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Die Erfindung betrifft ein System
zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern und insbesondere die kontrastmittelverstärkte Magnetresonanzangiographie
zur Untersuchung, Erkennung und Diagnose von Arterienerkrankungen
und -verletzungen.
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Arterienerkrankungen und -verletzungen
finden sich häufig
und ziehen neben anderen schwerwiegenden Folgen oft den Tod nach
sich. Die bildliche Darstellung der Arterien dient zur Erkennung
und Beurteilung einer Arterienerkrankung, bevor diese Folgen eingetreten
sind, sowie zur Erfassung anatomischer Merkmale als Unterstützung bei
der Operation von Aneurysmen.
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Bei einem bekannten Verfahren zur
bildlichen Darstellung von Arterien wird ein Katheter in die zu
untersuchende Arterie eingeführt
und ein Röntgenkontrastmittel,
beispielsweise ein jodhaltiges Kontrastmittel, injiziert, während Röntgenbilder
von der Arterie angefertigt werden. Bei dieser Technik verbleibt
das Kontrastmittel ein paar Sekunden in den Arterien, in welcher
Zeit sich die Arterien auf den Röntgenbildern
sowohl von den Venen als auch vom Hintergrundsgewebe unterscheiden
lassen.
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Auch wenn die Kontrastmittelarteriographie
mittels eines Katheters im allgemeinen hochwertige Bilder der Arterie
liefert, besteht die Gefahr, dass die Arterie durch den Katheter
und die Einführung
des Katheters verletz oder geschädigt
wird. Es kann zur Thrombose, Dissektion, Embolie, Perforation oder
einer anderen Verletzung der Arterie selbst kommen. Außerdem kann
diese Technik zu einem Gehirnschlag, zum Verlust eines Arms oder
Beins, zum Infarkt oder zu einer anderen Verletzung des von der
Arterie versorgten Gewebes führen.
Darüber
hinaus können
Blutungen an der Kathetereinführstelle
oder an Perforationsstellen eine Bluttransfusion erforderlich machen.
Zusätzlich
kann die toxische Wirkung des Röntgenkontrastmittels
zu Nierenversagen und zu Hirnschäden
führen.
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Neuere Techniken zur bildlichen Darstellung
von Arterien basieren auf der Erfassung der Bewegung des Blutes
in den Arterien bzw. der Venen. Bei diesen Techniken wird mittels
der Magnetresonanz das sich bewegende Blut unterscheidbar vom unbeweg ten
Hintergrundsgewebe bildlich dargestellt (vgl. Potchen et al., Hrsg., "Magnetic Resonance
Angiography/Concepts and Applications", Mosby, St. Louis, 1993). Bei diesen Techniken
muß kein
Katheter in die Arterie eingeführt
werden. Diese Techniken sind allgemein als 2D-Time-of-Flight-, 3D-Time-of-Flight-,
MOTSA-, Magnitudenkontrast-, Phasenkontrast- und Spinecho-Blut-Darstellung
bekannt.
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Mit Vorsättigungspulsen ist es möglich, hauptsächlich in
eine Richtung fließendes
Blut bildlich darzustellen. Da der Blutfluß in Arterien und Venen im
allgemeinen gegenläufig
ist, erlauben diese Vorsättigungspulse
die bevorzugte bildliche Darstellung entweder der Arterien oder
der Venen. Weil für
diese Techniken bewegtes Blut Voraussetzung ist, fallen die Bilder
bei Patienten mit Arterienerkrankungen, die den normalen Blutfluß verringern
oder beeinträchtigen,
schlechter aus. Arterienerkrankungen, die den normalen Blutfluß herabsetzen oder
beeinträchtigen,
sind beispielsweise Aneurysmen, Arterienstenosen, Arterienverschlüsse, geringes
Herzminutenvolumen etc.. Die sich dadurch ergebende Störung des
normalen Blutflusses ist besonders problematisch, weil es gerade
bei Patienten mit Durchblutungsstörungen besonders wichtig ist,
Arterienbilder guter Qualität
zu gewinnen.
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Eine bestimmte Magnetresonanz-Bildgebungstechnik
nutzt Unterschiede in den Protonenrelaxationseigenschaften bei Blut
und umgebendem Gewebe (vgl. Marchal et al. in Potchen et al., Hrsg.,
S. 305–322). Diese
Technik benötigt
keine gleichmäßige Bluteinströmung. Vielmehr
lassen sich bei dieser Magnetresonanz-Bildgebungstechnik die Arterien
nach Verabreichung eines paramagnetischen Kontrastmittels direkt
darstellen. Auf der Grundlage der Blutrelaxationseigenschaften lassen
sich dabei Arterien nach Verabreichung des Kontrastmittels direkt
bildlich darstellen. Mit dieser Technik werden viele der blutflußabhängigen Probleme bei
Magnetresonanz-Bildgebungstechniken,
die auf bewegtes Blut angewiesen sind, überwunden.
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Mehrere Fachleute haben Arterien
nach intravenöser
Injektion von Gadoliniumchelaten (paramagnetischen Kontrastmitteln)
mittels Magnetresonanz bildlich dargestellt. Diese Fachleute haben über ihre
Ergebnisse und Schlußfolgerungen
berichtet. Die Ergebnisse waren, kurzgesagt, enttäuschend,
so dass die Verwendung von Gadolinium zur bildlichen Darstellung
von Arterien nicht mehr in Frage kam und nicht als brauchbares Mittel
zur bildlichen Darstellung von Arterien angesehen wurde. Die mit
dieser Technik gewonnenen Bilder lassen sich schwer interpretieren,
weil Gadolinium sowohl Arterien als auch Venen hervortreten läßt. Weil
Arterien und Venen eng mit einander verflochten sind, ist es außerordentlich
schwierig, die Arterien richtig zu beurteilen, wenn die Venen ebenfalls
sichtbar sind. Die Interpretation wird durch Einwanderung des Kontrastmittels
in das Hintergrundgewebe noch weiter erschwert.
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Die Magnetresonanzbildgebung (MRI)
hat sich jedoch in den letzten zehn Jahren zu einer anerkannten
Technik der bildlichen Darstellung der Bauchschlagader und von Aneurysmen
der Bauchschlagader entwickelt. Fortschritte bei der MRI zur Gefäßdarstellung,
die als Magnetresonanzangiographie bekannt ist, ermöglichen
zusätzlich
die Beurteilung von Zweiggefäßen der
Aorta. Durch die Einschränkungen
der Magnetresonanzdarstellung des langsamen, Wirbel bildenden Flusses
in Aneurysmen, des turbulenten Flusses in Stenosen und geschlängelten
Hüftarterien
sind diese allgemeinen Untersuchungen jedoch nur bedingt als Detailinformation
für die
Operationsplanung brauchbar. Trotz dieser Einschränkungen
konnten jedoch neuere Weiterentwicklungen bei der gadoliniumverstärkten Magnetresonanzangiographie
einige der Darstellungsprobleme ausräumen (siehe Debatin et al.: "Renal magnetic resonance
angiography in the preoperative detection of supernumerary renal
arteries in potential kidney donors", Invest. Radiol. 1993; 28: 882–889; Prince
et al.: "Dynamic
gadoliniumenhanced three-dimensional abdominal MR arteriography", JMRI 1993; 3: 877–881; und Prince: "Gadolinium-enhanced
MR Aortography",
Radiology 1994; 191(1): 155– 64).
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Es besteht Bedarf an einem verbesserten
System der Magnetresonanzangiographie, welches ein Bild liefert,
bei dem sich die Arterien von den Venen unterscheiden, und welches
die Einschränkungen
der anderen Techniken überwindet.
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Der Erfinder und Anmelder der vorliegenden
Erfindung, Dr. Martin Prince, beschreibt in dem in Radiology, Band
197, Nr. 3, vom Dezember 1995, S. 785–792, erschienenen Artikel "Breath-hold Gadolinium-enhanced
MR Angiography of the Abdominal Aorta and its Major Branches" die Verbesserung
der Magnetresonanzbilder durch das Atemanhalten der Patienten. In
diesem Artikel schlägt
Dr. Prince auch vor, eine Impulssequenz zu entwickeln, die die Ankunft
des Kontrastmittelbolus in den zu untersuchenden Arterien anzeigen könnte, damit
die Darstellungsverzögerung
genau abgeschätzt
und die Injektion des Kontrastmittels in einem bestimmten Zeitrahmen
abgeschlossen werden könnte.
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Gemäß der Erfindung wird ein System
zum bildlichen Darstellen einer Arterie in einem interessierenden
Bereich eines Patienten unter Verwendung der Magnetresonanzdarstellung
und eines Magnetresonanz-Kontrastmittels zur Verfügung gestellt,
wie in den Ansprüchen
definiert.
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Nach Verabreichung des Kontrastmittels
an den Patienten wird die Arterie überwacht, um die Ankunft des
Kontrastmittels in der Arterie feststellen zu können. Die Ankunft des Kontrastmittels
wird dadurch angezeigt, dass sich die Signalantwort bzw. das Resonanzsignal
der Arterie auf eine Serie von Magnetresonanz-Hochfrequenzpulsen ändert. Diese Änderung
der Signalantwort kann in einer Änderung
der maximalen Amplitude des RF-Resonanzsignals oder in einer Änderung
der Form der Mantelkurve des RF-Resonanzsignals bestehen.
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Bilddaten, die für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativ
sind, werden zu Beginn der Bildgebungssequenz gesammelt, während die
Konzentration des Kontrastmittels in der Arterie deutlich erhöht ist.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
wird das Magnetresonanz-Kontrastmittel als Bolus-Injektion an den
Patienten verabreicht. In diesem Fall werden die Bilddaten, die
repräsentativ
für den
zentralen Teil des k-Raums sind, zu Beginn einer 3D-Bildgebungssequenz
gesammelt.
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Ein hoher arterieller Kontrast erlaubt
die direkte bildliche Darstellung des Arterienlumens wie bei der bekannten
Arteriographie. Verglichen mit anderen Techniken ist die Erfindung,
kurz gesagt, ein Magnetresonanzangiographiesystem, das mehrere Vorteile
der Kontrastmittelangiographie mit Katheter mit den Vorteilen der
Magnetresonanzbildgebung verbindet und zugleich die Nachteile beider
Verfahren weitgehend ausschließt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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In der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
wird auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, die folgendes zeigen:
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1 die
Longitudinalrelaxationszeit (T1) von Blut als Funktion der Injektionsbildgewinnungszeit
und der Gesamtdosis des paramagnetischen Kontrastmittels bei einer
Verbindung mit einer Relaxationsfähigkeit von etwa 4,5/Millimol-Sekunde;
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2 die
errechnete Magnetresonanzsignalstärke als Funktion des Flipwinkels
für 5 verschiedene Longitudinalrelaxationszeiten
(T1) unter der Annahme einer gespoilten 3D-Erfassung mit TR gleich
25 ms und TE << T2*;
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3, 4, 5A und 5B sowie 6A–C Blockdiagramme
von erfindungsgemäßen mechanischen
Infusionsvorrichtungen und -konfigurationen;
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7 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen manuellen Injektionsanordnung;
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8A–C typische Koronarprojektionsbilder maximaler
Intensität
(MIP), erhalten vor der Injektion von Gadopentetatdimeglumin (8A), dynamisch während der
intravenösen
Injektion von 0,2 Millimol/Kilogramm Gadopentetatdimeglumin während 5
Minuten (8B) und unmittelbar
nach der Injektion von Gadopentetatdimeglumin (8C);
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9 eine
aus drei Patienten gemittelte Analyse des Untersuchungsbereichs,
wobei die 3D-FT-Bildgewinnung jeweils vor der Infusion, während der
dynamischen Infusion, unmittelbar nach der Infusion und später erfolgte.
Aus der Darstellung ist zu ersehen, dass es während der Kontrastmittelinfusion
ein kurzes Fenster gibt, in dem die Aortasignalintensität (ausgefüllte Quadrate)
größer ist
als die der VCI (leere Quadrate) sowie die der Hintergrundgewebe,
des Fetts (Diamanten bzw. diamonds) und der Muskeln (Dreiecke).
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10A ein
Beispiel für
ein Magnetresonanzbild eines Patienten mit Aneurysma der Aorta abdominalis.
Die Aufnahme zeigt das Aortenaneurysma und eine erweiterte Arteria
iliaca communis sowie schwerwiegende Stenosen der rechten äußeren Hüftarterie
(gekrümmter
Pfeil) und der Arteria me senterica inferior (gerader Pfeil) sowie
eine leichte Stenose links in der gemeinsamen Hüftschlagader.
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10B ein
digitales Subtraktionsangiogramm des Aortenaneurysmas und der Aneurysmen
der Arteria iliaca communis sowie schwerwiegende Stenosen der rechten äußeren Hüftarterie
(gekrümmter
Pfeil) und der Arteria mesenterica inferior (gerader Pfeil) sowie
eine leichte Stenose links in der gemeinsamen Hüftschlagader von 10A;
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11 ein
Blockdiagramm einer Ausführungsform
der Erfindung (Bildgebungssystem, Infusionssystem und Erfassungssystem);
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12 ein
ausführliches
Blockdiagramm einer Ausführungsform
des Erfassungssystems in Verbindung mit dem Bildgebungssystem und
dem Infusionssystem;
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13A eine
Abbildung der Armauflagen mit einem Patienten sowie mit einem Teil
des Infusionssystems; und
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13B einen
Querschnitt durch die Armauflagen von 13 entlang
der Linie a-a.
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Ausführliche
Beschreibung
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Das System gemäß der Erfindung basiert auf
einer Technik der bevorzugten optischen Hervorhebung von Arterien
gegenüber
ihnen benachbarten Venen und dem Hintergrundgewebe durch Gewinnung
eines vorgegebenen Teils von Magnetresonanz-Kontrastbilddaten während der
arteriellen Phase der Magnetresonanzkontrastverstärkung. Die
arterielle Phase der Kontrastverstärkung kann beschrieben werden
als die Zeit der maximalen, erhöhten
bzw. wesentlich erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der Arterie bzw. den Arterien gegenüber den
benachbarten Venen. Die arterielle Phase der Kontrastverstärkung kann
auch beschrieben werden als die Zeit, in der die Konzentration des
Kontrastmittels in der Arterie des interessierenden Bereichs um den
Faktor zwei größer ist
als das Grund- oder Vorinjektions-Resonanzsignal aus dem interessierenden
Bereich (d. h. das Antwortsignal des interessierenden Bereichs auf
eine Serie von Magnetresonanzpulsen vor Verabreichung des Magnetresonanzkontrastmittels
an den Patienten).
