R. Brüning1 · H. Penzkofer1 · U. Schöpf 1 · C. Becker1 · T. Mayer2 · A. Spuler3
C. Berchtenbreiter1 · H.J. Steiger3 · M. Reiser1
1 Institut für Radiologische Diagnostik, Ludwig-Maximilians-Universität München,
Klinikum Großhadern · 2 Abteilung für Neuroradiologic am Institut für Radiologische Diagnostik,
Klinikum Großhadern, München · 3 Neurochirurgische Klinik, Klinikum Großhadern, München
Berechnungen des absolutenzerebralen Blutvolumens unddes zerebralen Blutflusses mitder Elektronenstrahltomogra-phie (EBT) bei akuten Ischämien
mehrere Schichten in unterschiedlicheranatomischer Lokalisation in sehr kur-zen Zeitabständen aufnehmen. Um die-se Anforderungen zu erreichen,war einefeststehende Installation der Strah-lungsquelle ohne mechanisch bewegli-che Teile notwendig [28].
Die mit der EBT erreichbare sehrhohe zeitliche Auflösung [28] kann inidealer Weise auch für die Verfolgung ei-ner Dichteänderung nach Kontrastmit-tel-Bolusinjektion (Bolustracking) durchein Zielorgan verwendet werden. ZurRekonstruktion von zerebralem Blutvo-lumen (CBV) und zerebralem Blutfluß(CBF) wird ein handelsübliches Rönt-genkontrastmittel peripher-venös inji-ziert und erreicht entsprechend derKreislaufzirkulation das Zielorgan [34].Aus den repetitiv gemessenen Schichtenlassen sich dann pixelweise auch derZeitverlauf und die absolute Änderungder Dichte (HE) ableiten [2]. Die Flächeunter der gemessenen Dichte-Zeit-Kuveist proportional dem Blutvolumen. Fürdie Messung von CBF wird der zeitlicheVerlauf der Dichteänderung im Hirn-parenchym unter Berücksichtigung derarteriellen Dichteänderung bewertet.Neben der sehr guten zeitlichen Auflö-
Die Annahme, daß aus der Zirkula-tion einer injizierten Substanz Mes-sungen der Organdurchblutung bzw.der Pumpfunktion des Herzens abzu-leiten sind [17, 37], ist fast ebenso alt wiedie Entdeckung der Röntgenstrahlungselbst. Die dabei verwendete Indikator-verdünnungstheorie [29] basiert aufder Aussage, daß das Produkt von Blut-fluß und der mittleren Transitzeit desKontrastmittels das Blutvolumen derkapillären Endstrecke definiert [11, 37].Die Indikatorverdünnungstheorie wur-de bereits für die Computertomogra-phie (CT) adaptiert [2].
Durch Boyd et al. wurde in den frü-hen 80er Jahren ein CT speziell für dieBildgebung des Herzens entwickelt –das sog. Elektronenstrahl-CT („elect-ron beam tomography“, EBT). Für dieseAnforderung sollte das EBT gleichzeitig
Calculation of absolute cerebral bloodvolume and of cerebral blood flow bymeans of electron beam computedtomography in acute ischemia
Summary
The utility of electron beam computed to-
mography (EBT) to estimate cerebral blood
volume (CBV) and cerebral blood flow (CBF)
was evaluated. Eleven patients with suspec-
ted acute cerebral ischemia were investiga-
ted.The EBT was performed with an acquisi-
tion time of 50 ms per slice at eight parallel
levels.To compare signal/noise and contrast/
noise ratios the data from the EBT investiga-
tion were compared to a similar examination
on a spiral CT.The signal/noise ratio with EBT
was about 30%, the contrast/noise ratio 25%
of that with spiral CT.The absolute values of
CBV were 4.9±1.2 ml/100 g (EBT); CBF was
50.5±7.0 ml/100 g/min in normal contrala-
teral brain tissue. In four patients with proven
infarcts on follow-up, the ischemic areas had
a CBV ranging from 1.7 to 3.8 ml/100 g, while
CBF ranged from 9.4 to 24.5 ml/100 g/min.
Using a bolus injection of contrast material,
calculation of absolute CBV and CBF is feasi-
ble using EBT. Advantages of EBT are the ab-
solute measurements possible and it’s mul-
tislice capability. Disadvantages, however, are
caused by the high image noise, limiting the
demarcation of ischemic tissue.
Key words
Computed tomography · Electron beam
tomography · Brain infarct · Stroke · CBV ·
CBF
Methodik
11 Patienten (3 Frauen, 8 Männer, mitt-leres Lebensalter 42 Jahre) mit klini-schem Verdacht auf eine akute zerebra-le Ischämie wurden in die Studie einge-schlossen. Ausschlußkriterien lagen vor,wenn die Patienten nicht kooperations-fähig waren oder für die schnelle Kon-trastmittelinjektion kein geeigneter ve-nöser Zugang geschaffen werden konnte.
Die EBT-Untersuchung wurde andem Imatron C-150 (Imatron, San Fran-cisco, USA) durchgeführt. Für Referenz-messungen des Signal-Rausch-Verhält-nis und Kontrast-Rausch-Verhältniswurde ein Somaton Plus 4 A (Siemens,Erlangen) herangezogen. Die Datenak-quisition der EBT erfolgte parallel in 8Schichten, wobei nacheinander 20 Bil-der pro Schicht angefertigt wurden, sodaß insgesamt 160 Bildern aufgenom-men wurden. Der zeitliche Abstand derMessungen wurde von 1,0 bis 1,5 s vari-iert. Die Expositionszeit pro Bild betrug50 Millisekunden bei 130 kV und einemRöhrenstrom von ca 635 Milliampere(ca. 31 mAs pro Bild). Die Datenaufnah-me am Somatom Plus 4 erfolgte in se-quentieller Technik mit 140 kV, 204 mAin 1,5 Sekunden Expositionszeit bei 8 mmSchichtdicke (ca. 306 mAs pro Bild).
