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Medicine

Magnetresonanztomographie der Multiplen Sklerose bei 7,0 Tesla

Published: February 19, 2021
doi:
10.3791/62142
, , , , , , , , , ,
1Berlin Ultrahigh Field Facility (B.U.F.F.),Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association, 2Experimental and Clinical Research Center,Max Delbrueck Center for Molecular Medicine and Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 3NeuroCure Clinical Research Center,Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 4Department of Neurology,Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 5The Swedish National 7T Facility, Lund University Bioimaging Center,Lund University, 6Department of Radiography,Medical University of Lublin, 7ECOTECH-COMPLEX,Maria Curie-Skłodowska University, 8MRI.TOOLS GmbH, 9Berlin School of Mind and Brain,Humboldt-Universität zu Berlin

Summary

Hier stellen wir ein Protokoll zur Erfassung von Magnetresonanzbildern (MR) von Patientengehirnen mit Multipler Sklerose (MS) bei 7,0 Tesla vor. Das Protokoll umfasst die Vorbereitung des Setups einschließlich der Hochfrequenzspulen, standardisierte Interviewverfahren mit MS-Patienten, die Positionierung der Probanden im MR-Scanner und die MR-Datenerfassung.

Abstract

Das übergeordnete Ziel dieses Artikels ist es, ein hochmodernes Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanzprotokoll (MR) des Gehirns bei 7,0 Tesla bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS) zu demonstrieren. MS ist eine chronisch entzündliche, demyelinisierende, neurodegenerative Erkrankung, die durch Läsionen der weißen und grauen Substanz gekennzeichnet ist. Der Nachweis von räumlichund zeitlich disseminierten T2-hyperinsens läsionen durch den Einsatz von MRT bei 1,5 T und 3 T stellt ein entscheidendes diagnostisches Instrument in der klinischen Praxis dar, um eine genaue Diagnose von MS auf der Grundlage der aktuellen Version der McDonald-Kriterien von 2017 zu stellen. Die Differenzierung von MS-Läsionen von Läsionen der weißen Substanz des Gehirns anderer Herkunft kann jedoch aufgrund ihrer ähnlichkeitsartigen Morphologie bei niedrigeren Magnetfeldstärken (typischerweise 3 T) manchmal eine Herausforderung darstellen. Ultrahochfeld-MR (UHF-MR) profitiert von einem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis und einer verbesserten räumlichen Auflösung, beides Schlüssel zu überlegener Bildgebung für genauere und definitivere Diagnosen subtiler Läsionen. Daher hat die MRT bei 7,0 T ermutigende Ergebnisse gezeigt, um die Herausforderungen der MS-Differentialdiagnose durch die Bereitstellung ms-spezifischer Neuroimaging-Marker (z. B. zentrales Venenzeichen, Hypointense-Randstrukturen und Differenzierung von MS-Läsionen der grauen Substanz) zu überwinden. Diese und andere Marker können durch andere MR-Kontraste alsT1 undT2 (T2 *,Phase, Diffusion) identifiziert werden und verbessern wesentlich die Differenzierung von MS-Läsionen von denen, die bei anderen neuroinflammatorischen Erkrankungen wie Neuromyelitis optica und Susac-Syndrom auftreten. In diesem Artikel beschreiben wir unseren aktuellen technischen Ansatz zur Untersuchung zerebraler Läsionen der weißen und grauen Substanz bei MS-Patienten bei 7,0 T unter Verwendung verschiedener MR-Akquisitionsmethoden. Das aktuelle Protokoll umfasst die Vorbereitung des MR-Setups einschließlich der für UHF-MR angepassten Hochfrequenzspulen, standardisierte Screening-, Sicherheits- und Interviewverfahren mit MS-Patienten, die Patientenpositionierung im MR-Scanner und die Erfassung spezieller Gehirnscans, die auf die Untersuchung von MS zugeschnitten sind.