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Die erfindungsgemäße Technik synchronisiert das
Sammeln der Bilddaten für
den zentralen Teil des k-Raums mit der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung. Die
Erfindung beinhaltet ein Erfassungssystem und ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem.
Das Erfassungssystem überwacht
und erfaßt
die relative Konzentration des Magnetresonanzkontrastmittels im
interessierenden Bereich (d. h. in den Arterien und Geweben im interessierenden
Bereich). Das Bildgebungssystem sammelt Bilddaten, die zum Erzeugen
eines Magnetresonanzbildes des interessierenden Bereichs verwendet
werden. Das Bildgebungssystem kann ein beliebiges geeignetes Magnetresonanz-Bildgebungssystem
sein. Ein Infusionssystem verabreicht schließlich das Magnetresonanzkontrastmittel
in gesteuerter Weise an den Patienten.
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Kurzgesagt erleichtert das Erfassungssystem
die exakte Synchronisation zwischen dem Sammeln der Bilddaten für den zentralen
Teil des k-Raums und einem Abschnitt der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung. Das
Erfassungssystem vergleicht dabei die Signalantwort des interessierenden
Bereichs vor Verabreichung des Magnetresonanzkontrastmittels (z.
B. Gadolinium) an den Patienten mit der Signalantwort des interessierenden
Bereichs während
oder nach Verabreichung des Kontrastmittels. Wenn das Erfassungssystem eine
charakteristische Veränderung
der Signalantwort auf die Magnetresonanzpulse erfaßt, sammelt
das Bildgebungssystem die für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Daten.
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Im einzelnen legt das Bildgebungssystem
vor Verabreichung eines Magnetresonanzkontrastmittels eine Serie
von Magnetresonanzpulsen (Hochfrequenzpulsen) an den interessierenden
Bereich des Patienten an. Das Erfassungssystem mißt oder
bestimmt ein Grundresonanzsignal bzw. ein "Vorkontrastmittel-Resonanzsignal" aus dem interessierenden
Bereich (Arterie und/oder Gewebe im interessierenden Bereich) auf
die Pulsserie. Die Serie von Magnetresonanzpulsen wird an den Patienten
angelegt, um die Longitudinalmagnetisierung der Protonen im interessierenden
Bereich zum Umklappen zu bringen und das Resonanzsignal aus dem
interessierenden Bereich vor Verabreichung des Kontrastmittels an
den Patienten zu messen. Das Resonanzsignal (im Radiofrequenzbereich)
aus dem interessierenden Bereich wird von verschiedenen Spulen des Magnetresonanzbildgebungssystems überwacht
und vom Erfassungssystem gemessen.
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Nachdem das Grund- oder Vor-Kontrastmittel-Resonanzsignal
gemessen worden ist, kann das Kontrastmittel an den Patienten verabreicht
werden. Anschließend
mißt das
Erfassungssystem (kontinuierlich oder periodisch) das Resonanzsignal
aus dem interessierenden Bereich, um "die Ankunft" des Kontrastmittels im interessierenden
Bereich zu erfassen. Hierzu legt das Bildgebungssystem eine Serie
von Magnetresonanzpulsen an, während
das Erfassungssystem das Resonanzsignal aus dem interessierenden
Bereich beurteilt. Wenn das Kontrastmittel im interessierenden Bereich
(in der bzw. den zu untersuchenden Arterien) "ankommt", erfaßt das Erfassungssystem eine
charakteristische Änderung
des Resonanzsignals auf die Magnetresonanzpulse aus dem interessierenden
Bereich, d. h. das Erfassungssystem erkennt eine charakteristische Änderung
des aus dem interessierenden Bereich emittierten Hochfrequenzsignals.
Diese charakteristische Änderung
des Hochfrequenzsignals aus dem interessierenden Bereich zeigt an,
dass das Kontrastmittel in der bzw. den in diesem Bereich liegenden
Arterien "angekommen" ist.
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Wenn die Injektion des Kontrastmittels
als Bolus (d. h. durch rasche Injektion) erfolgt, kann die charakteristische Änderung
des Resonanzsignals auf die Magnetresonanzpulse anzeigen, dass der
interessierende Bereich sich in der arteriellen Phase der Magnetresonanzkontrastverstärkung befindet
oder gerade in diese "eintritt". Wenn das Kontrastmittel über den
größeren Teil
der Bildgebungssequenz injiziert wird, kann die Erfassung der Ankunft
des Kontrastmittels besagen, dass der interessierende Bereich in
die arterielle Phase der Kontrastverstärkung eintritt.
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Wenn das Erfassungssystem erfasst
hat, dass der interessierende Bereich in der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung ist
(dass z. B. die Kontrastmittelkonzentration in der Arterie größer ist
als in den umgebenden Geweben), gibt es den Befehl an das Magnetresonanzbildgebungsystem,
mit der Gewinnung der für den
zentralen Teil des k-Raums repräsentativen
Daten zu beginnen. Die Konzentration des Kontrastmittels im interessierenden
Bereich kann auf unterschiedliche Art und Weise erfaßt werden,
beispielsweise durch eine Änderung
der Form des Resonanz-Hochfrequenzsignals, eine Änderung in der Form der Hüllkurve
des Signals und/oder eine Änderung
der Signalamplitude.
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Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Bedienperson eine Änderung
der Form der Hüllkurve
des Hochfrequenzsignals und/oder seiner Amplitude, die das Erfassungssystem
gemessen hat, erkennen. In Reaktion darauf kann die Bedienperson
an das Bildgebungssystem den Befehl geben, mit der Bilderzeugungssequenz,
einschließlich
des Sammelns der Bilddaten für
den zentralen Teil des k-Raums durch das Magnetresonanzbildgebungssystem,
zu beginnen. Bei dieser Ausführungsform
kontrolliert die Bedienperson das Erfassungssystem, um die charakteristische Änderung
des Resonanzsignals aus dem interessierenden Bereich auf die verschiedenen
Pulse des Bildgebungssystems zu erkennen. Sobald die Bedienperson
eine solche Änderung
erkannt hat, kann sie das Bildgebungssystem veranlassen, mit dem
Sammeln der Bilddaten für
die vorgegebene Bilderzeugungssequenz zu beginnen.
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Bei den Daten, die für den zentralen
Teil des k-Raums repräsentativ
sind, handelt es sich um die MR-Bilddaten von geringer räumlicher
Frequenz.
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Wenn das Erfassungssystem (oder die
Bedienperson) nach Erkennung, dass die arterielle Phase der Kontrastverstärkung begonnen
hat, dem Bildgebungssystem den Befehl gibt, Bilddaten zu sammeln,
die repräsentativ
für den
zentralen Teil des k-Raums
sind, läuft
die Magnetresonanzpulssequenz für
die Bildgebung so ab, dass die Daten für den zentralen Teil des k-Raums
zu Beginn der Sequenz gesammelt werden und die Daten für die Peripherie
des k-Raums daran anschließend
gesammelt werden. Dadurch ergibt sich eine gute Synchronisation
der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung mit dem Sammeln der Bilddaten,
die repräsentativ
für den
zentralen Teil des k-Raums sind. Indem die Sequenz so abläuft, dass
die Daten für
den zentralen Teil des k-Raums zu Beginn der Sequenz gesammelt werden,
wird sichergestellt, dass eine ausreichende Menge von Daten, die
repräsentativ
für den
zentralen Teil des k-Raums sind, während der arteriellen Phase der
Kontrastverstärkung
gesammelt wird.
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Wenn die arterielle Phase "lang" ist, kann ausreichend
viel Zeit zur Verfügung
stehen, um den gesamten Bilddatensatz während der arteriellen Phase
zu gewinnen. Wenn jedoch die arterielle Phase kurz ist, erfolgt das
Sammeln der Bilddaten, die für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativ sind, in zeitlicher
Abstimmung mit der Zeit der gegenüber benachbarten Venen maximalen,
deutlich erhöhten
oder erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der bzw. den interessierenden Arterien.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
können
die Überwachungs-
und die Erfassungsfunktion des erfindungsgemäßen Erfassungssystems und des
erfindungsgemäßen Bildgebungssystems
so lange außer Aktion
bleiben, bis mit der Ankunft des Kontrastmittels im interessierenden
Bereich gerechnet werden kann. Dabei kann das Anlegen der Erfassungspulse
(durch das Bildgebungssystem), mit denen die "Ankunft" des Kontrastmittels im interessierenden
Bereich erfaßt/überwacht
werden soll, um die angenommene Zeit aufgeschoben werden, die zwischen
der Infusion des Kontrastmittels und seinem "Eintritt" in die interessierende Arterie verstreicht.
Dadurch beschränkt
sich der Einsatz des Erfassungssystems und des Magnetresonanzbildgebungssystems
auf die Zeit, in der das Kontrastmittel im interessierenden Bereich
erwartet wird oder in der die maximale, eine erhöhte oder deutlich erhöhte Kontrastmittelkonzentration
im interessierenden Bereich angenommen wird. Dies kann dann zweckmäßig sein,
wenn der Patient über
die gesamte Dauer der Erfassung und Überwachung den Atem anhalten
muß.
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Die Erfindung ist gut geeignet für das Sammeln
von Bilddaten zur bildlichen Darstellung einer Arterie, beispielsweise
der Aorta. Wie ausführlich
oben im Zusammenhang mit den jeweiligen Anwendungsfällen beschrieben,
wird das Bild der betreffenden Arterie verbessert, wenn das Sammeln
der für
den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen
Bilddaten in zeitlicher Übereinstimmung
mit der maximalen, einer erhöhten
und/oder wesentlich erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der interessierenden Arterie erfolgt.
Die Erfindung ermöglicht
die exakte Erfassung der verglichen mit den umgebenden Geweben maximalen,
einer erhöhten
oder einer wesentlich erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der interessierenden Arterie. Dadurch
wird die korrekte zeitliche Übereinstimmung
zwischen dem Sammeln der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten und der
arteriellen Phase der Kontrastverstärkung in der interessierenden
Arterie erleichtert.
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Die Zeit zwischen der Kontrastmittelinjektion
und der maximalen, erhöhten
oder wesentlich erhöhten Kontrastmittelkonzentration
in der interessierenden Arterie kann abhängig von einer Reihe von Faktoren,
beispielsweise dem Ort und der Größe der interessierenden Arterie,
den körperlichen
Gegebenheiten des Patienten und der durch die Konfiguration des
Kontrastmittelverabreichungssystems bedingten zeitlichen Verzögerung,
unterschiedlich sein. Diese Faktoren sind nicht bei jedem Patien ten
exakt bestimmbar, so dass es schwierig sein kann (mit ausreichender
Genauigkeit) vorherzusagen, wann die arterielle Phase der Kontrastverstärkung für die Erfassung
des k-Raums eintritt. Es kann also schwierig sein, die Kontrastmittelinjektion
und die Bildgewinnungssequenz exakt aufeinander abzustimmen, damit
eine ausreichende Menge der vorgegebenen Bilddaten (z. B. der für den k-Raum
repräsentativen
Daten) während
der arteriellen Phase der Hervorhebung des interessierenden Bereichs
gewonnen werden kann. In einigen Fällen kann die Neigung bestehen, mehr
Kontrastmittel zu verabreichen als nötig, um eine längere Bolusinjektion
zu erreichen und so sicherzustellen, dass die arterielle Phase ausreichend
lange dauert, damit sie mit dem Sammeln der für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen
Daten zusammenfällt.
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Typischerweise beträgt die Verzögerung vom
Zeitpunkt der Verabreichung des Kontrastmittels mit maximaler, erhöhter oder
wesentlich erhöhter
Geschwindigkeit bis zum Eintritt der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung im
interessierenden Bereich etwa 10 bis 50 Sekunden. Durch diesen großen Zeitverzögerungsbereich
kann es schwierig sein, die arterielle Phase der Kontrastverstärkung im
interessierenden Bereich und das Sammeln der für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen
Bilddaten ausreichend zur Deckung zu bringen. Bei der vorliegenden
Erfindung dagegen fällt
der Zeitpunkt der maximalen, erhöhten
oder wesentlich erhöhten
arteriellen Kontrastmittelkonzentration "automatisch" mit der Erfassung des zentralen Teils
des k-Raums zusammen,
d. h. das Erfassungssystem synchronisiert das Sammeln der für den zentralen
Teil des k-Raums repräsentativen
Bilddaten mit der Zeit der maximalen, erhöhten oder wesentlich erhöhten Kontrastmittelkonzentration
in der interessierenden Arterie. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Verabreichung
einer "Extraportion" Kontrastmittel zum
Ausgleich für
etwaige Fehler bei der zeitlichen Abstimmung.
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Die Erfindung verringert kurzgesagt
bestehende Schwierigkeiten bei der Erfassung von Bilddaten für den zentralen
Teil des k-Raums während
der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung im interessierenden Bereich.
Ferner wird mit der Erfindung sichergestellt, dass die arterielle
Phase der Kontrastverstärkung
ausreichend lange während
des Sammelns der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten andauert,
ohne dass Kontrastmittel "verschwendet" wird.
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Die Erfindung kann für eine Vorrichtung
verwendet werden, die anatomische Informationen in Form von Bildern
liefern, wobei eine Kombination von mehreren Magnetresonanzangiographiesequenzen
verwendet wird, darunter eine Spin-Echo-Sequenz und vier Magnetresonanz-kontrastmittelverstärkte (z.
B. Gadolinium) Magnetresonanzangiographiesequenzen. Die Körperbilder
können
beispielsweise zur Beurteilung von Bauchschlagaderaneurysmen vor,
während
oder nach einer Operation bzw. der Operation eines Bauchschlagaderaneurysmas
verwendet werden. Die kontrastmittelverstärkte Magnetresonanzangiographie
liefert ausreichend viele anatomische Details zur Entdeckung von
Aneurysmen und aller einschlägigen
Anomalien größerer Zweiggefäße, die
bei der Angiographie oder bei einer Operation zu sehen sind.
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Zur Beurteilung von Bauchschlagaderaneurysmen
und anderen pathologischen Gefäßveränderungen können eine,
mehrere oder alle der nachstehenden Magnetresonanzbildsequenzen
erforderlich sein:
- 1. eine erste T1-gewichtete
Sequenz. Die T1-Sequenz kann zur Lokalisierung des Aneurysmas verwendet werden.
