MR Fingerprinting von Patienten mit Gliomas

Fortgeschrittene, konventionelle MR-Bildgebung von Gehirntumoren basiert hauptsächlich auf Kontrastbildern und ist zeitintensiv. Um diese Limitationen zu überwinden wurde MR-Fingerprinting (MRF) eingeführt, ein fundamental neuer Zugang zur Datenakquisition, zum Postprocessing und zur Visualisierung im MR, der auf einer einzigen schnellen MR-Sequenz beruht. MRF verwendet eine pseudozufällige Akquisition von bis zu 3000 Bildern in einer einzigen Sequenz, die eine einzigartige Signalentwicklung oder einen Fingerabdruck liefert, der gleichzeitig eine Funktion verschiedener Gewebsparameter darstellt. Das Postprocessing besteht aus einer Mustererkennung um die Fingerabdrücke zu bestimmen, die mit einer vordefinierten Datenbank am besten übereinstimmen. Diese Datenbank wurde aus vorhergesagten Signalentwicklungen berechnet und auf Grund der vorliegenden Übereinstimmung kann dann die individuelle Signalentwicklung in quantitative Karten umgewandelt werden. Die durch das MRF erhaltenen T1 und T2 Werte können auch verwendet werden, um synthetische Kontrastbilder zu erstellen. Unsere Hypothese ist, dass MRF als eine einzige schnelle Sequenz für die Evaluation von Hirntumoren liefert mehrere konventionelle MR-Sequenzen ersetzen kann, die bisher in einem fortgeschritten Hirntumorprotokoll verwendet wurden. Die gleichzeitige Erstellung von T1 und T2 Karten kann Informationen über den Grad und die Ausdehnung von Gliomen liefern, die bisher nur mit einem konventionellen fortgeschrittenen Tumorprotokoll im MR möglich waren. In der Verlaufskontrolle sollte mittels MRF eine erhöhte Nachweisrate von Rezidivtumoren bei hochgradigen Gliomen möglich sein. Methoden, um diese Hypothesen zu prüfen, sollen folgende Phasen fassen: 1.) Phantomtest der mit MRF erhaltenen T1 und T2 Werten und Vergleich mit den konventionell erhaltenen T1 und T2 Werten. 2.) Anwendung der im Phantomtest validierten MRF-Sequenz und Protokolloptimierung bei 10 Probanden. 3.) Die humane Anwendung von MRF bei 50 Patienten mit niedrigen und hochgradigen Gliomen. Die Überprüfung der MR basierten Auswertung des Tumors, der Tumorumgebung und des normal erscheinenden Hirngewebes soll mit den histologischen Präparat- Analysen nach Operation der Tumore durchgeführt werden. Die mit MRF in einer einzigen Sequenz von 5 min gewonnenen T1 und T2 Werte werden mit einem konventionellen fortgeschrittenen Tumorprotokoll verglichen, das ca. 60 Minuten Zeitaufwand erfordert.

Fortgeschrittene konventionelle MR Bildgebung von Hirntumoren basiert hauptsächlich auf Kontrast Bildern und ist zeitaufwendig. Um diese Limitationen zu überwinden bietet MR Fingerprinting (MRF) einen fundamental neuen Zugang zur Datenakquisition, zum Postprocessing und zur Quantifizierung mittels einer einzigen schnellen Sequenz an. MRF verwendet die zufällige Datenakquisition die verursacht, dass die Signale von verschiedenen Gewebearten eine einzigartige Signal Entwicklung über die Zeit, ein sogenanntes Fingerprint, zeigen, das gleichzeitig eine Funktion der verschiedenen Gewebseigenschaften darstellt. Das Postprocessing beinhaltet einen Mustererkennungsalgorithmus um diese "Fingerabdrücke" mit einer vorgefertigten Datenbank von berechneten Signal Entwicklungen also einer großen Zahl von Fingerabdrücken zu vergleichen und bei der besten Übereinstimmung für den jeweiligen Patienten und sein Gewebe in die entsprechenden quantitativen Bilder umzuwandeln. Von diesen mittels MRF abgeleiteten T1 und T2 Relaxationszeiten können auch synthetische Kontrastbilder erstellt werden. In diesen Projekt haben wir mit Siemens Healthineers als Kooperationspartner eine optimierte MRF Sequenz für Neuroanwendungen entwickelt, implementiert und in einer klinischen Studie eingesetzt. Eine weitere wichtige Erkenntnis in diesem Projekt war der Nachweis einer Bewegungsempfindlichkeit der MRF Sequenz und die Entwicklung von Strategien um diese Artefakte zu erkennen und zu eliminieren, Artefakte, die international bisher nicht bekannt waren. Nach Ko-Registrierung zwischen Bildern, die mittels MRF und einem fortgeschrittenem Tumorprotokoll mit mehreren Sequenzen erhalten wurden, haben wir eine quantitative Auswertung in einem Kollektiv von 35 Patienten durchgeführt. Die Übereinstimmung zwischen den Relaxationszeiten der MRF Sequenz und den konventionell gemessenen Werte war sehr hoch, es fand sich eine hohe Korrelation zwischen den MRF T1 und T2 Zeiten und den entsprechenden konventionell gemessenen Werten. Die Auswertung des pathologischen Gewebes auf den ko-registrierten Bildern mit Bezug auf die quantitativen Gewebeparameter wurde in vier Regionen durchgeführt: dem soliden Anteil des Tumors, dem perifokalem Ödem, der periläsionalen normal erscheinenden weißen Substanz und in der kontralateralen weißen Substanz des Frontallappens. Es zeigte sich eine ausgezeichnete Differenzierung dieser Gewebe durch die MRF Parameter. Weiters konnten wir zeigen, dass die MRF T1 und T2 Werte im soliden Tumoranteil signifikant höher in IDH mutanten Tumoren gegenüber IDH Wildtyp waren, was das Potential des Einsatzes des nicht-invasivem MR, besonders mit MRF ermittelten T1 und T2 Zeiten als Biomarker für die Unterscheidung von Gliomen hinsichtlich der IDH Mutation zeigt, ein wichtiger einflussreicher Faktor für die individuelle Therapieplanung und die Prognose der Patienten. Zusätzlich haben wir die Beziehung zwischen den pathologischen MR Relaxationszeiten ermittelt mit MRF und anderen metabolischen Imaging Methoden wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die MR spektroskopische Bildgebung auf 7 Tesla im selben Patient Kollektiv untersucht. Der Vergleich PRF und PET hat gezeigt, dass beide quantitative Messungen mit hoher Voraussagekraft für das Grading und die unterschiedlichen Tumorregionen von Gliomen zeigen nichtsdestotrotz sind die Ergebnisse nicht ähnlich, da sie unterschiedliche zugrundeliegenden Mechanismen der jeweiligen Methode reflektieren.