Magnetic resonance imaging and interventions in an open 1-Tesla scanner

Ziel der im Rahmen dieser Habilitationsschrift vorgestellten und zusammengefassten Veröffentlichungen war es, Anwendungen der 1 T Magnetresonanztomographie bei offenem Scannerkonzept unter Berücksichtigung der Optionen in diagnostischer Bildgebung (1.), experimenteller Intervention (2.) und humaner Interventionen an der Wirbelsäule (3.) zu evaluieren und wenn möglich zu erweitern. Die diagnostische Bildgebung wurde bei ausgeprägt fettleibigen Patienten und in der nativen Gefäßdarstellung in einem offenen MRT bei 1 T evaluiert, zudem gelang weltweit erstmals die nahezu-Echtzeit- Bildgebung der Austreibungs- und Plazentar-Periode in der Magnetresonanztomographie (Publikationen 1-3). Bei einem Kollektiv von drei Adipositas Grad II (35-39,99) und 23 Grad III (BMI ≥ 40) Patienten (WHO Klassifikation), bei denen Untersuchungen per CT, Standard-Tunnel-MRT oder Sonographie nicht möglich oder nicht zielführend waren, konnten relevante neue Diagnosen in 30 % (8/26) identifiziert werden. Die zur Überweisung führende medizinische Verdachtsdiagnose konnte als Ursache für den jeweiligen medizinischen Zustand in 53 % (14/26) ausgeschlossen werden. Im Vergleich zu einem normgewichtigen Patientenkollektiv konnte eine geringere, aber oftmals suffiziente Bildqualität, die anhand von SNR und CNR quantifiziert wurde, aufgezeigt werden (Publikation 1). Die native MR-TOF Gefäßdarstellung der unteren Extremität wurde mit der DSA in einem prospektiven Design an sieben Patienten (Durchschnittsalter 68 Jahre) verglichen. Hierzu wurden 1134 Gefäßdurchmesser an 81 für MR-TOF Angiographie und DSA korrespondierenden Messpunkten gemessen. Das beschriebene MR-TOF Angiographie Protokoll war bei einem Zeitaufwand von 60-90 Minuten durchführbar. Während eine solide Korrelation der arteriellen Hauptstrombahn im Becken und Oberschenkel aufgezeigt werden konnte, verzeichnete der Unterschenkel-Gefäßverlauf ein Mischbild an guten wie auch nicht soliden bzw. nicht verwertbaren Korrelationen. Darstellungsbeeinträchtigungen ergeben sich insbesondere, wenn das darzustellende Gefäß vom orthogonalen Verlauf der gesetzten Flussebene abweicht (1.) und wenn die Signalausbeute aufgrund geringen Gefäßkalibers klein ist (2.) (Publikation 2). Erstmalig konnte gezeigt werden, dass CTG- überwachte nahezu-Echtzeit-Bildgebung während der Austreibungs- und Plazentar- Periode in einem offenen MRT bei 1 T möglich ist. Die erreichte Bildqualität scheint geeignet, um in zukünftigen Studien einen Erkenntnisbeitrag für Modelle der Geburtssimulation zu leisten bzw. ggf. diese zu erweitern. Experimentelle Interventionen wurden ex vivo und in vivo durchgeführt (Publikationen 4 und 5): Ex vivo wurde das Ausmaß von Mikrowellen-Ablationen (MWA) in boviner Leber nach verschiedenen Flüssigkeitsinjektionen durch MR Volumetrie erfasst, in vivo wurden porcine renale sympathische Denervationen mittels periarterieller Ethanolinjektion vorgenommen. Die MWA (n = 50) führten für die evaluierten Flüssigkeitsarten, -mengen bzw. -konzentrationen (10 ml H2O, 10 ml 0,9 % NaCl, 10 ml 6 % NaCl, 10 ml 12 % NaCl) im Vergleich zur Kontrollgruppe jeweils zu keiner signifikanten Vergrößerung des visualisierten Ablationsvolumens. Die in zwei verschiedenen Sequenzen visualisierten Ablationsvolumina zeigten jedoch sowohl allgemein einen signifikanten Unterschied zueinander (p < 0,001), wie auch zwischen den jeweiligen Gruppen (Kontrollgruppen, p ≤ 0,001; H2O, p < 0,001; 0,9 % NaCl, p < 0,001; 6 % NaCl, p ≤ 0,001; 12 % NaCl, p < 0,001). Es scheint wichtig, als Interventionalist Erfahrung in der Interpretation postinterventioneller Bildgebung zu sammeln und insbesondere mit dem jeweiligen