Diese Sequenz kann auch zur Lokalisierung der Nieren- und der Eingeweidearterien
zur Planung von gadoliniumverstärkten
Sequenzen höherer
Auflösung
(siehe unten) verwendet werden. Außerdem kann die T1-Sequenz
Informationen über
die ungefähre
Größe der Nieren,
die Größe des Aneurysmas
und die Lage der linken Nierenvene liefern. Diese Sequenz wird bevorzugt
in der Sagittalebene ausgeführt.
- 2. eine dynamische gadoliniumverstärkte 3D-Sequenz. Die 3D-Sequenz
kann in der Koronarebene durchgeführt und in Sagittal-, Axial-
und/oder Schrägprojektionen
umgesetzt werden, um Bilder zu erzeugen, die denjenigen der biplanaren
Angiographie oder der Spiral-CT-Angiographie entsprechen. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform
werden diese Bilder zur Beurteilung des Beginns der Nieren- und
der Eingeweidearterie, der Hüftarterien
und der distalen Erstreckung des Aneurysmas verwendet.
- 3. und 4. sagittale und axiale 2D-Time-of-Flight-Bilder. Die
sagittalen und die axialen 2D-Time-of-Flight-Bilder
zeigen die maximale Größe des Aneurysmas,
seine proxi male Ausdehnung und Entzündungen im Bereich des Aneurysmas.
Die sagittalen und die axialen 2D-Time-of-Flight-Bilder können zur
Erkennung eines Thrombus und von dessen Merkmalen, unter Einschluß seiner
Lokalisierung, von Oberflächenunregelmäßigkeiten
und/oder -verstärkung,
verwendet werden.
- 5. 3D-Phasenkontrastbilder. Die 3D-Phasenkontrastbilder zeigen
mehr Details der Nierenarterien und erleichtern so die Beurteilung
der Schwere von Verschlußsituationen.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
wird ferner eine Kombination von gadoliniumverstärkten Magnetresonanz-Angiographiesequenzen
als exaktes Mittel zum Erkennen, Untersuchen und Bewerten von Verschlüssen verwendet.
Derartige Informationen sind in vielen Fällen für die Beurteilung eines Patienten
wertvoll.
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Die oben beschriebene Sequenz zur
Darstellung der Bauchschlagader kann in verschiedenen Kombinationen
zur Bereitstellung anatomischer Bilder der Aorta verwendet werden.
Manchmal sind zur Darstellung von Bauchschlagaderaneurysmen nicht
alle der genannten Sequenzen erforderlich. Die Darstellung unter
Einsatz einer oder mehrerer der Sequenzen kann beschränkte Informationen
zum Beispiel über
das distale Ende des Aneurysmas (dynamische gadoliniumverstärkte 3D-Sequenz)
und die maximale Größe des Aneurysmas (sagittale
und axiale 2D-Time-of-Flight-Bilder) liefern. Der Fachmann erkennt,
dass auch andere Zusammenstellungen der Sequenzen möglich sind
und dass Anzahl und Kombination der Sequenzen entsprechend der benötigten oder
gewünschten
Information gewählt
werden können.
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Außerdem können je nach der gewünschten
Information mehrere der Sequenzen wiederholt oder weggelassen werden.
Wenn Sequenzen wiederholt werden, kann die gewonnene Information
dazu verwendet werden, die mit anderen Sequenzen erhaltenen Darstellungsergebnisse
zu überprüfen oder
zu bestätigen.
Es sind kurzgesagt zahlreiche Reihungen von Sequenzen möglich, um
einen unterschiedlichen Grad von Bewertung sowie Gewißheit über das
Vorliegen eines Bauchschlagaderaneurysmas zu erhalten. Eine Kombination dieser
Sequenzen kann zur Beurteilung von Patienten verwendet werden, bei
denen ein Verdacht auf eine andere krankhafte Veränderung,
beispielsweise eine Stenose der Nierenarterie oder eine Ischämie der
Mesenterialarterie, besteht.
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Das Magnetresonanzkontrastmittel
wird in eine von der Zielarterie (d. h. der zu untersuchenden Arterie)
entfernt gelegene Vene verabreicht. Das Magnetresonanzkontrastmittel
kann unter Berücksichtigung
einer Reihe verschiedener Parameter, Systeme und/oder Techniken
injiziert werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
erfolgt die Injektion im Bolus (d. h. rasch). Auch bei dieser Ausführungsform
erfaßt
das Erfassungssystem eine charakteristische Veränderung des Resonanzsignals
aus dem Zielbereich und erteilt dem Bildgebungssystem in Reaktion
darauf den Befehl, die für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten zu akquirieren.
Das Bildgebungssystem sammelt die für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen
Bilddaten zu Beginn der Erfassung.
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Für
die vorliegende Erfindung können
eine Reihe unterschiedlicher Magnetresonanz-Kontrastmittel verwendet werden, die
bereits bekannt und beispielsweise in den US-Patenten 5,141,740; 5,078,986; 5,055,288;
5,010,191; 4,826,673; 4,822,594 und 4,770,183 offenbart sind. Diese
Magnetresonanz-Kontrastmittel umfassen viele verschiedene paramagnetische
Kontrastmittel, beispielsweise Gadoliniumverbindungen. Gadopentetatdimeglumin,
Gadodiamid und Gadoteridol sind leicht erhältliche paramagnetische Gadoliniumchelate,
die rasch in den extrazellulären
Flüssigkeitsraum
abgegeben werden. Auch andere Gadoliniumverbindungen sind verwendbar.
Diese können
sich durch höhere
Relaxivität
bzw. Relaxivity, eine raschere Abgabe in den extrazellulären Flüssigkeitsraum
und ein stärkeres
sowie schnelleres Ausscheiden in das Kapillarbett auszeichnen. Es
ist darauf hinzuweisen, dass Kontrastmittel, die in das Kapillarbett
oder in die Nähe
des Kapillarbetts ausgeschieden oder dort abgebaut werden, für die vorliegende
Erfindung bevorzugt sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sollte das injizierte Kontrastmittel bei Ausführung von mindestens einer
der Magnetresonanz-Angiographiesequenzen in so geringer Menge verabreicht
werden, dass es rasch in den extrazellulären Flüssigkeitsraum im Kapillarbett
gelangt, oder es sollte dem Kreislauf im Kapillarbett distal von
der zu untersuchenden Arterie entzogen werden, oder beides sollte
der Fall sein. Unter diesen Umständen
enthält
die zu untersuchende Arterie bzw. enthalten die zu untersuchenden
Arterien eine hohe Kontrastmittelkonzentration und die der Arterie
(oder den Arterien) benachbarte Vene enthält bzw. die benachbarten Venen
enthalten eine ge ringere Kontrastmittelkonzentration. Ferner bleibt
unter diesen Bedingungen das Verhältnis der Kontrastmittelkonzentration
zwischen Arterien und Venen während
der Dauer der Kontrastmittelinjektion im wesentlichen erhalten.
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Indem die Injektionsdauer an die
für einen
nach der Longitudinalrelaxationszeit (T1) gewichteten Magnetresonanzbilddatensatz
erforderliche Zeit angepaßt
wird, können
die Arterien von den Venen unterscheidbar dargestellt werden. Außerdem kann
die Longitudinalrelaxationszeit des arteriellen Blutes gegenüber der der
Hintergrundgewebe ausreichend kurz gemacht werden, indem das Kontrastmittel
mit ausreichender Geschwindigkeit injiziert wird. Dies führt dazu,
dass sich die Arterien im Bild auch vom Hintergrundsgewebe unterscheiden
lassen.
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Wie bereits erwähnt, besteht ein Vorteil der
Erfindung in der Exaktheit bei der Synchronisation der Datengewinnung
für den
zentralen Teil des k-Raums mit der maximalen oder einer hohen Kontrastmittelkonzentration
in der Zielarterie bei jeder Abtastung oder Sequenz. Ein Ausgleich
für die
zeitliche Anpassung der Infusion des Magnetresonanzkontrastmittels
kann entfallen, weil das Erfassungssystem erkennt, wann die interessierende
Arterie bzw. Zielarterie die maximale, eine erhöhte oder eine deutlich erhöhte Kontrastmittelkonzentration
enthält.
Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Systems
verringert sich somit die Notwendigkeit einer "manuellen Berechnung" der Korrelation der maximalen oder
erhöhten
Infusionsgeschwindigkeit mit der Erfassung des k-Raums unter Berücksichtigung
der Zeitverzögerung,
die durch das Kontrastmittelverabreichungssystem (z. B. die Länge des
Katheters, mit dem das Kontrastmittel abgegeben wird) und/oder die
Zeit bedingt ist, die das Kontrastmittel braucht, um von der Injektionsstelle
durch den Körper
in die Zielarterie zu gelangen.
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Zu beachten ist, dass der zentrale
Teil des k-Raums als 10 bis 75% der Gesamtdaten des k-Raums anzusehen
ist, die, wie oben erwähnt,
den Daten mit der niedrigsten räumlichen
Frequenz entsprechen.
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Es kann außerdem wichtig sein, während der
Gewinnung der Magnetresonanzangiographie-Bilddaten für den zentralen
Teil des k-Raums übermäßig rasche Änderungen
der arteriellen Kontrastmittelkonzentration zu vermeiden. Eine rasche Änderung
des Blutsignals während
der Erfassung des zentralen Teils des k-Raums kann zu Artefakten
bei der Bildrekonstruktion führen.
Diese Artefakte können
minimiert werden, wenn die Signalstärke der Arterie gleichmäßig ist.
Diese Artefakte können außerdem dadurch
minimiert werden, dass rasche Änderungen
der arteriellen Kontrastmittelkonzentration während der Gewinnung von Bilddaten,
insbesondere für
den zentralen Teil des k-Raums, vermieden werden.
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Wenn die Erfindung unter Einsatz
paramagnetischer Kontrastmittel realisiert wird, erfolgt die Infusion bei
einer bevorzugten Ausführungsform
mit einer Geschwindigkeit, die eine solche Kontrastmittelkonzentration in
den Arterien ergibt, dass die Signalstärke aus den Arterien im fertigen
Bild um mindestens 50% über
derjenigen aus Hintergrundstrukturen, einschließlich Venen, liegt. Bei einer
anderen bevorzugten Ausführungsform bewirkt
die Kontrastmittelkonzentration, dass die Longitudinalrelaxationszeit
(T1) der Protonen in den Arterien kürzer ist als die der Protonen
in den Hintergrundgeweben. Wenn das Kontrastmittel die Arterien
im fertigen Bild schwarz erscheinen läßt (z. B. wenn das Kontrastmittel,
beispielsweise einige Fe-Pulver, die T2* verkürzt), sollte es mit einer solchen
Geschwindigkeit und in einer solchen Menge infundiert werden, dass
die tatsächliche
transversale Relaxationszeit (T2*) in den Arterien kürzer ist
als diejenige in irgendeinem Hintergrundgewebe.
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Das Magnetresonanz-Bildgebungssystem
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Für
die Gewinnung von Bilddaten kann ein beliebiges Magnetresonanz-Bildgebungssystem
(MRI-System) verwendet werden, das sich für die bildliche Darstellung
eines Teils eines Tierkörpers,
beispielsweise eines menschlichen Körpers, eignet. Es sind insbesondere
bildgebende Vorrichtungen und Verfahren bekannt (siehe z. B. die
US-Patente 4,718,424; 5,034,694 und 5,167,232), die für die MRA
unter dynamischer intravenöser
Injektion von Magnetresonanz-Kontrastmitteln, wie sie hier gelehrt
wird, verwendet werden können,
wobei nur die nachstehenden Einschränkungen gelten:
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Die Parameter der Magnetresonanzangiographiesequenzen
werden gleich im Anschluß bezüglich Gadoliniumchelaten
erörtert.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung auch
andere paramagnetische Kontrastmittel verwendet werden können, einschließlich derjenigen
paramagnetischen Kontrastmittel, die von Marchal et al. in Potchen
et al., Hrsg., a. a. O., S. 305 bis 322, beschrieben werden.
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Injektionsparameter
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Gadoliniumchelate sind paramagnetische
Mittel, die die Longitudinalrelaxationszeit T1 von Blut nach folgender
Gleichung 1 verkürzen:
wobei (1) die Longitudinalrelaxationszeit
(T1) von Blut ohne Gadolinium 1200 ms beträgt und
(2) [Gd] die Blutkonzentration
eines Gadoliniumchelats ist.
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Gemäß Gleichung 1 muß zur Erzielung
einer T1 für
das arterielle Blut, die verglichen mit der des benachbarten Fetts
(T1 = 270) kurz ist, die arterielle Blutkonzentration des Kontrastmittels
in der Zielarterie wesentlich erhöht werden, so dass sie größer (1/270
Millisekunden – 1/1200
Millisekunden)/Relaxivity des Kontrastmittels (oder 2,9/Sekunden × Relaxivity)
ist. Die Zielarterie enthält
somit eine wesentlich erhöhte
Kontrastmittelkonzentration, wenn diese größer als 2,9 Sekunden–1Relaxivity–1 des
Kontrastmittels ist.
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Eine wesentlich höhere Infusionsgeschwindigkeit
ergibt eine wesentlich höhere
Kontrastmittelkonzentration in der Zielarterie, d. h. eine wesentlich
höhere
Infusionsgeschwindigkeit ergibt eine Konzentration des Kontrastmittels
in der Zielarterie, die höher
ist als 2,9 Sekunden–1Relaxivity–1 des
Kontrastmittels.
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Wie in nachstehender Gleichung 2
zum Ausdruck gebracht, kann die [Gd] des arteriellen Bluts ausgedrückt werden
durch die intravenöse
Injektionsgeschwindigkeit und die Herzleistung während der dynamischen Bildgewinnung
innerhalb einer Zeit, die im Vergleich zur Rezirkulationszeit kurz
ist.
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Sofern das Gadoliniumchelat ausreichend
gering ist, gelangt es rasch in den extrazellulären Raum, wenn es durch das
Kapillarbett hindurchtritt, und die Konzentration in den Venen ist
verglichen mit der Konzentration in den Arterien gering oder vernachlässigbar.