Introduction

Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste chronisch entzündliche und demyelinisierende Erkrankung des Zentralnervensystems (ZNS), die bei jüngeren Erwachsenen eine ausgeprägte neurologische Behinderung verursacht und zu einer langfristigen Behinderung führt1,2. Das pathologische Kennzeichen der MS ist die Anhäufung von demyelinisierenden Läsionen, die in der grauen und weißen Substanz des Gehirns auftreten, und auch die diffuse Neurodegeneration im gesamten Gehirn, selbst bei normal erscheinender weißer Substanz (NAWM)3,4. Die MS-Pathologie deutet darauf hin, dass eine Entzündung in allen Stadien der Krankheit zu Gewebeverletzungen führt, auch in den fortschreitenden Stadien der Erkrankung5. Die ersten klinischen Manifestationen der MS werden häufig von reversiblen Episoden neurologischer Defizite begleitet und als klinisch isoliertes Syndrom (CIS) bezeichnet, wenn sie nur auf MS6hinweisen,7. In Ermangelung eines eindeutigen CIS ist bei der Erstellung einer MS-Diagnose Vorsicht geboten: Die Diagnose sollte durch Nachsorge bestätigt werden, und die Einleitung langfristiger krankheitsmodifizierender Therapien sollte verschoben werden, bis zusätzliche Nachweisevorliegen 8.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein unverzichtbares Instrument zur Diagnose von MS und zur Überwachung des Krankheitsverlaufs9,10,11. Die MRT bei Magnetfeldstärken von 1,5 T und 3 T stellt derzeit ein entscheidendes diagnostisches Instrument in der klinischen Praxis dar, um hyperintensive Läsionen mit Spin-Spin-Relaxationszeit (T2)zu erkennen und eine genaue Diagnose von MS auf der Grundlage der aktuellen Version der McDonald-Kriterien von 2017 zu stellen8. Diagnostische Kriterien für MS betonen die Notwendigkeit, die Verbreitung von Läsionen in Raum und Zeit nachzuweisen und alternative Diagnosen auszuschließen8,12. Die kontrastverstärkte MRT ist die einzige Methode zur Beurteilung akuter Erkrankungen und akuter Entzündungen8,aber zunehmende Bedenken hinsichtlich einer möglichen langfristigen Gadolinium-Hirnablagerung könnten die Kontrastanwendung als wichtiges diagnostisches Instrument einschränken13,14,17. Darüber hinaus kann die Differenzierung von MS-Läsionen von Läsionen der weißen Substanz des Gehirns anderer Herkunft aufgrund ihrer ähnlichkeitsartigen Morphologie bei niedrigeren Magnetfeldstärken manchmal eine Herausforderung darstellen.

Während die MRT sicherlich das beste diagnostische Instrument für MS-Patienten ist, sollten MR-Untersuchungen und -Protokolle den Richtlinien der Magnetresonanztomographie in ms-Gruppe (MAGNIMS) in Europa18,19 oder des Konsortiums der Multiple Sklerose-Zentren (CMSC) in Nordamerika20 für die Diagnose, Prognose und Überwachung von MS-Patienten folgen. Standardisierte Qualitätskontrollstudien nach den neuesten Richtlinien in verschiedenen Krankenhäusern und Ländern sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung21.