MRT, den verwendeten spezifischen Sequenzen und Parametern gut vertraut zu sein, um postinterventionelle Ergebnisse auch akkurat einschätzen zu können (Publikation 4). Die renale sympathische Denervation durch periarterielle Ethanolinjektion erwies sich im Schweinemodell als durchführbar und bei Behandlung mit 10 ml Ethanol sowohl bzgl. neuraler Degeneration als auch bzgl. Reduktion der Noradrenalin- Konzentration (53 % im Vergleich zur Gegenseite; p < 0,02) als wirksam. Die Technik könnte eine potenzielle Alternative zur Katheter-basierten Behandlung therapierefraktären arteriellen Bluthochdrucks darstellen (Publikation 5). Optionen für humane Interventionen an der Wirbelsäule in einem offenen Scannerkonzept wurden für minimal invasive Aspiration symptomatischer lumbosakraler Zysten, periradikuläre lumbosakrale Schmerztherapie, Wirbelsäuleninterventionen unter Nutzung einer Schmetterlings-Spule (engl.: „butterfly coil“) und für Facettengelenksinfiltrationen aufgezeigt (Publikationen 6-9). Mit einem technischen Erfolg bei sieben von initial elf lumbosakralen Zystenaspirationen (63 %) besitzt die lumbosakrale Zystenaspiration im offenen Scannerkonzept in Kombination mit abgestimmten interaktiven Sequenzen großes Potenzial, zumal wesentliche Vorteile insbesondere in der minimalen Invasivität mit konsekutiv geringerem Trauma, geringerem Stress und geringeren unerwünschten Wirkungen im Vergleich zu chirurgischen Optionen zu erwarten sind (Publikation 6). 249 periradikuläre lumbosakrale Nervenwurzelinfiltrationen konnten bei 141 Patienten in nahezu- Echtzeit-Bildgebung genau, sicher und wirksam in der Behandlung konservativ refraktärer radikulärer Schmerzsyndrome angewandt werden: Von insgesamt 103 in die Auswertung eingeschlossenen Patienten (197 Injektionen) berichteten 14,6 % eine komplette Remission des radikulären Schmerzes, 53,4 % eine signifikante, 22,3 % eine milde und 9,7 % keine Schmerzlinderung. Es zeigte sich eine signifikante Abnahme der visuellen Analogskala-Bewertung im sechsmonatigen Beobachtungszeitraum (p < 0,001). Die Technik kann insbesondere aufgrund der fehlenden Strahlenexposition eine interessante Alternative zu fluoroskopisch- oder CT-gestützter lumbosakraler Schmerztherapie darstellen, vor allem bei jungen Patienten und Patienten, bei denen die Prozedur mehrmals wiederholt werden muss (Publikation 7). Die an 15 Patienten per qualitativer und quantitativer Bildanalyse (inklusive Erhebung von Werten für Kontrast, SNR, CNR und FWHM) evaluierte Schmetterlings-Spule kann als valide Alternative zur konventionell genutzten Ringspule für Interventionen angewendet werden, insbesondere wenn Patienten nicht in Seitenlage liegen können (bzw. dies nicht präferieren), oder wenn Bauchlagerung des Patienten einen günstigeren Zugang zur Zielzone erwarten lässt (Publikation 8). 166 MRT-gestützte lumbosakrale Facettengelenksinfiltrationen konnten bei 45 Patienten genau, sicher und wirksam zur symptomatischen Therapie von Schmerzen im unteren Rücken beitragen: Von insgesamt 38 in die Auswertung eingeschlossenen Patienten berichteten 63 % (24 Patienten) eine unmittelbare Wirkung, nach drei Monaten 40 % (15 Patienten), nach 6 Monaten 34 % (13 Patienten) und nach zwölf Monaten 24 % (neun Patienten) einen anhaltenden positiven Effekt. Es zeigte sich in diesem Beobachtungszeitraum eine signifikante Abnahme der visuellen Analogskala-Bewertung (p < 0,01) von 7,1 ± 1,7 zu 3,5 ± 2,2, 4,1 ± 3,0, 3,8 ± 2,9 und 4,6 ± 2,9 im zwölften Monat. Die Methode ist eine strahlenfreie Alternative zu fluoroskopisch- und CT-gestützter Bildgebung bei vergleichbaren klinischen Ergebnissen (Publikation 9). Das offene Scannerkonzept kann die Möglichkeiten für Bildgebung und Intervention