Die Beziehung zwischen der Longitudinalrelaxationszeit des arteriellen
Blutes und der Injektionsmenge kann dann durch Zusammenfassung von
Gleichung 1 und Gleichung 2 zu nachstehender Gleichung 3 ermittelt
werden:
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Um einen Kontrast zwischen dem arteriellen
Blut und dem Hintergrundsgewebe zu erzielen, sollte die Longitudinalrelaxationszeit
des arteriellen Blutes gegenüber
der der Hintergrundgewebe verringert werden. Von allen Arten von
Hintergrundgeweben hat Fett typischerweise die kürzeste Longitudinalrelaxationszeit
(T1 = 270 ms). Unter der Annahme einer typischen Herzruheleistung
von mindestens 0,0005 l/kg-s und einer erforderlichen Longitudinalrelaxationszeit
von weniger als 270 Millisekunden vereinfacht sich Gleichung 3 auf nachstehende
Gleichung 4:
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Gadopentetatdimeglumin, Gadodiamid
und Gadoteridol beispielsweise sind drei paramagnetische Gadoliniumchelate,
die leicht erhältlich
sind und rasch in den extrazellulären Flüssigkeitsraum gelangen. Die Relaxivity
von Gadopentetatdimeglumin und Gadoteridol beträgt etwa 0,0045/Molsekunde.
Ausgehend von Vorstehendem und unter Verwendung von Gleichung 4
ist die Mindestinjektionsgeschwindigkeit größer als 0,033 Millimol/kg-Minute.
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Gemäß Gleichung 4 ergibt sich bei
einer Infusionsgeschwindigkeit, die größer ist als 0,0015 Liter/kg-sec2 geteilt durch die Relaxivity, eine maximale
Kontrastmittelkonzentration in der Zielarterie, d. h. dass sich
bei Infusion des Kontrastmittels in den Patienten mit einer Geschwindigkeit
größer 0,0015
Liter/kg-sec2 die maximale Konzentration des paramagnetischen
Kontrastmittels im arteriellen Blut ergibt.
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Die erforderliche Gesamtdosis an
Gadoliniumchelat kann durch Multiplikation der Injektionsgeschwindigkeit
mit der Bildgebungsdauer ermittelt werden. Bei einer Relaxivity
von 4,5/Millimolsekunden und einer Bildgebungsdauer von 5 Minuten
(300 Sekunden) sollte die Dosis deutlich über 0,1 Millimol/Kilogramm
liegen.
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Die Gadoliniumchelatdosis kann je
nach der für
die Bildgewinnung erforderlichen Zeit im Bereich von 0,05 Millimol/Kilogramm
Körpergewicht
bis 1 Millimol/Kilogramm Körpergewicht
liegen. Zu beachten ist, dass die Kontrastmitteldosis nicht zu hoch
sein sollte, damit keine unerwünschte
Toxizität
oder T2-Effekte auftreten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
liegt die Gadoliniumchelatdosis im Bereich von 0,2 Millimol/Kilogramm Körpergewicht
bis 1 Millimol/Kilogramm Körpergewicht.
Bei einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Gadoliniumchelatdosis etwa 0,3 Millimol/Kilogramm Körpergewicht.
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In den Fällen, in denen die Kontrastmittelinjektionsdauer
größer ist
als die Rezirkulationszeit, ist die Longitudinalrelaxationszeit
des arteriellen Blutes eher noch kürzer, weil ein Teil des Gadoliniumchelats
rezirkuliert wird. Zu beachten ist, dass eine T1 von 270 ms (entsprechend
dem hellsten Fett im Hintergrundgewebe) einer Gadopentetatdimegluminkonzentration
von etwa 0,6 Millimol/Liter entspricht.
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1 zeigt
die Longitudinalrelaxationszeit (T1) von Blut als Funktion von Infusionsdauer
und Gesamtdosis des paramagnetischen Kontrastmittels bei einer paramagnetischen
Kontrastmittelverbindung mit einer Relaxivity von 4,5/Millimolsekunde.
Aus 1 ist zu ersehen,
dass sich die kürzeste
T1 bei der kürzesten
Infusionsdauer und der höchsten
Gadoliniumdosis ergibt. 1 zeigt
ferner, dass bei typischen Bildgewinnungszeiten von 3 bis 5 Minuten
die Dosis im Bereich von 0,2 Millimol/Kilogramm oder darüber liegen
sollte, damit über
die gesamte Bildgewinnungsdauer eine Longitudinalrelaxationszeit
des Blutes erreicht wird, die deutlich kürzer ist als die des hellsten
Hintergrundgewebefetts (T1 = 270).
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Es sei darauf hingewiesen, dass eine
höhere
Dosis von Gadolinium und Gadoliniumchelate mit höherer Relaxivity die Bildqualität ebenfalls
verbessern können.
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Bildgebungsparameter
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Während
der Injektion des paramagnetischen Kontrastmittels kann jede geeignete
T1-gewichtete Magnetresonanz-Bildgewinnungssequenz verwendet werden.
Geeignete Bildgebungssequenzen erschließen sich dem Fachmann ohne
weiteres und sind in Potchen et al., Hrsg., beschrieben. Die nachstehend
angegebenen Auswahlkriterien für
bevorzugte Bildgebungsparameter basieren auf der Erfahrung mit mehr
als 100 Patienten bei einem Signamagnet mit 1,5 Tesla von General
Electric mit Software der Version 4.7 oder einer späteren Version.
Für den
Bauchraum ist wegen ihrer inhärenten
hohen räumlichen
Auflösung
und des hohen Rauschabstands selbst bei einer großen Körperspule
eine dreidimensionale Fourier-Transformations-Akquisition (Volumen)
(3D FT) bevorzugt. Die Gradientenechopulssequenzen sind bevorzugt,
weil sie eine kurze Wiederholungszeit (TR) ermöglichen, was eine kürzere Bildgewinnungszeit
ermöglicht.
Kurze Bildgewinnungszeiten haben den Vorteil, dass dieselbe Gesamtgadoliniumdosis
schneller injiziert werden kann.
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RF-gespoilte im Vergleich
zur nicht RF-gespoilten Gradientenechotechnik
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Man könnte annehmen, dass die Dauergradientenechobildgewinnung
(GRASS) der RF-gespoilten Gradientenechobildgewinnung vorzuziehen
wäre, weil
die lange T2 (transversale Relaxationszeit) von Blut das Dauerblutsignal
erhöht.
Durch diesen Effekt werden jedoch die Venen stärker hervorgehoben als die
Arterien, weil der rasche, pulsierende Strom des arteriellen Blutes
die Dauerkomponente verdirbt. Theoretisch könnte das die paradoxe Wirkung
haben, dass die Arterien einen geringeren Kontrast zeigen. In der
Praxis ergibt sich vielleicht nur ein geringer Unterschied zwischen
den Techniken mit oder ohne RF-Spoiling. Bei Patienten mit langsamem
arteriellem Fluß (ohne
Selbst-Spoiling)
kann eine Dauergradientenechopulssequenz vorzuziehen sein. Für die meisten
der hier beschriebenen Untersuchungen wurde eine RF-gespoilte Gradientenechopulssequenz
(SPGR) gewählt,
um Theorie und Analyse zu vereinfachen und die Möglichkeit einer unterschiedlichen
Dauermagnetisierung von arteriellem Blut, des langsameren venösen Bluts
und des Hintergrundgewebes zu verringern.
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Echozeit
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Weil das hellste Hintergrundgewebe
Fett ist, sollte eine Echozeit (TE) verwendet werden, bei der Fett und
Wasser phasenversetzt sind, wodurch eine schrittweise Verbesserung
des Kontrastes zwischen Blutgefäßen und
Hintergrund erreicht wird. Bei 1,5 Tesla geschieht dies alle 4,6
ms, beginnend bei etwa 2,3 ms, was einer TE von 2,3, 6,9, 11,5 ...
Millisekunden entspricht. Der kürzeste
dieser möglichen
TE-Werte (6,9 oder etwa 2,3 ms bei den hier beschriebenen Untersuchungen)
ist bevorzugt. Kürzere
Echozeiten tragen zur Minimierung der Auswirkung von bewegungsbedingten
Phasendispersionen bei.
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Wiederholungszeit
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sollte die Wiederholungszeit TR so kurz wie möglich sein. Eine TR von 24
bis 25 ms war die mit dem für
die Erzeugung von 10A verwendeten
Gerät kürzeste erreichbare
Zeit. Wird die TR verkürzt,
muß der
Flipwinkel angepaßt
werden, damit die optimale T1-Gewichtung erhalten
bleibt.
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Flipwinkel
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Bei einer Gadoliniumchelatdosis von
0,2 Millimol/Kilogramm und einer Bildgewinnungszeit von 3 bis 5 Minuten
während
der Injektion ist eine Longitudinalrelaxationszeit des arteriellen
Blutes im Bereich von 150 bis 200 Millisekunden zu erwarten. Sie
ist jedoch kürzer,
weil die Rezirkulationszeit weniger als 3 bis 5 Minuten beträgt. Die
relative Signalstärke
SI bei einer RF-gespoilten 3D-FT-Gradientenechobildgewinnung,
die eine Funktion von Blut-T1, TR, T2, T2', des Flipwinkels σ und der Protonendichte N (H)
ist, kann so ausgedrückt und
berechnet werden, wie in nachstehender Gleichung 5 angegeben.
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2 ist
eine graphische Darstellung der relativen Signalstärke bei
T1 gleich 50, 100, 150, 270 (Fett) und 1200 (Blut) unter folgenden
Bedingungen: (1) TR = 25 Millisekunden, wobei TE im Vergleich zu
T2 (beobachtete transversale Relaxationszeit) klein sein soll. 2 zeigt, dass ein Flipwinkel
von etwa 40 Grad für
die Maximierung des Kontrasts zwischen Blut und Hintergrundgewebe
(Fett) optimal ist, wenn die Longitudinalrelaxationszeit (T1) von
Blut im Bereich von 200 Millisekunden liegt. Bei höheren Gadoliniumdosen
und schnellerer Injektion kann ein größerer Flipwinkel günstiger
sein.
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Volumenausrichtung
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Um die Bildgewinnungszeit zu minimieren,
sollte das Abbildungsvolumen so dünn wie möglich sein, während es
die zu untersuchenden Arterien enthält. Dabei kann es zweckmäßig sein,
das Bildvolumen zur maximalen Abdeckung der zu untersuchenden Gefäße in einer
Ebene auszurichten im Gegensatz zur senkrechten Ausrichtung, die
für eine
optimale Time-of-Flight-Magnetresonanzangiographie (MRA) erforderlich
ist. Die Optimierung der Ausrichtung und die Minimierung der Dicke
des Abbildungsvolumens werden dadurch erleichtert, dass zunächst ein
herkömmliches
Schwarzblut- bzw. black blood- oder Time-of-Flight-Magnetresonanzbild erzeugt
wird, das als Führung
für eine
exakte Lokalisierung dient. Phasen- und Frequenzkodierachse sollten
so ausgerichtet sein, dass die zu untersuchenden Gefäße nicht
von Artefakten durch Herz- und Atembewegungen überlagert werden. Grundsätzlich sollte
zur Abbildung des Aorta-Iliakalsystems das Abbildungsvolumen koronar
ausgerichtet werden und die Phasenkodierachse von rechts nach links.
Für die
Abbildung der Brustaorta ist die sagittale Ausrichtung bevorzugt
und für
die Abbildung der Arteriae subclaviae die axiale Ausrichtung.
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Partitionen
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Die Anzahl der Partitionen (Schichten)
wird von der Dicke des Bildvolumens geteilt durch die Partitionsdicke
bestimmt. Die Partitionsdicke ist die Bildauflösung entlang der zur Ebene
der Partitionen senkrechten Achse. Dünne Partitionen können zweckmäßig sein,
um eine hohe Bildauflösung
zu erreichen. Allerdings verlängert
sich die Bildgewinnungszeit linear mit der Anzahl der Partitionen.
Wenn die Bildgewinnungszeit kurz sein soll, muß daher die Anzahl der Partitionen
minimiert werden.
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Zu beachten ist, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis verringern
kann, wenn die Voxelgröße durch Verwendung
von Pixeln für
eine höhere
Auflösung
verringert wird. Grundsätzlich
ist eine Auflösung
von 0,5 bis 3 Millimetern bei 28 bis 60 Partitionen für die Aorta
und größere Zweiggefäße günstig. Der
geschickte Arzt wird einen Mittelweg zwischen der Notwendigkeit,
die Auflösung
durch Verringerung der Voxelgröße zu erhöhen, und
der Notwendigkeit, eine übermäßig lange
Bilddatengewinnungszeit zu vermeiden, finden.
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Betrachtungsfeld
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Das Betrachtungsfeld muß so groß gewählt werden,
dass übermäßige Überlagerungs-Artefakte
vermieden werden. Zu Überlagerungs-Artefakten
kommt es, wenn außerhalb
des Betrachtungsfelds auf der Phasenkodierachse Strukturen vorhanden
sind. Diese Strukturen werden beim Phasenkodierungsvorgang abgebildet
und überlagern
die Strukturen innerhalb des Betrachtungsfelds.
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Wegen der begrenzten Anzahl von Pixeln
auf der Frequenzkodierachse und der Zeitverlängerung für jedes zusätzliche Pixel auf der Phasenkodierachse
ist es außerdem
wünschenswert,
das Betrachtungsfeld so klein wie möglich zu machen, um die Bildauflösung bei
kürzestmöglicher
Bildgewinnungsdauer zu maximieren. Zur Abbildung der Brustaorta
ist bei den meisten Patienten grundsätzlich ein Betrachtungsfeld
von etwa 36 cm geeignet. Das Betrachtungsfeld kann bei größeren Patienten
vergrößert und
bei kleineren Patienten verkleinert werden. Bei anderen Körperteilen
kann das Betrachtungsfeld kleiner sein.
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Die Verwendung eines no-phase wrap-Algorithmus
ist eine weniger bevorzugte Ausführungsform.
Im Rahmen dieser Erfindung hat sie den Nachteil, dass grundsätzlich eine
längere
Bildgewinnungszeit und damit eine höhere Gadoliniumdosis erforderlich
ist.
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Spulen
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Zur Minimierung des Rauschens sollte
die kleinstmögliche
Spule verwendet werden. Auch Spulen, die den zu untersuchenden Körperteil
umgeben, so dass das Signal über
das gesamte Betrachtungsfeld homogen ist, sind von Vorteil. Die
Verwendung einer Spule mit Quadratur kann zweckmäßig sein.
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Plazierung des Patienten
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Der Patient sollte so plaziert werden,
dass der Körperteil,
von dem ein Bild gewonnen wird, während der gesamten Dauer der
Bildgewinnung ruhig gehalten wird.
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Kompensation für Herz-
und Atembewegungen
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In Abbildungsbereichen des Körpers, die
sich mit der Atmung stärker
bewegen, (z. B. die Nierenarterien) kann es zweckmäßig sein,
die Daten zu gewinnen, während
der Patient den Atem anhält.
Dabei muß die Dauer
der Bildgewinnung vielleicht auf weniger als eine Minute verkürzt werden.