MRT-Protokolle, die auf die MS-Diagnose und die Überwachung des Krankheitsverlaufs zugeschnitten sind, umfassen mehrere MRT-Kontraste, einschließlich des Kontrasts, der durch die longitudinale Relaxationszeit T1,die Spin-Spin-Relaxationszeit T2 *,und die diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI)22gesteuert wird. Harmonisierungsinitiativen lieferten Konsensberichte für die MRT in MS, um zu standardisierten Protokollen überzugehen, die die klinische Translation und den Vergleich von Daten über Standorte hinweg erleichtern23,24,25. T2-gewichtete Bildgebung ist gut etabliert und wird häufig in der klinischen Praxis zur Identifizierung von Läsionen der weißen Substanz (WM) verwendet, die durch hyperintense Erscheinung gekennzeichnet sind26,27. Obwohl die WM-Läsionsbelastung ein wichtiges diagnostisches Kriterium für MS28ist, korreliert sie aufgrund ihrer mangelnden Spezifität für den Schweregrad der Läsion und der zugrunde liegenden Pathophysiologie nur schwach mit der klinischen Behinderung26,27,29. Diese Beobachtung hat Erkundungen zur parametrischen Kartierung der transversalen RelaxationszeitT2 30ausgelöst. T2*-gewichtete Bildgebung hat in der bildgebenden MS zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das zentrale Venenzeichen in T2* gewichteter MRT gilt als spezifischer bildgebender Marker für MS-Läsionen27,31,32,33. T2* empfindlich auf Eisenablagerung 34,35, die sich auf Krankheitsdauer, Aktivität und Schweregrad beziehen kann36,37,38. Es wurde auch berichtet, dassT2* Gehirngewebeveränderungen bei Patienten mit geringfügigen Defiziten und früher MS widerspiegelt und somit zu einem Instrument zur Beurteilung der Entwicklung von MS bereits in einem frühen Stadium werden kann39,40.

Verbesserungen in der MRT-Technologie versprechen, Veränderungen im ZNS von MS-Patienten besser zu identifizieren und Ärzten einen besseren Leitfaden zur Verbesserung der Genauigkeit und Geschwindigkeit einer MS-Diagnose zu geben11. Ultrahochfeld-MRT (UHF, B0≥7,0 T) profitiert von einer Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR), die in verbesserte räumliche oder zeitliche Auflösungen investiert werden kann, beides der Schlüssel zu überlegener Bildgebung für genauere und definitivere Diagnosen41,42. Übertragungsfeld (B1+)Inhomogenitäten, die ein nachteiliges Attribut der 1H-Hochfrequenz sind, die bei ultrahohen Magnetfeldern verwendet wird43, würden von der Mehrkanalübertragung unter Verwendung von RF-Spulen mit paralleler Übertragung (pTx) und HF-Impulsdesignansätzen profitieren, diedieB1+ -Homogenität verbessern und somit eine gleichmäßige Abdeckung des Gehirns ermöglichen44.

Mit dem Aufkommen der 7,0-T-MRT haben wir mehr Einblick in demyelinisierende Erkrankungen wie MS in Bezug auf eine erhöhte Sensitivität und Spezifität der Läsionserkennung, die Identifizierung zentraler Venenzeichen, die Leptomeningealverstärkung und sogar in Bezug auf metabolische Veränderungenerhalten 45. Aus histopathologischen Studien wurde seit langem gezeigt, dass sich MS-Läsionen um Venen und Venolen bilden46. Die perivenöse Verteilung der Läsionen (zentrales Venenzeichen) kann mitT2* gewichteten MRT46,47,48 bei 3,0 T oder 1,5 T identifiziert werden, kann aber am besten mit UHF-MRT bei 7,0 T49,50 ,51,52identifiziert werden. Abgesehen vom zentralen Venenzeichen hat die UHF-MRT bei 7,0 T MS-spezifische Marker wie Hypointense-Randstrukturen und Differenzierung von MS-Läsionen der grauen Substanz53,54,55,56verbessert oder aufgedeckt . Eine bessere Abgrenzung dieser Marker mit UHF-MRT verspricht, einige der Herausforderungen der Differenzierung von MS-Läsionen von denen zu überwinden, die bei anderen neuroinflammatorischen Erkrankungen wie dem Susac-Syndrom53 und der Neuromyelitis optica54auftreten, und gleichzeitig gemeinsame pathogenetische Mechanismen bei anderen Erkrankungen oder Varianten von MS wie balós konzentrischer Sklerose57,58zu identifizieren.