erweitern. Unabhängig von Scannerkonzept und Feldstärke wird kontinuierliche und konsequente interdisziplinäre Forschung zeigen müssen, ob und wie eine weitere Diversifizierung des Spektrums und insbesondere die Realisierung komplexerer MRT Interventionen zum Wohle der Patienten gelingt.The aim of the publications presented and summarized in this habilitation thesis was to evaluate and, if possible expand, applications of 1-T magnetic resonance imaging in an open scanner. Specifically, the publications explored options in diagnostic imaging (1), experimental interventions (2), and human interventions on the spine (3). Diagnostic imaging in an open 1-T scanner was evaluated in extremely obese patients and for vascular imaging without contrast medium. Moreover, the world's first near-real-time monitoring of the fetal and placental expulsion period using magnetic resonance imaging (MRI) was accomplished (publications 1-3). In a population of obese patients - including three with WHO class II obesity (BMI 35 to 39.99) and 23 with class III (BMI ≥ 40) - in whom computed tomography (CT), MRI in a normal-bore scanner, or ultrasonography were not possible or not conclusive, imaging in the open scanner yielded relevant new diagnoses in 30% of cases (8/26). The tentative medical diagnosis leading to referral could be ruled out as the cause of the particular medical condition in 53% (14/26). Compared to a normal-weight patient group, image quality, which was quantified on the basis of signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR), was lower, but often sufficient (publication 1). Non-contrast-enhanced time-of-flight MR angiography (TOF-MRA) of the lower extremity was compared with digital subtraction angiography (DSA) in a prospective design in seven patients (mean age 68 years). A total of 1134 vascular diameters in 81 corresponding sites were prospectively measured by TOF-MRA and DSA in seven patients. It took 60 – 90 minutes to perform the TOF-MRA protocol used in this study. While a strong correlation was demonstrated for the main arteries in the pelvis and thigh, the levels below the knee showed a mixed picture of good but also non-solid or non-utilizable correlations. TOF-MRA can be degraded especially if the vessel to be depicted is not orthogonal to the imaging plane (1) and if the vessel caliber is small and signal yield is poor (2) (publication 2). For the first time, it was demonstrated that CTG-monitored near-real-time imaging during the fetal and placental expulsion period is possible in an open 1-T MRI system. The image quality appears suitable to gain new insights in future studies, which might contribute to models of birth simulation or their further development. Experimental interventions were performed ex vivo and in vivo (publications 4 and 5): ex vivo, the extent of microwave ablation (MWA) in bovine liver was assessed after different fluid preinjections using MR volumetry; in vivo porcine renal sympathetic denervation was performed using periarterial ethanol injection. The MWA procedures (n = 50) performed with different types of liquid, amounts, and concentrations (10 ml H2O, 10 ml of 0.9 % NaCl, 10 ml of 6 % NaCl, 10 ml of 12 % NaCl) did not result in a significant increase in visualized ablation volumes compared to controls. However, the ablation volumes visualized with two different pulse sequences were significantly different from each other (p <0.001), and there were also significant differences in ablation volumes depending on the respective type of preinjection (control groups, p ≤ 0.001; H2O, p < 0.001; 0.9% NaCl, p < 0.001; 6 % NaCl, p ≤ 0.001; 12 % NaCl, p <0.001). It seems important for an Interventionalist to gather experience in