Wenn der Patient nicht während
der gesamten Bildgewinnungsdauer den Atem anhalten kann, kann es
zweckmäßig sein,
den Atem während
der Gewinnung der dem zentralen Teil des k-Raums entsprechenden
Bilddaten anzuhalten und nur während
der Gewinnung der Daten für
die Peripherie des k-Raums zu atmen.
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Um das Atemanhalten während der
Gewinnung der für
den zentralen Teil des k-Raums (d. h. die mittige Hälfte des
k-Raums) repräsentativen
Bilddaten zu erleichtern, wird der k-Raum zentrisch oder versetzt
angeordnet, so dass die Datengewinnung für den zentralen Teil des k-Raums
zu Beginn der Abtastung erfolgt. Wenn der Patient also zu Beginn
der Abtastung den Atem anhält,
fällt das
Atemanhalten automatisch mit der Gewinnung der für den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen
Daten zusammen. Dem zentralen Teil des k-Raums müssen eine Reihe von Radiofrequenzpulsen
vorausgehen, damit die Hintergrundgewebe ihr Sättigungsgleichgewicht erreichen.
Damit die Gewebe das dynamische Gleichgewicht erreichen, genügt meist
die Aussendung von Radiofrequenzpulsen während ein paar Sekunden.
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Vorabtastung
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Die Vorabtastung dient dazu, die
optimale Frequenz zu finden und den Verstärkungsfaktor des Empfängers zu
optimieren. Bei der Vorabtastung müssen die Veränderungen
des Magnetresonanzsignals des Patienten, die während der Kontrastmittelinjektion
eintreten, ausgeglichen werden. Wenn das paramagnetische Kontrastmittel
ein Gadoliniumchelat ist, sollte auf den Peak von Wasser abgestimmt
werden. Bei der Empfängerverstärkungseinstellung
sollte ein Spielraum von etwa 20 bis 50% für ein stärkeres Signal während der
Kontrastmittelverabreichung, das auftritt, wenn das Kontrastmittel
im zu untersuchenden Volumen ankommt, gelassen werden.
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Vorbehandlung
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Die Vorbehandlung des Patienten mit
einem Analgetikum oder einem Sedativum wie Diazepam kann aus mindestens
zwei Gründen
zweckmäßig sein.
Zum einen kann dies dazu beitragen, dass der Patient die Gefühle von
Klaustrophobie aushält,
wenn er im Magneten eingeschlossen ist, wodurch Artefakte durch
willkürliche
Bewegungen verringert werden. Der zweite, noch wichtigere Grund
ist, dass die sedierende und herzentlastende Wirkung die Herzleistung
verringert. Eine geringere Herzleistung führt zu einer höheren Kontrastmittelkonzentration
in den Arterien, wodurch die Bildqualität verbessert wird. Dieses Ergebnis
steht im Gegensatz zur herkömmlichen
Magnetresonanzangiographie, bei der sich das Ergebnis verschlechtert,
wenn die Herzleistung abnimmt. Durch Verringerung von Herz- und
Atemfrequenz können
Analgetika und Sedativa den Anteil der Bildgewinnung minimieren,
der durch Artefakte beeinträchtigt
ist, die durch Herz- und Atembewegungen bedingt sind.
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Magnetresonanz-Kontrastmittel
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Wie bereits erwähnt, können für die vorliegende Erfindung
viele verschiedene Magnetresonanz-Kontrastmittel verwendet werden,
beispielsweise sind viele paramagnetische Kontrastmittel geeignet.
Wie bereits erwähnt,
sind Gadoliniumverbindungen, beispielsweise paramagnetische Gadoliniumchelate
wie Gadopentetatdimeglumin, Gadodiamid und Gadoteridol leicht erhältlich und
gelangen rasch in den extrazellulären Fluidraum. Auch andere
Gadoliniumverbindungen sind verwendbar. Generell sind Kontrastmittel
bevorzugt, die eine hohe Relaxivity haben, rasch in den extrazellulären Fluidraum
gelangen und leicht aus dem Kapillarbett ausgeschieden werden. Zu
beachten ist, dass Kontrastmittel, die aus dem Kapillarbett ausgeschieden
oder dort abgebaut werden, für
die vorliegende Erfindung bevorzugt sind.
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Im Handel sind insbesondere Gadoliniumchelate
von Bracco (unter der Bezeichnung "ProHance"), Berlex (unter der Bezeichnung "Magnevist") und Nycomed USA
(unter der Bezeichnung "OmniScan") erhältlich.
Es sei darauf hingewiesen, dass das im Handel erhältliche
Gadoliniumchelat von Nycomed eine bessere Kontrastverstärkung zwischen
Arterie und umgebenden Venen und Geweben zu begünstigen scheint.
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Überblick über die Hardware
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11 zeigt
ein Infusionssystem 10, ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem 16 und
ein Erfassungssystem 110. Das Infusionssystem 10 beinhaltet
kurzgesagt die Infusionsvorrichtung 12 und die dazugehörige Hardware,
die die Verabreichung des Magnetresonanz-Kontrastmittels an den
Patienten erleichtert. Die Infusionsvorrichtung 12 kann
eine Spritze sein oder eine mechanische Infusionseinrichtung, die
vom Erfassungssystem 110 oder einer Bedienperson gesteuert
wird. Das Infusionssystem 10 wird im folgenden näher beschrieben.
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Das Magnetresonanz-Bildgebungssystem 16 sammelt
Bilddaten, die zur Erzeugung eines Bildes der Zielregion verwendet
werden können.
Das Bildgebungssystem 16 kann ein handelsübliches
Magnetresonanz-Bildgebungssystem
(mit Hardware und Software), beispielsweise ein Signa-Magnet von General
Electric mit Software der Version 4.7, 5.2, 5.3, 5.4 oder 5.5 sein,
das für
die bildliche Darstellung eines Teils eines Tierkörpers, beispielsweise
eines menschlichen Körpers,
geeignet ist. Die für
das handelsübliche
Magnetresonanz-Bildgebungssystem verwendete Software kann auch geändert werden,
um einige der hier beschriebenen Ausführungsformen, einschließlich des
Sammelns der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten zu Beginn
der Bildgebungssequenz, zu integrieren.
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Injektion
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Die Injektion des paramagnetischen
Kontrastmittels erfolgt intravenös,
um die Komplikationen auszuschalten oder zu verringern, die mit
der für
eine arterielle Injektion erforderlichen Katheterisierung verbunden sind.
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Der genaue Injektionsort ist aus
verschiedenen Gründen
wichtig. Der Injektionsort sollte vom zu untersuchenden Bereich,
d. h. von dem abzutastenden Bereich, entfernt sein. Wenn beispielsweise
Bilder von der Bauchschlagader gewonnen werden sollen, ist die intravenöse Injektion
des paramagnetischen Kontrastmittels in eine Armvene bevorzugt (siehe 13B). Eine Beinvene sollte
dazu nicht verwendet werden. Außerdem
sollte die Ellenbogenbeuge nicht verwendet werden, weil der Patient
während
der langen Injektionsdauer (3 bis 5 Minuten) den Ellbogen beugen
könnte,
was zu einem Austritt des Kontrastmittels in das Unterhautgewebe
führen
kann. Unter diesen Umständen
ist daher eine Unterarmvene oder eine Oberarmvene zu bevorzugen.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass die Ellenbogenvene wegen ihrer im Vergleich zum Unterarm und
zur Hand größeren Nähe zum Herzen
bevorzugt werden sollte, wenn die Injektion durch rasche Infusion (d.
h. mit weniger als einer Minute Dauer) erfolgt.
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Wenn eine Armarterie bildlich dargestellt
werden soll, kann die Injektionsstelle eine Beinvene oder eine Vene
im anderen Arm sein. Die Injektionsstelle ist dann vom "Zielbereich", d. h. der Armarterie,
entfernt.
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Außerdem ist es wichtig, die
Datengewinnung im k-Raum mit der im Vergleich zu den benachbarten Venen
maximalen, erhöhten
oder wesentlich erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der interessierenden Arterie zu korrelieren.
Dadurch wird sichergestellt, dass die für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen Bilddaten
in einem Zeitraum gewonnen werden, in dem in der interessierenden
Arterie im Vergleich zu benachbarten Venen die maximale, eine erhöhte oder
eine wesentlich erhöhte
Kontrastmittelkonzentration gegeben ist. Das Erfassungssystem (weiter
unten ausführlich
beschrieben) überwacht
die interessierende Arterie, so dass die Gewinnung der für den zentralen
Teil des k-Raums repräsentativen
Bilddaten mit einer erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der Arterie zusammenfällt.
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Gemäß 3 und 4 weist
das Infusionssystem 10 eine mechanische Infusions- oder Injektionsvorrichtung 12 auf.
Die Infusionsvorrichtung 12 ist ein automatisch arbeitender
Injektionsapparat mit zuverlässigen, gleichbleibenden
und steuerbaren Betriebsbedingungen. Die Infusionsvorrichtung 12 wird
dazu verwendet, das Magnetresonanzkontrastmittel im wesentlichen
während
der gesamten Bilddatengewinnungszeit in die Vene des Patienten zu
injizieren, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, im
Betrachtungsfeld des Magnetresonanzbildes die Arterie gegenüber den
Venen hervorzuheben. Die Infusionsvorrichtung 12 wird mit herkömmlichen
Techniken an den Patienten angeschlossen, beispielsweise über einen
geeigneten Schlauch 14, der den Fluidstrom von der mechanischen
Infusionsvorrichtung 12 zum Patienten ermöglicht.
Ein solcher Schlauch kann beispielsweise ein Angiokatheter sein.
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Eine mechanische Injektionsvorrichtung
ist gegenüber
der manuellen bzw. Operateurinjektion bevorzugt, weil sie zuverlässiger,
gleichbleibender und besser steuerbar ist als eine manuelle Injektion.
Außerdem erleichtert
eine mechanische Injektionsvorrichtung den Einsatz der erfindungsgemäßen Infusions-,
Bildgebungs- und Erfassungssysteme, die vollautomatisch arbeiten.
Dabei kann das erfindungsgemäße Erfassungssystem
mehrere Infusionsparameter des Infusionssystems steuern.
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Weil das Magnetfeld die normale Funktion
elektronischer Geräte
beeinträchtigt,
kann eine pneumatisch betätigte,
eine federbetätigte
oder eine sonstige nichtelektrische Pumpe zweckmäßig sein. Zu beachten ist jedoch,
dass eine elektrische Pumpe verwendet werden sollte, wenn sie durch
den Betrieb der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung nicht beeinflußt wird,
d. h. wenn sie ausreichend abgeschirmt oder ausreichend weit vom
Magneten entfernt ist.
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Die mechanische Infusionsvorrichtung 12 kann
mit der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung 16 verbunden
werden, damit zusätzlich
zur Bereitstellung der geeigneten oder gewünschten Kontrastmittelinfusionsraten
die richtige oder gewünschte
zeitliche Abstimmung zwischen der Injektion des Magnetresonanzkontrastmittels
und der Bilddatengewinnung erleichtert wird.
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Die richtige oder gewünschte zeitliche
Abstimmung und die Kontrastmittelinfusionsgeschwindigkeiten können von
einer Steuerung in der mechanischen Infusionsvorrichtung 12 gesteuert
werden. Dabei ist der Mechanismus, der die Infusion zeitlich und
mengenmäßig steuert,
Teil der mechanischen Infusionsvorrichtung 12. In diesem
Fall ist die mechanische Infusionsvorrichtung 12 eine "selbständige" Einheit. Die Infusionsgeschwindigkeit
kann beispielsweise mit einem einstellbaren Durchflußwiderstand
gesteuert werden.
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Wie bereits erwähnt, injiziert die Infusionsvorrichtung 12 das
Magnetresonanzkontrastmittel in gesteuerter Weise. Das Kontrastmittel
kann in einem Gefäß enthalten
sein. Wie in 3 und 4 gezeigt, ist die mechanische
Infusionsvorrichtung 12 an ein Gefäß 18 angeschlossen,
welches das Magnetresonanzkontrastmittel enthält. Bei einer bestimmten Ausführungsform
kann das Gefäß 18 eine
Kontrastmittelmenge enthalten, die für eine Anwendung der Erfindung
oder eine von mehreren Magnetresonanzangiographiesequenzen ausreicht,
d. h. es kann ein Gefäß für den einmaligen
Gebrauch sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Gefäß 18 eine
Menge enthalten, die für
mehrmalige Anwendungen der Erfindung ausreicht, d. h. es kann ein
Vorratsgefäß sein.
Wie in 3 gezeigt, kann
die mechanische Infusionseinrichtung 12 dazu eingerichtet sein,
das Gefäß 18 in
etwa so aufzunehmen wie ein Füller
eine Tintenpatrone. Bei einer anderen Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, kann die
Infusionsvorrichtung 12 mit herkömmlichen Techniken mit dem
Gefäß 18 verbunden
sein.
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5A und 5B zeigen eine ausführlichere
Darstellung der mechanischen Infusionsvorrichtung 12. Die mechanische
Infusionsvorrichtung 12 von 5A und 5B enthält mehrere der Bauteile, die
in den US-Patenten 4,202,333; 4,298,000; 4,430,079 und 4,597,754
beschrieben und abgebildet sind.
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Wenn die mechanische Infusionsvorrichtung 12 innerhalb
eines Magnetfelds eingesetzt wird, sollte sie mit einem magnetresonanzkompatiblen
Material ausgestattet oder aus einem solchen hergestellt sein. Beispielsweise
sollten die im Handel erhältlichen
Infusionsvorrichtungen der 3 M Corp. mit einer magnetresonanzkompatiblen
Feder ausgestattet sein. Dazu muß die Feder aus einem nichtmagnetischen
Material, beispielsweise aus Kunststoff oder bestimmten Metallegierungen
wie Eljaloy oder Inconel hergestellt werden.
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Um eine konstante oder eine veränderliche
Infusionsgeschwindigkeit für
das Magnetresonanz-Kontrastmittel zu erreichen, kann die Vorrichtung 12 nach 5A und 5B eine Feder von konstanter Breite und Dicke
aufweisen, die eine konstante Kraft ausübt. Alternativ dazu kann die
Feder eine variable Breite und/oder eine variable Dicke aufweisen,
damit eine variable Federkraft zur Verfügung steht. Unter diesen Umständen kann
die Infusionsgeschwindigkeit durch die Gestaltung der Feder so gesteuert
werden, dass sie entweder konstant oder variabel ist, d. h. sie
kann durch entsprechende Wahl der Gestaltungsparameter der Feder
vorprogrammiert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
kann die Infusionsvorrichtung 12 so gestaltet sein, dass
sie eine 50-ccm-Spritze mit einem Fassungsvermögen von 60 ccm, die eine Kontrastmitteleinzeldosis
enthält,
aufnimmt. Die Infusionsvorrichtung 12 kann auch so gestaltet
sein, dass die Infusionsgeschwindigkeit des Kontrastmittels durch
eine von außen
auf die Feder wirkende Kraft verändert
oder dem jeweiligen Bedarf angepaßt werden kann. Diese von außen wirkende
Kraft ist unabhängig
von der Kraft der Feder der Infusionsvorrichtung 12.
