Kernspinresonantie-angiografie

Klinische praktijk
C.J.G. Bakker
P. Buijs
L. Ramos
R.B.J. Klop
B.C. Eikelboom
W.P.T.M. Mali
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1993;137:345-50
Download PDF

Kernspinresonantie-tomografie (‘magnetic resonance imaging’, MRI) heeft zich de afgelopen jaren een belangrijke plaats verworven in de klinische diagnostiek, een positie die zich naar verwachting de komende jaren nog verder zal versterken. MRI is non-invasief, maakt geen gebruik van ioniserende straling, geeft een groot contrast tussen verschillende zachte weefsels, biedt de mogelijkheid van willekeurig georiënteerde scan-vlakken en is vrij van schadelijke bijwerkingen. Als diagnostische modaliteit is MRI in het bijzonder succesvol gebleken op het gebied van de hersenen, de wervelkolom, het bewegingsapparaat en de inwendige organen.

Een bijzonderheid van MRI is dat ook stroming van lichaamsvloeistoffen ermee zichtbaar gemaakt kan worden, bijvoorbeeld die van de liquor cerebrospinalis in het ventrikelsysteem en in het centrale kanaal van het ruggemerg, maar ook die van het bloed in het hart, de aders en de slagaders. Men spreekt in dit verband wel van kernspinresonantie-angiografie (‘magnetic resonance’-angiografie, MRA). Faciliteiten voor MRA zijn tegenwoordig vrijwel standaard op MRI-scanners aanwezig en in de literatuur wordt in toenemende mate over de klinische toepassingsmogelijkheden gerapporteerd.1-7

In dit overzichtsartikel gaan wij achtereenvolgens in op de wijze waarop stroming zich in conventionele MRI-opnamen manifesteert, op de belangrijkste MRA-methoden die thans ter beschikking staan en op de stand van zaken met betrekking tot de klinische toepassing van MRA.

Stromingseffecten in mri-beelden

In de totstandkoming van een MRI-opname kunnen verschillende stappen worden onderscheiden. Om te beginnen worden de waterstofprotonen in de af te beelden plak met behulp van een zendspoel geëxciteerd. Vervolgens worden deze protonen met behulp van een plaatsafhankelijk magneetveld, het zogenaamde gradiëntveld, gecodeerd, waarna de aldus gecodeerde signalen met een detectiespoel worden opgevangen en gedecodeerd. Na een zekere wachttijd, nodig voor het evenwichtsherstel van de protonen in de plak, wordt deze cyclus herhaald met een gewijzigde codering. Uit een serie verschillend gecodeerde metingen laat zich ten slotte een MRI-beeld van de plak reconstrueren.

Het contrast in een MR-afbeelding wordt bepaald door de protonenconcentratie (lees: het watergehalte) en de relaxatietijden T1 en T2 van de afgebeelde weefsels en door de timing van het experiment. Zo zal een korte wachttijd tussen opeenvolgende excitaties leiden tot relatief zwakke signalen voor weefsels met een relatief lange relaxatietijd T1. De gegeven herstelperiode is voor deze weefsels te kort, waardoor verzadiging optreedt en een verzwakt signaal wordt afgegeven. Deze analyse van het contrast in MRI is strikt genomen alleen geldig voor stationaire weefsels en gaat niet op voor stromend bloed. Door stroming wordt namelijk zowel de plaatscodering van de protonen als de signaalsterkte beïnvloed. Grotere bloedvaten (met een diameter > 0,5 mm) manifesteren zich in een MRI-afbeelding dan ook door een grillig signaal en door met stroming gepaard gaande artefacten. Verschillende fysiologische en opnametechnische factoren blijken van invloed op de wijze waarop stromend bloed zich in het beeld presenteert. Deze factoren hebben in het algemeen betrekking op zowel de amplitude als de fase van het gedetecteerde signaal.