Dieser Artikel erkennt die Herausforderungen und Chancen der UHF-MRT für den Nachweis und die Differenzierung von MS-Läsionen und beschreibt unseren aktuellen technischen Ansatz zur Untersuchung zerebraler Läsionen der weißen und grauen Substanz bei MS-Patienten bei 7,0 T mit verschiedenen bildgebenden Verfahren. Das aktuelle Protokoll umfasst die Vorbereitung des MR-Setups einschließlich der auf die UHF-MR zugeschnittenen Hochfrequenzspulen (RF), standardisierte Screening-, Sicherheits- und Interviewverfahren mit MS-Patienten, die Patientenpositionierung im MR-Scanner und die Erfassung von Gehirnscans für MS. Der Artikel soll Bildgebungsexperten, Grundlagenforscher, klinische Wissenschaftler, translationale Forscher und Technologen mit allen Erfahrungsstufen und Fachkenntnissen, von Auszubildenden über fortgeschrittene Anwender bis hin zu Anwendungsexperten, in das Gebiet der UHF-MRT bei MS-Patienten führen, mit dem Ziel, Technologieentwicklung und klinische Anwendung über disziplinäre Bereiche hinweg synergetisch zu verbinden.

Protocol

Dieses Protokoll ist für Studien bestimmt, die von der Ethikkommission der Charité – Universitätsmedizin Berlin (Zulassungsnummer: EA1/222/17, 08.01.2018) und der Abteilung Datenschutz und Corporate Governance der Charité – Universitätsmedizin Berlin genehmigt wurden. Die Einwilligung nach Aufklärung wurde von allen Probanden eingeholt, bevor sie in die Studie aufgenommen wurden. 1. Themen HINWEIS: Die Rekrutierung von MS-Patienten erfolgt in der Regel wenige Ta…

Representative Results

Eine 26-jährige Frau, bei der eine schubförmig remittierende MS (RRMS) diagnostiziert wurde, wurde bei 7,0 T unter Verwendung der oben genannten Protokolle untersucht (Abbildung 11). Einige Verzerrungen im Profil B1+ sind in den MR-Bildern zu beobachten. Dies wird erwartet, wenn man zu höheren Resonanzfrequenzenwechselt 43; die kürzeren Wellenlängen erhöhen destruktive und konstruktive Interferenzen…

Discussion

Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt eine Reihe von MRT-Sequenzen mit unterschiedlichen Kontrasten, die typischerweise bei der Untersuchung von MS-Patienten bei 7,0 T verwendet werden.Zusammen mit aufkommenden technologischen Entwicklungen bilden sie die Grundlage für die Erforschung fortgeschrittenerer Anwendungen in der metabolischen oder funktionellen Bildgebung.

Abgesehen von Hirnläsionen betreffen Läsionen im Rückenmark häufig MS-Patienten, die motorische, sensorische und auton…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dieses Projekt (T.N.) wurde teilweise vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 743077 (ThermalMR) gefördert. Die Autoren danken den Teams der Berlin Ultrahigh Field Facility (B.U.F.F.), Max-Delbrueck-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft, Berlin, Deutschland; an der Swedish National 7T Facility, Lund University Bioimaging Center, Lund University, Lund, Schweden und am ECOTECH-COMPLEX, Maria Curie-Skłodowska University, Lublin, Polen für technische und andere Unterstützung.

Materials

7T TX/RX 24 Ch Head Coil Nova Medical, Inc., Wilmington, USA NM008-24-7S-013 1-channel circular polarized (CP) transmit (Tx), 24-channel receive (Rx) RF head coil
Magnetom 7T System Siemens Healthineers, Erlangen, Germany MRB1076 7.0 T whole body research scanner
syngoMR B17 Software Siemens Healthineers, Erlangen, Germany B17A image processing software for the Magnetom 7T system
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Waiczies, S., Els, A., Kuchling, J., Markenroth Bloch, K., Pankowska, A., Waiczies, H., Herrmann, C., Chien, C., Finke, C., Paul, F., Niendorf, T. Magnetic Resonance Imaging of Multiple Sclerosis at 7.0 Tesla. J. Vis. Exp. (168), e62142, doi:10.3791/62142 (2021).
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