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Die Infusionsvorrichtung 12 kann
ferner einen Durchflußanzeiger 50 (5B) aufweisen, damit angezeigt
werden kann, mit welcher Geschwindigkeit das Kontrastmittel in den
Patienten gelangt. In diesem Fall kann die Bedienperson auf recht
einfache Weise optisch oder akustisch die Durchflußgeschwindigkeit
des Kontrastmittels beobachten. Dadurch kann die Bedienperson die
von außen
wirkende Kraft exakter ausüben (sowohl
hinsichtlich der Stärke
der Kraft als auch hinsichtlich des zeitlichen Einsatzes), wodurch
die Änderung der
vorgegebenen Injektionsgeschwindigkeit erleichtert wird. Bei einer
automatisierten Injektionsvorrichtung ermöglicht der Durchflußanzeiger 50 der
Bedienperson außerdem
die optische oder akustische Überwachung der "vorprogrammierten" Infusionsgeschwindigkeit
oder -sequenz.
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Gemäß 5A enthält die mechanische Infusionsvorrichtung 12 außerdem die
Spritze 24, eine Einspannvorrichtung 26 für die Spritze,
einen Spritzenstopper
28, ein Anschlag- und Federgehäuse 30a,
Kugellager 30b, ein Rückschlagventil 32 und
einen Katheter 34 mit Verbindungsschlauch 34a und
einer Nadel 34b (geflügelt).
Die Spritze 24 enthält
das dem Patienten während
der Magnetresonanzbildgebung zu verabreichende Kontrastmittel. Der
Kolben 24a der Spritze 24 wird von der Feder 40 eingeführt, die
im Anschlag- und Federgehäuse 30a untergebracht
ist. Im Einsatz schiebt die Feder 40 den Kolben 24a vorwärts, um
die Spritze 24 unter Druck zu setzen. Die Spritze verbleibt
durch die Einspannvorrichtung 26 und den Spritzenstopper 28 in
der mechanischen Infusionsvorrichtung 12, insbesondere
in der Gehäusebasis 12a,
in stabiler Position.
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Die mechanische Infusionsvorrichtung 12 kann
mit einem Tropfapparat 42 für Kochsalzlösung (Tropfapparat 42a,
Verbindungsschlauch 42b und Rollklemme 42c) verbunden
werden. Der Tropfapparat 42 für Kochsalzlösung wird mit einem Eingang
eines Y-Verbinders 44 verbunden. Die Spritze 24 wird
mit dem anderen Eingang des Y-Verbinders 44 verbunden.
Durch diese konventionelle Lösung
wird die Nachspülung
mit Kochsalzlösung
nach Verabreichung des Kontrastmittels in der Spritze 24 erleichtert.
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In den Fällen, in denen der Schlauch
vom Tropfapparat 42 für
Kochsalzlösung
zum Y-Verbinder 44 mit einem Einwegeventil versehen ist,
um den Rückfluß von Kontrastmittel
zu verhindern, kann der Kochsalztropf während der Infusion "EIN" bleiben. In diesem
Fall setzt die Tropfinfusion zum "Nachspülen" des Gadoliniums im Venenschlauch und
Abgeben des im Schlauch verbliebenen Kontrastmittels an den Patienten
automatisch wieder ein, sobald die Infusion des Kontrastmittels
abgeschlossen ist.
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Die Injektionsgeschwindigkeit des
Kontrastmittels aus der Spritze
24 wird zum großen Teil
durch die Größe oder
Feinheit der Nadel
34b vorgegeben oder gesteuert, die als
Durchflußbegrenzer
nach dem Poiseuilleschen Gesetz wirkt. Die Injektionsgeschwindigkeit
wird außerdem
durch die Stärke
der Kraft, welche die Feder
40 (die Rückstellkraft der Feder
40)
auf den Kolben
24a der Spritze
24 ausübt, durch
den Spritzenquerschnitt und durch die Viskosität des Gadoliniums gemäß folgender
Gleichung gesteuert:
wobei r = Radius des Lumens
der durchflußbegrenzenden
Nadel
F = Federkraft
L = Länge der durchflußbegrenzenden
Nadel
μ =
Viskosität
des Fluids und
A = Querschnittsfläche der Spritze
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Bei Prüfung der vorstehenden Gleichung
für die
Injektionsgeschwindigkeit zeigt sich, dass sich eine Änderung
von Spritzengröße (A),
Nadellänge
(L) und/oder Fluidviskosität
(μ) auf
die Infusionsgeschwindigkeit des Kontrastmittels auswirkt. Die Fluidviskosität kann jedoch
von der Temperatur des Kontrastmittels (Gadoliniumchelat) abhängig sein.
Wenn also die Temperatur des Kontrastmittels dessen Viskosität ändert, ist
die Infusionsgeschwindigkeit auch von dieser "Variablen" abhängig.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass der Einfluß der
Viskosität
auf die Durchflußgeschwindigkeit durch
Verwendung eines Durchflußbegrenzers,
der die Auswirkung der Viskosität
auf die Durchflußgeschwindigkeit
minimiert, wesentlich verringert werden kann.
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Die Injektionsgeschwindigkeit kann
jedoch durch Verwendung eines manuellen, federbetätigten oder pneumatischen/elektrischen
Mechanismus zur Einstellung der Injektionsgeschwindigkeit erhöht oder
verringert werden, wobei dieser Mechanismus mit verschiedenen Bauteilen
der Vorrichtung 12 verbunden werden kann, beispielsweise
der Feder 40, dem Anschlag und Federgehäuse 30a, den Kugellagern 30b,
dem Kolben 24a, dem Verbindungsschlauch 34a und/oder
dem Durchflußbegrenzer 34b.
Ein pneumatischer oder elektrischer Injektionsgeschwindigkeitseinstellmechanismus
kann mit dem Erfassungsmechanismus 110 gekoppelt werden,
was eine Änderung
der Injektionsgeschwindigkeit ermöglicht. Diese Ausführungsform
wird nachstehend ausführlich
beschrieben.
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5B zeigt
einen manuellen Injektionsgeschwindigkeitseinstellmechanismus 50,
der es der Bedienperson ermöglicht,
unmittelbar die Injektionsgeschwindigkeit und dadurch die Injektionsgeschwindigkeit
des Kontrastmittels zu ändern,
um die gewünschte
zeitliche Abstimmung einer erhöhten
oder der maximalen Durchflußgeschwindigkeit
des Kontrastmittels zu berücksichtigen
oder vorzunehmen.
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Die Federkraft sollte groß genug
sein, damit der Durchflußbegrenzer,
der die gewünschte
Durchflußgeschwindigkeit
ermöglichen
muß, einen
Durchflußwiderstand
aufweist, der viel größer ist
als jeder Durchflußwiderstand
im Veneninjektionskanal. Die Federkraft sollte nicht so groß sein,
dass eine Person mit normalen Körperkräften sie
nicht herabsetzen oder erhöhen
könnte,
wenn als Mittel zur Einstellung der Durchflußgeschwindigkeit des Kontrastmittels
(d. h. als Mittel zur Einstellung der auf die Feder ausgeübten äußeren Kraft) ein
manueller Federeinstellmechanismus 50 vorgesehen ist. Grundsätzlich ist
eine Feder mit einer Federkraft von etwa 5 bis 10 Pounds für Infusionen
von 2 bis 3 Minuten Dauer geeignet, während bei schnelleren Infusionen
eine höhere
Federkraft erforderlich sein kann. Bei Infusionen, die nur 30 Sekunden
dauern, kann eine Federkraft von 20 bis 30 Pounds erforderlich sein.
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Der Durchflußbegrenzer kann aus einer Nadel
bestehen und/oder eine Nadel, ein kurzes Schlauchstück mit kleinem
Durchmesser (z. B. kann einen Venenangiokatheter mit Skala 20 oder
darüber
ausreichend sein), einen Düsenstein
(beispielsweise aus Rubin oder Saphir), eine Kompressionseinrichtung
(focal compression) für
den Venenschlauch oder einen anderen Mechanismus, der den Fluiddurchfluß einschränkt, beinhalten.
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Es sei darauf hingewiesen, dass ein
Präzisionsdüsenstein
als Durchflußbegrenzer
mehrere Vorteile hat. Wenn beispielsweise ein nicht komprimierbares
Fluid wie Gadopentetatdimeglumin, Gadoteridol oder Gadodiamid verabreicht
werden soll, unterliegt der Durchfluß durch den Düsenstein
dem Bernoulli-Effekt. Dabei ist die Durchflußgeschwindigkeit des Fluids
durch den Düsenstein
proportional zur Quadratwurzel des Druckabfalls:
wobei K = eine durch die
Geometrie des Düsensteins
bestimmte Konstante
F = die Federkraft und
A = Querschnittsfläche der
Spritze
-
Weiter sei darauf hingewiesen, dass
der Druckabfall am Düsenstein
von der Trägheit
des Fluids abhängig
ist, während
die Viskosität
des Fluids wenig oder keinen Einfluß darauf hat. Folglich minimiert
ein Düsenstein
den Einfluß der
Viskosität
des Fluids auf die Durchflußgeschwindigkeit
des Fluids. Bei Verwendung eines Düsensteins als Durchflußbegrenzer
ist durch den Bernoulli-Effekt somit unabhängig von der Temperatur des
Fluids und unabhängig
davon, welche Gadoliniumverbindung verwendet wird, dieselbe Durchflußgeschwindigkeit
zu erwarten. Auch wenn es grundsätzlich
unmöglich
ist, den Einfluß der
Viskosität
des Fluids vollständig
auszuschalten, wird dieser Einfluß deutlich reduziert.
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Tabelle 1 weist die Infusionsgeschwindigkeit
für drei
Magnetresonanzkontrastmittel, für
einige Nadeln und Durchflußbegrenzungsdüsensteine
aus bei Verwendung in einer Infusionsvorrichtung 12, die
im wesentlichen der Abbildung von 5A entspricht,
bei der die Feder 40 eine Kraft von 6 Pound hat und die
Spritze 24 einen Durchmesser von 1 Inch und ein Fassungsvermögen von
50 ccm hat.
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Wenn die Durchflußgeschwindigkeit des Fluids
von der Umgebungstemperatur oder von der Temperatur des Kontrastmittels
abhängt,
ist für
die gleichbleibende Funktion der Infusionsvorrichtung 12 gegebenenfalls
entweder eine temperaturgesteuerte Betriebsumgebung oder die Verwendung
eines Durchflußbegrenzers,
dessen Betriebseigenschaften von der Viskosität des Fluids weitgehend unbeeinflußt bleiben
(z. B. ein Präszisionsdüsenstein),
erforderlich.
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Gemäß 5B ist der Durchflußeinstellmechanismus 50 bei
einer bestimmten Ausführungsform
ein manuell betätigbarer
Mechanismus mit einem Hebel 50a, mit dessen Hilfe die Bedienperson
die auf den Kolben 24a wirkende Kraft erhö hen oder
herabsetzen kann. Der Hebel 50a greift am Kolben 24a und
an der Feder 40 an, so dass die auf den Kolben 24a wirkende
Kraft im wesentlichen durch die Summe aus der auf den Kolben 24a ausgeübten Kraft
(d. h. durch den Hebel 50a) und der Federkraft F bestimmt
wird.
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Zu beachten ist, dass der zentrale
Teil des k-Raums als 10 bis 75% der gesamten k-Raum-Daten gekennzeichnet
werden kann, die den Daten für
die geringste räumliche
Frequenz entsprechen.
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Zu beachten ist ferner, dass mit "wesentlich erhöhte Kontrastmittelkonzentration" im arteriellen Blut eine
Konzentration von mehr als 2,9/Sekunden-Relaxivity (des Kontrastmittels)
gemeint ist.
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Die Infusionsvorrichtung 12 nach 5B weist ferner einen Durchflußanzeiger 52 auf,
an dem die Bedienperson die Durchflußgeschwindigkeit (Injektionsgeschwindigkeit)
des an den Patienten verabreichten Kontrastmittels ablesen kann.
Die Bedienperson kann optisch oder akustisch die Durchflußgeschwindigkeit des
Kontrastmittels verfolgen, so dass sie die Injektionsgeschwindigkeit,
mit der das Kontrastmittel an den Patienten abgegeben wird, exakt
steuern kann. Die Bedienperson kann die Kontrastmittel-Injektionsgeschwindigkeit
dem Einzelfall anpassen oder ändern.
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Als Durchflußanzeiger kann ein optischer
Sensor verwendet werden, der die Linearbewegung beispielsweise des
Kolbens 24a, der Feder 40 und/oder des Anschlag-
und Federgehäuses 30a oder
die Drehbewegung der Kugellager 30b erfaßt. Ein
solcher Mechanismus ermöglicht
eine exakte Messung bei sehr geringer oder gar keiner Auswirkung
auf die Funktion der Injektionsvorrichtung 12, einschließlich der
Bewegung des Kolbens 24a und der Feder 40. Ein
optischer Durchflußanzeiger
hat somit den Vorteil, dass er keinen physischen Kontakt mit dem
Kontrastmittel in der Spritze 24 oder mit der Feder 40 haben
muß.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass auch ein Durchfluß-
oder Bewegungssensor im Durchflußanzeiger 50 verwendet
werden kann. Eine solche Vorrichtung liefert eine exakte Anzeige
der Durchflußgeschwindigkeit
des Kontrastmittels in der Spritze 24 oder im Schlauch 34a.
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Wie bereits erwähnt, müssen die zur Herstellung der
Vorrichtung 12 verwendeten Materialien nichtmagnetisch
sein, wenn die mechanische Infusionsvorrichtung 12 in einer
Magnetfeldumgebung eingesetzt werden soll. Magnetische Materialien
sollten also vermieden werden, wenn die Vorrichtung 12 im
Magnetfeld oder in der Nähe
des Magnetfelds der Magnetresonanz-Bildgebungsvorrichtung eingesetzt wird.