Amplitude-effecten, ook wel ‘time-of-flight’ (TOF)effecten genoemd, ontstaan onder andere doordat excitatie en detectie in MRI niet gelijktijdig plaatsvinden en doordat bewegende protonen zich eerder dan stationaire spins aan verzadiging door een reeks excitatiepulsen onttrekken. Kruist een bloedvat bijvoorbeeld een af te beelden plak (figuur 1), dan zal het bloed dat op tijdstip t geëxciteerd is, zich ten tijde van detectie (op tijdstip t dt) al weer gedeeltelijk buiten deze plak bevinden en derhalve een verminderd signaal genereren. In de Angelsaksische literatuur worden de op dit uitstroomeffect gebaseerde MRA-technieken aangeduid met ‘black blood imaging’. Figuur 1 kan ook dienen om een ander effect van stroming duidelijk te maken. Wordt een zelfde plak met korte tussenpozen, dt, geëxciteerd, dan zal een zekere verzadiging van stationaire weefsels optreden. Bloed onttrekt zich hieraan door continue verversing en zal daarom op grond van dit mechanisme een relatief sterk signaal genereren. In de Angelsaksische literatuur spreekt men van ‘flow related enhancement’ en worden de op dit instroomeffect gebaseerde MRA-technieken aangeduid met ‘bright blood imaging’.

Fase-effecten ontstaan als protonen zich in een plaatsafhankelijk magneetveld verplaatsen. In het eenvoudigste geval van eenparige beweging ondergaan bewegende protonen in een zeker tijdsinterval een fasedraaiing ten opzichte van stationaire protonen die evenredig is met hun snelheid en de duur van het interval. Met behulp van fasegevoelige detectietechnieken kan deze faseverschuiving worden gemeten en kan de beweegsnelheid worden berekend. In de praktijk wordt de interpretatie van dergelijke metingen bemoeilijkt doordat de protonen zich met verschillende snelheden binnen een af te beelden volume-elementje verplaatsen, hetgeen leidt tot defasering en signaalverlies.

Mra-methoden

Beperken wij ons tot de MRA-methoden die de afgelopen jaren op commerciële MR-systemen zijn geïmplementeerd, dan kan onderscheid worden gemaakt tussen time-of-flight-methoden (TOF-angiografie), waarin de instroming van onverzadigd bloed in de af te beelden plak of het af te beelden volume wordt gedetecteerd, en fasecontrast-angiografie, waarin met behulp van een plaatsafhankelijk magneetveld een snelheidsafhankelijke faseverschuiving tussen stationaire weefsels en stromend bloed wordt gecreëerd. Van beide methoden zijn twee- en driedimensionale varianten beschreven en toegepast.

Time-of-flight-angiografie

Bij de tweedimensionale variant van de TOF-methode wordt met behulp van een gradiënt-echo-sequentie, een standaardmethode voor het maken van MR-afbeeldingen, plak voor plak een serie aansluitende coupes van het doelgebied verkregen. Door toepassing van korte repetitietijden zullen stationaire weefsels een sterke verzadiging te zien geven; en zich als signaalarm presenteren, terwijl instromend bloed onverzadigd is en een sterk signaal afgeeft. Dit geldt zowel voor arterieel als voor veneus bloed (figuur 2, a). Onderdrukking van het instroomeffect is mogelijk door steeds vóór excitatie van de af te beelden plak stroomopwaarts de magnetisatie met behulp van extra pulsen en gradiëntvelden over een groot gebied te verzadigen. Enkelzijdige toepassing van deze presaturatietechniek kan worden gebruikt om arteriële of veneuze instroomeffecten te elimineren (zie figuur 2, b). De effectiviteit hangt uiteraard af van de lokale geometrie van het vaatstelsel, van de timing van het experiment, de gekozen plakdikte, en de snelheidsverdeling en de relaxatieeigenschappen van het stromende medium. Een weloverwogen keuze van de gebieden die worden gepresatureerd biedt derhalve mogelijkheden om selectieve angiografie te bedrijven en het verzorgingsgebied van vaten te traceren.

Bij de driedimensionale variant van de TOF-techniek wordt een relatief dik gebied van bijvoorbeeld 32 mm geëxciteerd, dat met behulp van magnetische codering in dunnere plakken wordt verdeeld. De driedimensionale TOF-methode heeft als voordelen boven de tweedimensionale techniek een grotere signaal-ruisverhouding en de mogelijkheid van dunnere plakken en kortere acquisitietijden. Als belangrijkste nadelen gelden de geringere gevoeligheid voor langzame stroming en de relatief grote gevoeligheid voor beweging tijdens de acquisitie (slikken, ademhaling).