interpreting postinterventional imaging findings and in particular to be familiar with the MR scanner, the pulse sequences, and imaging parameters used in order to interpret postinterventional findings correctly (publication 4). Renal sympathetic denervation by periarterial ethanol injection in a pig model proved to be feasible and, when performed with 10 ml of ethanol, effective, in terms of both neural degeneration and reduction of norepinephrine levels (53 % compared to the contralateral side, p < 0.02). The technique might be a potential alternative to catheter-based treatment of refractory arterial hypertension (publication 5). The feasibility of human interventions on the spine in an open MRI scanner was demonstrated for minimally invasive aspiration of symptomatic lumbosacral cysts, peri-radicular lumbosacral pain therapy, spinal interventions using a butterfly coil, and facet joint infiltrations (publications 6-9). With technical success in seven of eleven interventions (63%), lumbosacral cyst aspiration in an open scanner, in conjunction with the use of dedicated interactive pulse sequences, has great potential, especially since the minimal invasiveness offers significant advantages by reducing trauma, stress, and adverse effects compared with surgery (publication 6). A total of 249 periradicular lumbosacral nerve root infiltrations in 141 patients were performed accurately, safely, and effectively using near-real- time imaging for the treatment of radicular pain syndromes refractory to conservative treatment: from a total of 103 patients (197 injections) included in the evaluation, 14.6 % reported complete relief of radicular pain, 53.4 % significant relief, 22.3 % mild relief, and 9.7 % no pain relief. There was a significant decrease in the visual analog scale ratings over the six-month observation period (p < 0.001). The technique is an interesting alternative to fluoroscopy- or CT-assisted lumbosacral pain treatment because it does not involve radiation exposure, which is especially important in young patients and in patients in whom the procedure must be repeated several times (publication 7). The butterfly coil was evaluated in 15 patients by qualitative and quantitative image analysis (including determination of contrast, SNR, CNR, and FWHM), and the results show that it is a valid alternative to a conventional single-loop surface coil, particularly if patients cannot (or prefer not to) be in a lateral decubitus position, or if prone positioning enables better access to the target zone (publication 8). A total of 166 MR-guided lumbosacral facet joint infiltrations were performed accurately, safely, and effectively, contributing to the symptomatic treatment of low back pain in 45 patients: of a total of 38 patients included in the analysis, 63 % (24 patients) reported a direct effect, 40 % (15 patients) after three months, and 34 % (13 patients) after 6 months; and 24 % (nine patients) reported a sustained positive effect after 12 months. Over the 12-month observation period, visual analog scale assessment decreased significantly (p < 0.01) from 7.1 ± 1.7 to 3.5 ± 2.2, 4.1 ± 3.0, 3.8 ± 2.9, and 4.6 ± 2.9. The method is a radiation-free alternative to fluoroscopy- and CT-guided imaging with comparable clinical outcomes (publication 9). The use of an open MRI scanner can expand the range of imaging indications and interventions. Regardless of the MR scanner type and the field strength used, we need continuous and targeted interdisciplinary research to show whether and how further diversification of the spectrum of interventions and in particular the establishment of more complex MRI-guided interventions can be accomplished and will benefit our patients