In diesem Fall sollte die Feder 40 ( 5A und 5B)
aus einem nichtmagnetischen Material wie Eljaloy oder Inconel hergestellt sein.
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Gemäß 6A–C kann die mechanische Infusionsvorrichtung 12 als
Kombination aus einem Beutel und einer Kassette ausgeführt sein.
Der Beutel 46 enthält
ein Kontrastmittel. Analog zur Spritzenkonfiguration von 5A und 5B kann der Beutel 46 in eine
Kassette 48 gegeben werden, die einen gleichmäßigen Druck über die
Kontaktoberfläche
des Beutels 46 ausübt. Ähnlich wie
bei der Spritze 24 fließt das Kontrastmittel im Betrieb
dann aus dem Beutel durch den Katheter 34 in den Patienten.
Wie bei der Spritzenkonfiguration erfolgt die Durchflußsteuerung
mittels eines Durchflußbegrenzers
(d. h. der Nadel 34b), der in Kombination mit einer Kassette 48 verwendet
wird, die die Kraft liefert.
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Zu beachten ist, dass zusammen mit
der Kombination Beutel/Kassette nach 6A bis C ein Kochsalzlösungs-Tropfapparat 42 sowie
ein Durchflußeinstellmechanismus 50 verwendet
werden kann. Wie bei der Spritzenkonfiguration kann die Injektionsgeschwindigkeit
mittels eines manuellen, federbetätigten, elektrischen oder pneumatischen
Geschwindigkeitseinstellmechanismus erhöht oder verringert werden.
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In manchen Magnetresonanzkammern
besteht eine Öffnung
in der Wand, die den Magneten der Bildgebungsvorrichtung und die
Steuerung (d. h. Computer und sonstige elektronische Geräte) trennt.
In diesem Fall können
Standardinfusionspumpen (die Metall, magnetisierte Materialien und
elektronische Schaltungen enthalten) von außerhalb der Magnetresonanzkammer
zur Durchführung
der hier beschriebenen Verfahren verwendet werden.
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Es kann die von Abbott hergestellte
Pumpe "Life Care
5000" eingesetzt
werden. Die Life Care 5000 zieht Arzneimittel (z. B. ein Kontrastmittel)
direkt aus ei ner Flasche und speist sie in ein langes Schlauchstück ein.
Die Betriebsparameter der Life Care 5000 können zur Ausführung zahlreicher
Infusionsgeschwindigkeiten vorprogrammiert werden.
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Die Betriebsparameter der Pumpe können ebenfalls
vom Erfassungssystem 110 gesteuert werden (wie nachstehend
beschrieben). Der zeitliche Verlauf der maximalen, einer erhöhten oder
einer wesentlich erhöhten
Injektionsgeschwindigkeit kann vom Erfassungssystem 110 gesteuert
werden, um das Sammeln von für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten exakter
mit der maximalen, einer erhöhten
oder wesentlich erhöhten
Kontrastmittelkonzentration in der Zielarterie exakter zu synchronisieren.
Diese Ausführungsform
wird nachstehend näher
beschrieben.
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Diese Konfiguration bietet mehrere
Vorteile, darunter
- 1. Das Kontrastmittel (Gadolinium)
muss nicht aus dem Versandbehälter
in einen Zwischenbehälter,
z. B. eine Spritze, umgefüllt
werden.
- 2. Durch die Programmierbarkeit der Pumpe sind verschiedene
Injektionsgeschwindigkeiten möglich,
wobei die maximale Geschwindigkeit für den Peak vorgesehen ist,
wenn der zentrale Teil des k-Raums erfaßt wird (was der entscheidendste
Abschnitt bei der Bildgewinnung sein kann).
- 3. Steuerung der Betriebsparameter durch die Bedienperson. Außerdem kann
die Life Care 5000 mit dem Erfassungssystem 110 verbunden
werden, um die Erfassung des k-Raums durch das Bildgebungssystem 16 in
der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung im Zielbereich zu erleichtern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die
Pumpe Life Care 5000 nicht unbedingt für die Anwendung aller hier
beschriebenen Techniken ideal ist. Nachteile gibt es beispielsweise
bei den Injektionsgeschwindigkeiten der Pumpe, beim Grad der Programmierbarkeit
der Fördereigenschaften
der Pumpe und bei der Verabreichung von Kontrastmittel aus mehreren
Behältern,
wofür mehrere
20-ccm-Glasfläschchen
verwendet werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Magnetresonanz-Kontrastmittel
von der Infusionsvorrichtung 12 im Bolus injiziert, während in
der vom Bildgebungssystem 16 ausgeführten Bildgewinnungssequenz
zu Beginn der Sequenz die für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Daten gesammelt
werden. Dabei überwacht
oder mißt
das Erfassungssystem 110 das Resonanzsignal aus dem Zielbereich,
um die Ankunft des Kontrastmittels in diesem Bereich zu erfassen,
damit die Korrelation zwischen der maximalen, einer erhöhten oder
wesentlich erhöhten
arteriellen Kontrastmittelkonzentration in der Zielarterie und der
Gewinnung der dem zentralen Teil des k-Raums entsprechenden Bilddaten
auf wiederholbare Weise hergestellt werden kann. Bei Erfassung der
Ankunft des Kontrastmittels im Zielbereich beginnt das Bildgebungssystem 16 mit dem
Sammeln der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten. Der zentrale
Teil des k-Raums entspricht den Daten geringer räumlicher Frequenz, die den
Bildkontrast bestimmen.
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Gemäß 7 kann die Infusion des Magnetresonanz-Kontrastmittels
manuell erfolgen. Bei dieser Ausführungsform ist eine Spritze 20 mit
einer Nadel 22 mit einem Gefäß 18 verbunden, welches
das Magnetresonanz-Kontrastmittel enthält. Das Gefäß 18 wird mit einer
herkömmlichen
Technik, beispielsweise einer geeigneten Schlauchverbindung 14,
die den Fluidfluß vom
Gefäß 18 zum
Patienten ermöglicht,
beispielsweise einem Angiokatheter, mit dem Patienten verbunden.
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Bei Injektion des Kontrastmittels
mit einer manuellen Injektionsvorrichtung, d. h. bei Injektion des
Magnetresonanz-Kontrastmittels von Hand während der Magnetresonanzangiographiesequenzen
weist der "Infusionsweg" bei einer bevorzugten
Ausführungsform
einen Durchflußbegrenzer
auf, der dem Durchfluß von Gadolinium
während
seiner Verabreichung in den Körper
Widerstand entgegensetzt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Durchflußbegrenzer
beispielsweise eine Standardinjektionsnadel oder ein kleinkalibriger
Angiokatheter sein kann. Nach 7 kann
der Durchflußbegrenzer
die Nadel 22 der Spritze 20 und/oder der Angiokatheter 14 sein.
Bei Verwendung kleiner Nadeln, kurzer Schlauchstücke mit kleinem Durchmesser,
eines Düsensteins
und/oder kleinkalibriger Angiokatheter kommt es weniger häufig zu
einer zu schnellen Injektion des Kontrastmittels, die zu einem zu
frühen
Kontrastverlust bei der Abtastung führt. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
kann die Nadel in Abhängigkeit
von der Viskosität
des Kontrastmittels zu einer Infusion von 2 bis 4 Minuten Dauer
die Größe 22 Gauge
oder einen kleineren Durchmesser haben (größer oder gleich 22 Gauge).
Für Infusionen
von etwa 30 Sekunden eignen sich Angiokatheter von 20 Gauge.
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Es kann zweckmäßig sein, die gesamte Kontrastmitteldosis
vorab in ein Gefäß oder ein
Schlauchstück mit
Luer-Verschluß oder
anderen geeigneten Verbindungsstücken
auf beiden Schlauchseiten zu füllen.
In diesem Fall ist es möglich,
eine einzige, mit Kochsalzlösung
gefüllte
Spritze zu verwenden, um das Kontrastmittel mit Nachinjektion der
Kochsalzlösung
zu injizieren, ohne dass die Spritze oder die Pumpe gewechselt werden muß. Kochsalzlösung ist
zum Nachspülen
bevorzugt, weil sie zum Blut isoton gemacht werden kann und mit den
meisten intravenösen
Flüssigkeiten
und Pharmazeutika, die gegebenenfalls bereits durch die Venen eines Patienten
fließen,
kompatibel ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Magnetresonanz-Kontrastmittel
schnell im Bolus injiziert, wobei die vom Bildgebungssystem 16 durchgeführte Bildgewinnungssequenz
zu Beginn der Sequenz die für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten sammelt.
Wenn die Ankunft des Kontrastmittels im Zielbereich (von der Bedienperson
oder vom Erfassungssystem 110) festgestellt worden ist,
startet das Bildgebungssystem 16 die Bildgewinnungssequenz
und das Sammeln der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen
Bilddaten.
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Eine andere Ausführungsform eines manuellen
Infusionsmittels ist in 13 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform
ist eine Spritze 20 mit einem Magnetresonanz-Kontrastmittel
gefüllt.
Ein 3-Wege-Absperrhahn 44 ermöglicht die rasche Injektion
des Kontrastmittels (z. B. Gadolinium), ohne dass die Gefahr des
Rückflusses
besteht. Ein weiterer Seiteneinlaß des Absperrhahns 44,
der weiter vom Patienten entfernt ist, nimmt eine zusätzliche
Spritze 20' auf,
die zum raschen Nachspülen
mit Kochsalzlösung
unmittelbar nach der Kontrastmittelinjektion verwendet werden kann.
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Eine Tropfkammer 42d erlaubt
der Bedienperson festzustellen, ob der Verbindungsschlauch 14 im
Gefäß sitzt
und ordnungsgemäß funktioniert.
Hier ist ein Beutel 42a mit gewöhnlicher Kochsalzlösung oder
einer anderen geeigneten Flüssigkeit über die
Tropfkammer 42d an das proximale Ende des Verbindungsschlauchs 14 angeschlossen.
Die Bedienperson kann durch einen Blick auf die Tropfkammer 42d erkennen,
ob der Venenzugang ordnungsgemäß funktioniert.
Eine Rollenklemme 42c kann dazu verwendet werden zu verhindern, dass
die Kochsalzlösung
zu schnell in den Patienten fließt.
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Zu beachten ist, dass ein zu großer Kochsalzlösungsbeutel 42a für den Patienten
schädlich
sein kann, falls die gesamte Kochsalzlösung an den Patienten verabreicht
wird. Bei Verwendung eines kleinen Beutels mit Kochsalzlösung ist
die versehentliche Verabreichung der gesamten Menge nicht schädlich. Typischerweise enthält ein 250-ccm-Beutel
ausreichend viel Flüssigkeit
für die
gesamte Dauer der Untersuchung und verhindert eine Schädigung des
Patienten, wenn innerhalb kurzer Zeit (z. B. in weniger als 15 Minuten)
versehentlich der gesamte Beutelinhalt an den Patienten verabreicht
wird.
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Die dynamische Kontrastmittelinfusion
kann durch Verwendung eines Schlauchs 14 erleichtert werden,
der in den Magneten hineinreicht und der das Kontrastmittel infundierenden
Bedienperson den bequemen Stand außerhalb der Magnetumgebung
erlaubt, wo sie Zugang zu Bedientafeln des Bildgebungssystems 16 hat,
um die Abtastung zu starten. Wenn der Schlauch ausreichend lang
ist, kann die Bedienperson bequem beide Hände für die Infusion verwenden. Im
allgemeinen wird mit einer Hand der Kolben der Spritze und mit der
anderen Hand die Spritzenkammer gehalten.
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Bei den Ausführungsformen, bei denen die
Bedienperson außerhalb
der Magnetumgebung steht, kann ein Schlauch von mindestens 4 bis
6 Fuß Länge erforderlich
sein, damit der Schlauch nach außerhalb der Magnetumgebung
reicht. Der seitliche Einlaß für die Gadoliniuminfusion
sollte etwa 4 bis 7 Fuß vom
auf Venenpunktionsseite liegenden Ende des Schlauchs entfernt angeordnet
sein. Ein zweiter, ein paar Inch weiter entfernter seitlicher Einlaß ist zweckmäßig, damit
genügend
Platz gegeben ist, um sowohl die mit Gadolinium gefüllte Spritze
als auch die mit Kochsalz gefüllte
Spritze gleichzeitig anzu schließen.
Auf die Gadoliniuminfusion kann dann unmittelbar und ohne Zeitverlust
durch Spritzenwechsel eine Nachspülung mit Kochsalzlösung erfolgen.
Dadurch, dass oberhalb der seitlichen Einlässe jeweils ein Einwegeventil
in den Schlauch eingesetzt wird, können die Flüssigkeiten (Kontrastmittel
und Nachspülung)
nur in die richtige Richtung fließen, und es besteht nicht das
Risiko eines Rückflusses
im Schlauch. Eines der beiden Einwegeventile sollte zwischen den beiden
seitlichen Einlässen
liegen, damit kein Kontrastmittel in die für die Nachspülung verwendete
Spritze gelangen kann. Das ist vor allem dann wichtig, wenn das
Gadolinium so rasch injiziert wird, dass ein hoher Infusionsdruck
erforderlich ist. Das dem Patienten am nächsten liegende Einwegeventil
sollte durch eine Klemme oder ein anderes Durchflußverhinderungsmittel
ersetzt werden.
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Ein zusätzlicher (dritter) Einlaß beim distalen
Ende des Schlauchs an der Verbindungsstelle mit dem Patienten kann
ebenfalls zweckmäßig sein.
Dieser Einlaß kann
zur Behandlung etwaiger Reaktionen des Patienten auf das infundierte
Kontrastmittel verwendet werden. Wenn dieser dritte Einlaß dicht
beim Patienten liegt, wird die Distanz minimiert, die Arzneimittel
bis zum Eintritt in den Blutkreislauf des Patienten zurücklegen müssen. Es
ist anzunehmen, dass der Patient im Fall einer Kontrastmittelreaktion
sofort aus dem Magneten herausgenommen werden würde, so dass der dritte Einlaß dann gleich
zugänglich
wäre.
-
Sowohl das proximate als auch das
distale Ende des Schlauchs sollte mit medizinischen Standardverschlußklemmen
(luer lock) versehen sein. Am distalen Ende sollte eine Steckverbindung
sein. Zweckmäßig ist es,
das distale Ende mit einer Verriegelung zu versehen um zu verhindern,
dass sich der Schlauch unter dem erhöhten Druck bei schnellen Infusionen
vom Venenkatheter trennt. Ein Durchflußmesser, der der Bedienperson
die Kontrastmittelinfusionsgeschwindigkeit anzeigt, kann zweckmäßig sein.