Twee- en driedimensionale TOF-angiografie leveren beide een serie evenwijdige plakken van het doelgebied, waarin de bloedvaten de hoogste intensiteit vertegenwoordigen. Met behulp van het ‘maximum-intensity-projection’-algoritme kan uit deze afzonderlijke beelden een serie projectiebeelden worden afgeleid (figuur 3). Weergegeven als videofilm geven deze projecties een ruimtelijke indruk van de afgebeelde vaatstructuur, die de interpretatie kan vergemakkelijken. Om hinderlijke overprojecties te voorkomen kan de beschreven procedure ook op een willekeurig deelgebied worden toegepast.

Fasecontrast-angiografie

Fasecontrast-angiografie is een subtractietechniek waarbij de basisbeelden worden verkregen met behulp van een meetcyclus waarvan de stromingsgevoeligheid kan worden gevarieerd zonder dat er voor de stationaire weefsels iets verandert. Afhankelijk van de uitvoering van het experiment geven de resulterende subtractiebeelden informatie over de richting en de grootte van verschillende snelheidscomponenten. De methode is gevoeliger voor langzame stroming dan de TOF-methode, maar is tijdrovender en bewerkelijker en stelt hogere eisen aan de apparatuur.

Toepassingen

Het aantal onderzoeken waarin de waarde van MRA voor goed gedefinieerde patiëntenpopulaties wordt vergeleken met die van conventionele technieken is tot op heden nog zeer beperkt. Het is daarom voorbarig nu reeds conclusies te trekken omtrent de klinische toepasbaarheid, te meer daar MRA ook op het technische vlak nog volop in ontwikkeling is (snellere scan-technieken, speciale detectiespoelen et cetera).

De meeste aandacht is tot nog toe uitgegaan naar het onderzoek van de intra- en extracraniële circulatie en dit zijn dan ook de terreinen waarop een zekere mate van consensus is ontstaan met betrekking tot de optimale techniek. In MRA-onderzoeken van de intracraniële vaten wordt, vanwege de hoge eisen die aan het oplossend vermogen worden gesteld, meestal gebruik gemaakt van driedimensionale technieken. Een voorbeeld hiervan geeft figuur 4 (a), een axiaal projectiebeeld van een driedimensionale TOF-opname van de hersenen ter hoogte van de cirkel van Willis, met een scantijd van 7 min. Vergelijking van de figuren 4 (a) en (b), respectievelijk verkregen met de driedimensionale en de tweedimensionale methode, leert dat de winst in resolutie bij de driedimensionale opname betaald moet worden met een verlies in gevoeligheid. Intracraniële MRA wordt in de literatuur onder meer toegepast voor het aantonen en na behandeling volgen van aneurysmata (figuur 5, a), van arterio-veneuze malformaties (zie figuur 5, b), atherosclerotische plaques en tumoren. Meestal gaat het hier om preliminaire onderzoeken en vooralsnog ontbreekt een goed vergelijkend onderzoek met conventionele angiografie.

Onderzoek van de halsvaten vindt meestal plaats met de tweedimensionale TOF-methode. Figuur 6 (a-d) geeft een voorbeeld van een MRA-onderzoek van de carotis-vaten. Figuur 6 (a) is een sagittale overzichtsopname van het te onderzoeken gebied. Figuur 6 (b) toont een van de 64 transversale tweedimensionale TOF-opnamen van de halsvaten. Arteriën en venen presenteren zich in deze opnamen als hyperintens door het instroomeffect. Figuur 6 (c) toont dezelfde plak, maar nu met veneuze presaturatie, waardoor een arteriogram verkregen wordt. Figuur 6 (d) toont een laterale projectie van de 64 oorspronkelijke beelden uit dit onderzoek voor de rechter carotidenbifurcatie.

Een hardnekkig probleem bij MRA wordt gevormd door de met turbulentie en complexe stroming samenhangende signaalverliezen die abusievelijk als stenosering kunnen worden geduid of tot een overschatting van de stenoseringsgraad leiden. Bekend is het signaalverlies in de sinus caroticus, dat ook bij gezonde proefpersonen wordt waargenomen. Een illustratie van deze problematiek vormt figuur 7, waarin het conventionele angiogram van een patiënt met een stenose van de A. carotis interna (zie figuur 7, a) wordt vergeleken met het overeenkomstige-MRA beeld (zie figuur 7, b). Het zal duidelijk zijn dat gradering van stenosen op geleide van dergelijke MRA-beelden een hachelijke onderneming is. Een aanzienlijk deel van de research-inspanning op dit terrein is dan ook gericht op het ontwikkelen van methoden om signaalverliezen door complexe stroming te reduceren.

