Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (SWI)
- Abb. 1. Axiale Minimalwert-Projektion über 13 mm eines SWI Datensatzes. Die Daten wurden bei einer Feldstärke von 3T gemessen und zeigen venöse Gefäße im sub-millimeter Bereich.
In den letzten Jahren hat sich die suszeptibilitätsgewichtete MR-Bildgebung (SWI) zu einer neuen, wichtigen MR-Methode für die Untersuchung des menschlichen Gehirns entwickelt. Die SWI beruht auf dem Vorhandensein unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilitäten zwischen verschiedenen Geweben, die einerseits zu einer Phasendifferenz zwischen den Geweben führen, andererseits aber auch einen Signalverlust bewirken.
Das zugrundeliegende Prinzip der suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung (SWI) ist in der Arbeit von Reichenbach und Haacke (2001) (siehe Abschnitt "Referenzen") ausführlich dargestellt.
Bedeutung
Anfänglich beschränkte sich der Einsatz der SWI auf die nichtinvasive räumlich hochaufgelöste Darstellung der venösen Gefäßarchitektur (Abb. 1), was in der ursprünglichen Bezeichnung als BOLD-Angiographie zum Ausdruck kam. Heute reichen die Einsatzgebiete der SWI von Anwendungen bei der Untersuchung der venösen Gefäßarchitektur im gesunden und erkrankten Gehirn, über die Detektion von Eisen im Gehirn bis hin zur hochsensitiven Visualisierung von Mikrohämorrhagien, aber auch zur Darstellung funktioneller Änderungen durch Applikation exogener Substanzen, wie Karbogen und Koffein.
Darstellung von SWI Daten
Zur besseren Visualisierung werden die kleinsten Werte der suszeptibilitätsgewichteten (SWI)-Daten üblicherweise über einen Schichtstapel von ca. 1 cm Dicke projiziert, eine sogenannte Minimalwertprojektion (mIP). Dies ist in Film 1 illustriert - die Venen sind als dunkle Striche erkennbar. Bei dem Film handelt sich um einen räumlich hochaufgelösten Datensatz mit einer Voxelgröße von 0,5x0,75mm2 in der Schicht. Mit Hilfe der SWI können kleinste venöse Gefäße bis zu einem Durchmesser von 100um nachgewiesen werden. Die mIP wird als Sliding Window über den gesamten Datensatz geschoben und ermöglicht so eine exzellente Verfolgung der venösen Gefäße.
Eine andere Möglichkeit zur Visualisierung ist angelehnt an die Darstellung arterieller Gefäße durch eine Maximalwertprojektion (MIP). Hierfür müssen die SWI-Daten invertiert und maskiert werden, um den Hintergrund auszublenden. Durch Projektionen aus verschiedenen Richtungen, beispielsweise durch Drehung um die z-Achse (Film 2) oder y-Achse (Film 3), über den gesamten Datensatz ist es möglich die räumliche Anordnung der venösen Gefäße darzustellen.
- Film 1. Minimalwertprojektion (mIP) über einen transversalen Schichtstapel von ca. 1cm Dicke. (bitte auf das Bild klicken)
- Film 2. Maximalwertprojektion (MIP) durch den gesamten, invertierten und maskierten SWI-Datensatz aus verschiedenen Projektionsrichtungen um die z-Achse. (bitte auf das Bild klicken)
- Film 3. Maximalwertprojektion (MIP) durch den gesamten, invertierten und maskierten SWI-Datensatz aus verschiedenen Projektionsrichtungen um die y-Achse. (bitte auf das Bild klicken)
Induzierte Signaländerungen
Durch exogene Substanzen hervorgerufene zerebrale Blutflussänderungen beeinflussen den Oxygenierungsgrad des venösen Blutes. Diese Änderung kann mit Hilfe der SWI räumlich aufgelöst nachgewiesen werden. Somit können Regionen mit abnormaler Blutversogung, wie Hirntumore, Aneurysmen oder Ischämien genauer charakterisiert und genauer von gesundem Gewebe abgegrenzt werden.
In der klassischen mIP-SWI Darstellung verschwindet der Kontrast zu den venösen Gefäßen bei einer zerebralen Blutflusserhöhung durch die Atmung von Karbogen (5% CO2, 95% O2) nahezu vollständig (Abb. 2 und 3 rechts). Der Kontrast von eisenhaltigem Gewebe bleibt allerdings erhalten.
Eine Karte der relativen Signaländerungen am gesunden Probanden zwischen Luft- und Karbogen-Atmung zeigt sehr hohe Signaländerungen in den venösen Gefäßen (Abb. 4), in der grauen Hirnsubstanz ist eine Signalerhöhung von ca. 10% sichtbar und in der weißen Substanz ist aber auf Grund ihrer geringeren Durchblutung keine deutliche Änderung festzustellen.
- Abb. 2. Darstellung der Auswirkung von Carbogenatmung auf den SWI-Kontrast.
- Abb. 3. SWI Venogramme die während Luft (links) bzw. Carbogenatmung (rechts) gemessen wurden.
- Abb. 4. Eine Karte der relativen Signaländerungen zwischen Luft- und Carbogenatmung.
Referenzen
- J. R. Reichenbach und E. M. Haacke. (2001). High resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function. NMR Biomed, 14(7-8), 453-467.
- A. Deistung, A. Rauscher, J. Sedlacik, J. Stadler, S. Witoszynskyj, J. R. Reichenbach (2008). Susceptibility Weighted Imaging at Ultra High Magnetic Field Strengths: Theoretical Considerations and Experimental Results. Magn Reson Med, 60(5), 1155-1168.
- A. Deistung, E. Dittrich, J. Sedlacik, A. Rauscher, J. R. Reichenbach (2009). ToF-SWI: simultaneous time of flight and fully flow compensated susceptibility weighted imaging. J Magn Reson Imaging, 29(6), 1478-1484. doi: 10.1002/jmri.21673.
- A. Rauscher, J. Sedlacik, C. Fitzek, B. Walter, A. Hochstetter, R. Kalff, W. A. Kaiser, J. R. Reichenbach. (2005) High Resolution Susceptibility Weighted MR-Imaging of Brain Tumors during the Application of a Gaseous Agent. RoFo, 177(8), 1065-1069.