-
Der Innendurchmesser des Schlauchs 14 kann
wichtig sein. Der Innendurchmesser des Schlauchs sollte so gewählt werden,
dass ein Mittelweg gefunden wird zwischen einem Durchmesser, der
so groß ist, dass
der Durchflußwiderstand
minimiert wird, aber nicht so groß, dass sich ein großer Totraum
er gibt. "Totraum" ist der Schlauchraum
zwischen der Venenpunktionsstelle im Arm des Patienten und dem Punkt,
an dem die Spritze 20 mit dem Schlauch 14 verbunden
ist.
-
Ein Schlauchinnendurchmesser von
etwa 0,08 Inch ergibt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Notwendigkeit,
den Widerstand zu minimieren, und der Notwendigkeit, den Totraum
bei Schläuchen
zu minimieren, die etwa 6 Fuß lang
sind, wenn Gadopentetatdimeglumin oder Gadodiamid als Kontrastmittel
verabreicht wird. Der Schlauch 14 kann aus Kunststoff,
Kautschuk oder einem anderen geeigneten (nichtmagnetischen) Material
sein. Der Schlauch 14 sollte biegsam sein, damit er sich
leicht an den Weg von der Veneneintrittsstelle im Arm des Patienten
nach außerhalb
der Magnetumgebung anpaßt.
Gelegentlich ist eine spiralig gewickelte Konfiguration des Schlauchs
zweckmäßig, damit
er aufgewickelt bleibt. Dadurch lassen sich Verwicklungen des Schlauchs
mit anderen Schläuchen
oder Drähten
in der Umgebung des Magneten und des Bildgebungssystems 16 besser
vermeiden.
-
Erfassungssystem
-
Das Erfassungssystem 110 erfaßt die Kontrastmittelkonzentration
im Zielbereich und insbesondere die "Ankunft" des Kontrastmittels im Zielbereich
sowie die dortige Kontrastmittelkonzentration. Zusätzlich hat das
Erfassungssystem 110 die Aufgabe, die Erfassung des zentralen
Teils des k-Raums durch das Bildgebungssystem 16 mit der
arteriellen Phase der Kontrastverstärkung im Zielbereich (Arterie
und Gewebe im Zielbereich) exakt zu synchronisieren.
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Das Erfassungssystem 110 überwacht
und erfaßt
in Zusammenwirkung mit dem Bildgebungssystem 16 die relative
Konzentration des Kontrastmittels im Zielbereich durch Vergleichen
des Resonanzsignals aus dem Zielbereich vor Verabreichung des Magnetresonanzkontrastmittels
an den Patienten mit dem Resonanzsignal aus dem Zielbereich während und/oder
nach Verabreichung des Kontrastmittels. Wenn das Erfassungssystem 110 eine
charakteristische Änderung
des Resonanzsignals auf den Magnetresonanzpuls mißt, startet das
Bildgebungssystem 16 das Sammeln der für den zentralen Teil des k-Raums
repräsentativen
Bilddaten.
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Wenn das Erfassungssystem 110 eingeschaltet
ist, mißt
es vor Verabreichung des Kontrastmittels an den Patienten und vor
Beginn der Bildgebungssequenz zunächst das Resonanzsignal aus
dem Zielbereich auf eine Reihe von Pulsen des Bildgebungssystems 16.
Dabei nimmt das Erfassungssystem 110 das Resonanzsignal
aus dem Zielbereich vor Verabreichung des Kontrastmittels auf. Dieses
Resonanzsignal kann als Grund- oder Vorkontrast-Resonanzsignal bezeichnet
werden.
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Nach Messung des Grund- oder Vorkontrast-Resonanzsignals
kann das Kontrastmittel an den Patienten verabreicht werden. Das
Erfassungssystem 110 mißt das Resonanzsignal aus dem
Zielbereich auf eine Reihe von Magnetresonanzpulsen des Bildgebungssystems 16.
Das Erfassungssystem 110 oder die Bedienperson können das
Resonanzsignal aus dem Zielbereich bewerten; um eine charakteristische Änderung
des Resonanzsignals aus dem Zielbereich festzustellen. Dieses charakteristische
Resonanzsignal zeigt an, dass das Kontrastmittel im Zielbereich
angekommen ist bzw. die arterielle Phase der Kontrastverstärkung beginnt.
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Der nachfolgende Betriebsablauf des
Erfassungssystems 110 hängt
ein wenig von den Parametern der Injektionsgeschwindigkeit des Injektionssystems 12 und
von der Datengewinnungstechnik und der Konfiguration des Bildgebungssystems 16 ab.
In den Fällen,
in denen die Injektion des Kontrastmittels im Bolus (d. h. mit hoher
Injektionsgeschwindigkeit) erfolgt, kann die charakteristische Änderung
des Resonanzsignals auf die Magnetresonanzpulse besagen, dass der
Zielbereich sich in der arteriellen Phase der Magnetresonanzkontrastverstärkung befindet
oder gerade in diese "eintritt". In diesem Fall
gibt das Erfassungssystem 110 an das Bildgebungssystem 16 den
Befehl, mit der Bildgebungssequenz zu beginnen. Das Bildgebungssystem 16 beginnt
sofort mit der Akquisition der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten.
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Die Magnetresonanzbildgebungs-Pulssequenz
sollte so erfolgen, dass die Daten für den zentralen Teil des k-Raums
zu Beginn der Sequenz gesammelt werden. Die Daten für die Peripherie
des k-Raums werden anschließend
gesammelt. Dabei sorgt das Erfassungssystem 110 für die exakte
Synchronisati on der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung mit
der Akquisition der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten.
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Wie bereits erwähnt, kann das Erfassungssystem 110 die
Konzentration des Kontrastmittels im Zielbereich auf verschiedene
Art und Weise erfassen, beispielsweise durch eine Änderung
der Amplitude des RF-Resonanzsignals.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
werden die Überwachungs-
und Bewertungsfunktionen des Erfassungssystems 110 und
des Bildgebungssystems 16 erst zu dem Zeitpunkt ausgelöst, zu dem
das Kontrastmittel im Zielbereich erwartet wird. Dabei können die
zum Erfassen/Überwachen
der "Ankunft" des Kontrastmittels
im Zielbereich ausgesandten Erfassungspulse ab Infusion des Kontrastmittels
in einem Grad verzögert
werden, der in Bezug steht zu der durch das Infusionssystem 10 bedingten
Zeitverzögerung
und zu der Zeitverzögerung,
die durch die Zeit bedingt ist, die das Kontrastmittel benötigt, um
von der Injektionsstelle durch den Körper in die Zielarterie zu
gelangen. Dadurch wird der Einsatz des Magnetresonanzbildgebungssystems 16 und
des Erfassungssystems 110 auf den Zeitraum beschränkt, für den die
maximale, eine erhöhte oder
eine wesentlich erhöhte
Kontrastmittelkonzentration angenommen wird.
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12 zeigt
das erfindungsgemäße Erfassungssystem 110.
Bei dieser Ausführungsform
weist das Erfassungssystem 110 eine Mikroprozessorsteuerung 112 und
einen Signalanalysator 114 (z. B. ein Oszilloskop) auf.
Die Mikroprozessorsteuerung 112 (die eine ausreichende
Speicherkapazität
aufweist) ist so programmiert, dass sie das Grund- oder Vorkontrast-Resonanzsignal
aus dem Zielbereich vor Verabreichung des Kontrastmittels sowie
die Kontrastmittelkonzentration im Zielbereich nach Verabreichung
des Kontrastmittels berechnet. Die Mikroprozessorsteuerung 112 erhält eine
elektrische Wiedergabe des Resonanzsignals vom Signalanalysator 114.
In Reaktion darauf berechnet die Mikroprozessorsteuerung 112 das
Grundresonanzsignal und die Kontrastmittelkonzentration im Zielbereich.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
steuert das Erfassungssystem 110 das Bildgebungssystem 16.
Dabei gibt das Erfassungssystem 110 an das Bildge bungssystem 16 den
Befehl, die vorgegebene Bildgebungssequenz, wie bereits erwähnt, zur
richtigen Zeit in Abhängigkeit
von der Erfassung einer charakteristischen Änderung des Resonanzsignals
aus dem Zielbereich zu starten. Die Mikroprozessorsteuerung 112 ist über elektrische
oder optische Kopplungsmittel 112a an das Bildgebungssystem 16 angeschlossen.
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Bei einer anderen Ausführungsform
weist die Mikroprozessorsteuerung 112 eine Bedienerschnittstelle auf,
die es der Bedienperson ermöglicht,
das vom Signalanalysator 114 gemessene Resonanzsignal aufzunehmen.
Bei dieser Ausführungsform
erleichtert die Mikroprozessorsteuerung 112 der Bedienperson
die Erkennung und die Analyse der Resonanzsignale sowie die Abschätzung der
Kontrastmittelkonzentration im Zielbereich. Die Mikroprozessorsteuerung 112 kann
eine optische und/oder eine akustische Anzeigeeinrichtung aufweisen,
die den Beginn der arteriellen Phase der Kontrastverstärkung oder
die Kontrastmittelkonzentration in der Zielarterie anzeigen. Eine
solche Konfiguration erleichtert die Synchronisation der Akquisition
der für
den zentralen Teil des k-Raums repräsentativen Bilddaten mit der
arteriellen Phase der Kontrastverstärkung.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die
Bedienperson das vom Signalanalysator 114 gemessene Signal zusätzlich zur
oder anstelle der Bedienerschnittstelle der Mikroprozessorsteuerung 112 aufnehmen
kann. In diesem Fall ist die Mikroprozessorsteuerung 112 nicht
unbedingt erforderlich.
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Armauflagen
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Ein wichtiges Detail ist die Plazierung
der Arme während
der Abtastung. Durch Anordnung von Armauflagen 120a und 120b zu
beiden Seiten des Rumpfs des Patienten (siehe 13A und 13B)
werden die Arme hochgelagert oder in die Luft gehoben. Das hat mehrere
wichtige Wirkungen. Durch Anheben der Arme wird zum einen die Kontrastmittelinjektionsstelle
angehoben, wodurch für
das Kontrastmittel ein abwärtsführender
Pfad entsteht, was den venösen
Rückfluß unterstützt. Unter
dieser Bedingung gelangt das Kontrastmittel rascher in die zentralen
Venen, so dass eine schnellere und besser vorhersagbare Zirkulationszeit
erreicht wird. Die Zirkulationszeit ist die Zeit, die das Kontrastmittel
(z. B. Gadolinium) braucht, um von der Infusionsstelle durch den
Körper
in die Zielarterie(n) zu gelangen.
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Ein weiterer Vorteil der Armauflagen 120a und 120b liegt
darin, dass sie verhindern, dass die Arme oder etwas anderes in
den Flankenbereich des Patienten gelangen, wo sie bei der bildlichen
Darstellung des Rumpfs bei koronar geführtem Volumen Aliasingeffekte
(Hüllartefakte)
hervorrufen könnten.
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In einer bestimmten Ausführungsform
können
die Auflagen 120a und 120b aus Schaumstoff oder
einem anderen Material mit einer geringen Dichte an Wasserstoffkernen
gefertigt sein. Damit soll sichergestellt werden, dass die Auflagen 120a und 120b bei
der Bildgebung nicht viele Signale und wenig Rauschen erzeugen.
Die Auflagen 120a und 120b sollten so lang sein,
dass die Arme auf der ganzen Länge
des Rumpfs angehoben werden. Bei Patienten mit breiten Hüften und
schmalem Rumpf kann es zweckmäßig sein,
die Auflagen im Hüftbereich
dünner
zu machen. Andererseits sollten die Auflagen so kurz sein, dass
sie bis zur Hüfte, aber
nicht darüber
hinaus reichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Armauflagen 120a und 120b aus 8 cm dickem
nichtmagnetischem Material geringer Dichte. Die Armauflagen 120a und 120b können Rechteckform
haben und vor der Bildgebung mit nichtmagnetischen Bändern, beispielsweise
einem Velcroband oder einem ähnlichen Material/Mittel
am Patienten oder am Bildgebungsgerät befestigt werden. Die Oberflächen 122a und 122b der Armauflagen 120a und 120b können an
die Körperform
des Patienten angepaßt
sein. Eine solche Form sorgt für
eine stabilere Lagerung, so dass es zu wenig oder gar keiner Bewegung
der Auflagen 120a und 120b relativ zum Patienten
kommt.
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Außerdem können die Oberseiten 122a und 122b der
Armauflagen 120a und 120b in Richtung auf den Patienten
abwärtsgeneigt
verlaufen. Eine solche Form ermöglicht
es den Armen, in entspanntem Zustand am Rumpf angewinkelt auf der
Oberseite der Auflagen 120a und 120b zu ruhen,
wodurch Armbewegungen des Patienten während der Bildgebung minimiert
werden.
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Nachbearbeitung
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Die Abtastdaten können nachbearbeitet werden.
Projektionsbilder maximaler Intensität (MIP) sind für die rasche
Untersuchung der gesamten arteriellen Zirkulation im interessierenden
Bereich zweckmäßig. Es kann
zweckmäßig sein,
die Daten der speziell interessierenden Arterien umzuformatieren
und selektiv zusammenzufassen bzw. zusammenzulegen (collapse). Zusätzlicher
Kontrast kann erreicht werden durch digitales Subtrahieren der vor
Gadoliniumverabreichung gewonnenen Daten von den dynamisch während der
Gadoliniumverabreichung gewonnenen Daten. Volumenwiedergabe (volume
rendering) und Oberflächenwiedergabe (surface
rendering) können
ebenfalls zweckmäßig sein
und sind mit den kontrastreichen Volumendatensätzen möglich.
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Zusätzliche Sequenzen
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Nach Durchführung einer dynamischen kontrastverstärkten Abtastung
können
zusätzliche
MR-Angiogrammbilder erstellt werden, in denen sowohl die Arterien
als auch die Venen sowie die Leber, die Milz, die Niere und andere
Organe hervorgehoben sind. Auch die Phasenkontrast-Magnetresonanzangiographie
läßt sich
nach Verabreichung eines Magnetresonanz-Kontrastmittels besser durchführen. Es
ist dann möglich,
dynamisch verstärkte
Szintigramme zur Sichtbarmachung hauptsächlich der Arterien mit einem
oder mehreren nach Gadoliniumverabreichung (Kontrastmittel) erstellten
Szintigrammen zu kombinieren, um anatomische oder physiologische
Fragestellungen zu lösen,
die für
den Zustand des Patienten wichtig sein können.