be visualized. During the course of consecutive respiratory cycles the 3He signal decreased due to dilution of 3He in residual alveolar gas and by inspired air, relaxation due to oxygen and the RF pulses, and due to Helium-3 washout. The signal of a single bolus of 3He was detected in the lung for up to four respiratory cycles. Anatomical structures were better visualized on slice selective images than on images without slice selection. Conclusion: Distribution of inspired 3He within the tracheobronchial tree and alveolar space and its washout can be visualized by ultrafast imaging of a single bolus of hyperpolarized 3He gas. This method may allow for regional analysis of lung function with temporal and spatial resolution superior to conventional methods.

1 Herrn Prof. Dr. med. M. Thelen zum 60. Geburtstag gewidmet.

Literatur

  • 1 Albert M S, Cates G D, Driehuys B, Happer W, Saam B, Springer C S Jr, Wishnia A. Biological magnetic resonance imaging using laser polarized 129Xe.  Nature. 1994;  370 199-201
  • 2 Middleton H, Black R, Saam B, Cates G, Cofer G, Guenther B, Happer W, Hedlund L, Johnson G, Juvan K, Swartz J. MR imaging with hyperpolarized He-3 gas.  Magn Reson Med. 1995;  33 271-275
  • 3 Kauczor H-U, Hofmann D, Kreitner K-F, Nilgens H, Surkau R, Heil W, Potthast A, Knopp M V, Otten E, Thelen M. Normal and abnormal pulmonary ventilation: visualization at hyperpolarized He-3 MR imaging.  Radiology. 1996;  201 564-568
  • 4 Kauczor H-U, Ebert M, Kreiter K-F, Großmann T, Nilgens H, Hofmann D, Surkau R, Roberts T, Heil W, Otten E W, Thelen M. Helium-3-MRT der Lungenventilation: Erste klinische Anwendungen.  Fortschr Röntgenstr. 1997;  166 192-198
  • 5 Eberle B, Weiler N, Markstaller K, Surkau R, Kauczor H-U, Schreiber W G, Roberts T PL, Heinrichs W, Otten E W, Thelen M. Analysis of Intrapulmonary O2-Concentrations by Magnetic Resonance Imaging of Inhaled Hyperpolarized 3Helium. J Appl Physiol 1999 87: 2043-2052
  • 6 Deninger A J, Eberle B, Ebert M, Großmann T, Heil W, Kauczor H-U, Lauer L, Markstaller K, Otten E, Schmiedeskamp J, Schreiber W G, Surkau R, Thelen M, Weiler N. Quantification of regional intrapulmonary oxygen partial pressure. Evaluation during apnea by 3He-MRI. Journal of Magnetic Resonance 1999 141: 207-216
  • 7 Chen X J, Chawla M S, Cofer G P, Driehuys B, Hedlund L W, Möller H E, Johnson G A. Diffusion map of hyperpolarized gas in the guinea pig lung. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. 6th Annual Meeting, Sydney 1998
  • 8 Schreiber W G, Markstaller K, Eberle B, Kauczor H-U, Hanisch G, Weiler N, Surkau R, Thelen M. Ultrafast MR-Imaging of three-dimensional distribution of hyperpolarized Helium-3 diffusion coefficient in the lung.  European Radiology. 1999;  9 S542
  • 9 Surkau R, Becker J, Ebert M, Großmann T, Heil W, Hofmann D, Humblot H, Leduc M, Otten E W, Rohe D, Siemensmeyer K, Steiner M, Tasset F, Trautmann N. Realization of a broad band neutron spin filter wich compressed, polarized 3He gas.  Nucl Instr & Meth. 1997;  A 384 444-450
  • 10 Saam B, Happer W, Middleton H. Nuclear relaxation of 3He in the presence of O2.  Phys Rev A. 1995;  52 862-865
  • 11 Herter M, Konig R. Computertomographie und Lungenfunktionsszintigraphie beim zentralen Bronchialkarzinom. Vergleich zwischen morphologischen und funktionellen Veränderungen.  Fortschr Röntgenstr. 1983;  138 (6) 707-715
  • 12 Saam B, Yablonskiy D A, Gierada D S, Conradi M S. Rapid imaging of hyperpolarized gas using EPI.  Magn Reson Med. 1999;  42(3) 507-514
  • 13 DeLange E E, Mugler J P, Brookeman J R, Knight-Scott J, Truwit J, Teates C D, Daniel T M, Bogorad P L, Cates G D. Lung air spaces: MR imaging evaluation with hyperpolarized 3He gas.  Radiology. 1999;  210 851-857

1 Herrn Prof. Dr. med. M. Thelen zum 60. Geburtstag gewidmet.

Dr. Wolfgang Schreiber

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