Behalve in de hoofd-halsregio begint MRA, mede door de ontwikkeling van snelle scantechnieken en methoden om bewegingsartefacten te onderdrukken, langzamerhand ook een rol te spelen bij het onderzoek van de aorta (figuur 8, a), het portale veneuze systeem en de Aa. renales. Bij het onderzoek van de perifere circulatie (zie figuur 8, b) speelt MRA, vanwege de met de relatief langzame stroming gepaard gaande verzadiging en de excessieve opnameduur bij grote doelvolumina, tot op heden nog nauwelijks een rol van betekenis.

Samenvatting en conclusie

Magnetische-resonantie-angiografie is een methode om bloedvaten zichtbaar te maken en stromingsverschijnselen te bestuderen zonder gebruik te maken van ioniserende straling of contrastmiddelen en zonder schadelijke bijwerkingen voor de patiënt. De methode geeft een driedimensionaal beeld van de vaatstructuur, is poliklinisch toepasbaar en kan naar believen worden herhaald. De resolutie van MRA is vooralsnog minder dan van conventionele angiografie. Bovendien is de methode (nog) behept met enkele hardnekkige artefacten.

Toepassingen van MRA zijn tot op heden met name beschreven op het gebied van de intra- en extracraniële circulatie en betreffen het aantonen en volgen van aneurysmata, arterio-veneuze malformaties, tumoren en atherosclerotische plaques. Goed gedocumenteerde prospectieve trials ontbreken evenwel nagenoeg.

Hoewel de praktische waarde van MRA thans nog zeer beperkt is, vormt ze in principe een zodanig aantrekkelijke methode van vaatonderzoek dat nader onderzoek op dit gebied gerechtvaardigd lijkt: de methode is niet-invasief en niet-verstorend, de intrinsieke gevoeligheid voor stroming maakt toediening van contrastmiddelen overbodig, zowel de bloed- als de liquordynamica kunnen kwalitatief en kwantitatief worden bestudeerd, vaatstructuren kunnen ruimtelijk worden weergegeven, bot en lucht vormen geen belemmering, en door toepassing van presaturatietechnieken en geschikte detectiespoelen is een zekere selectivitiet van de angiogrammen te realiseren.

Literatuur
  1. Edelman RR, Mattle HP, Atkinson DJ, Hoogewoud HM. MRangiography: a review. AJR 1990; 154: 937-46.

  2. Edelman RR, Rubin JB, Buxton RB. Flow. In: Edelman RR,Hesselink JR, eds. Clinical magnetic resonance imaging. Philadelphia:Saunders, 1990: 109-84.

  3. Haacke EM, Lin W. Technologic advances in magneticresonance angiography. Curr Opin Radiol 1991; 3: 240-7.

  4. Lanzer P, Yoganathan AP, eds. Vascular imaging by colordoppler and magnetic resonance. Berlin: Springer, 1992.

  5. Marchal G, Bosmans H, Hecke P van. Magnetic resonanceangiography review. Proceedings of the European conference on radiology,Wenen, 1991: 167-78.

  6. SMRM Workshop on magnetic resonance imaging of blood flow,Philadelphia, March 13-14, 1989. Mag Res Med 1990; 14: 171-321.

  7. Vogl TJ. Kernspintomographie der Kopf-Hals-Region. Berlin:Springer, 1991.

Auteursinformatie

Academisch Ziekenhuis, Postbus 10.000, 3584 CX Utrecht.

Afd. Radiodiagnostiek: dr.C.J.G.Bakker, fysicus; P.Buijs, assistentgeneeskundige; L.Ramos en prof.dr.W.P.T.M.Mali, radiologen.

Afd. Vaatchirurgie: R.B.J.Klop, assistent-geneeskundige; prof.dr.B.C.Eikelboom, vaatchirurg.

Contact dr.C.J.G.Bakker

Gerelateerde artikelen

Reacties