Die Injektion des Kontrastmittel(Imagopaque 300®, Nycomed, Oslo) er-folgte über einen peripher-venösen Zu-gang (mindestens 16 G). Es wurde einSIMTRAK-Injektor (Siemens, Erlangen)
sung ist auch die Multischichtfähigkeitdes EBT von entscheidendem Vorteil, daim Gegensatz zur sequentiellen CT [2]oder der Spiral-CT [24] nach einer ein-zigen Injektion gleichzeitig bis zu 8Schichten akquiriert werden können.Somit können die Parameter CBV undCBF in einer Untersuchung in verschie-denen Hirnarealen bestimmt werden.
Die Messung von regionalem CBVund CBF eröffnet die Möglichkeit, früheund persistierende Perfusionsänderun-gen bei akuter und chronischer zere-braler Ischämie zu erfassen [25, 35]. DieMessungen von CBV und CBF bei akuterIschämie wurden tierexperimentell va-lidiert. Dabei konnten schon wenigeMinuten nach dem Einsetzen der Isch-ämie Perfusionsdefekte nachgewiesenwerden [6, 7, 32].
Die magnetresonanztomographi-sche Bestimmung von CBV und CBF inder Diagnostik zerebraler Ischämienwird bereits in verschiedenen Zentreneingesetzt [12, 13, 35]. Erstmals kann mitder vorgestellten Methode eine Berech-nung des absoluten CBV und CBF mitdem EBT parallel in 8 Schichten durch-geführt werden. Ziel der Studie wardeshalb, die CBV- und CBF-Bestim-mung mit dem EBT an Patienten zu vali-dieren. Die für die Abschätzung derBildqualität verwendeten Messungendes Kontrast-Rausch-Verhältnis unddes Signal-Rausch-Verhältnis sind erst-mals im Vergleich zum Spiral-CT durch-geführt worden.
ZE 4,7 43,9 keine akute IschämieST 4,7 44,7 keine akute IschämieKR 5,8 47,2 keine akute IschämieFL 4,2 49,1 keine akute IschämieAM 5,9 55,5 keine akute IschämieBE 4,4 42,6 keine akute IschämiePR 7,7 64,8 keine akute IschämieHA 5 56,4 akute Ischämie re.VO 4 43,6 akute Ischämie li.RO 3,9 55,7 akute Ischämie li.PF 3,7 52,4 akute Ischämie li.
Mittelwert 4,9 50,5SD 1,2 7,0
gemessene Blutfluß betrug 15,8±7,6 ml/100 g/min (Spannweite 9,4–24 ml/100 g/min) (Abb. 4). In Abb. 2b und c ist dasBeispiel eines Patienten dargestellt, dereinen Mediainfarkt rechts erlitten hat-te, der durch Kontrolluntersuchungenbestätigt wurde. In unserem Patienten-gut konnten die durch die CBV Berech-nung nachgewiesenen Infarkte auchin der frühen nativen CT festgestelltwerden. Allerdings konnte das Ausmaßder Läsionen sehr genau dargestelltwerden.
Diskussion
Mit dem EBT konnte bei allen Patientendas zerebrale Blutvolumen und der ze-rebrale Blutfluß berechnet und in sei-ner räumlichen Verteilung dargestelltwerden. Das mit der EBT gemesseneCBV und der CBF des normalen Hirn-gewebes entspricht den aus der Litera-tur bekannten Werten [26].
Diese hämodynamischen Parame-ter sind für die Abklärung von akutemzerebralen Ischämien klinisch bedeut-sam, da sie im akuten Stadium hochemp-findlich und zuverlässig die Durchblu-tungsstörung aufzeigen, wie anhandvon MRT-Messungen [5, 16, 23] und nu-klearmedizinischen Untersuchungen [19,26] belegt werden konnte.
Mit der EBT konnte bei akuter ze-rebraler Ischämie ein vermindertes CBVund ein langsamerer CBF in den isch-ämischen Arealen nachgewiesen wer-den. Die von uns berechneten Werte vonCBF und CBV in dem normalen Hirn-gewebe und in ischämischen Arealenstimmen mit Literaturangaben überein[15, 18]. Es fällt auf, daß die CBF undCBV-Werte in den ischämischen Regio-nen, die im Kontroll-CT einen Infarktzeigten, erhebliche Unterschiede auf-weisen. Ob es einen Schwellenwert gibt,bei dessen Unterschreiten ein Unter-gang der Neuronen auftritt, konnte vonuns nicht festgestellt werden. Dies magdamit zusammenhängen, daß nur ei-ne relativ kleine Zahl von Patientenmit frischen zerebralen Ischämien un-tersucht werden konnten. Im Gegen-satz dazu wurde bei physiologischenund tierexperimentellen Studien fest-gestellt, daß bis zu einer Perfusion vonca. 20 ml/100 g/min kein Untergang vonHirngewebe eintritt [5, 8].
Wegen des hohen Bildrauschensmußten für die Berechnung des absolu-
| Der Radiologe 12·98
Elektronenstrahltomographie
1056
verwendet. Die Flußrate betrug minde-stens 10 ml/s. Nach 5 Leeraufnahmenzur Basislinienberechnung wurden ins-gesamt 70 ml nichtionisches Kontrast-mittel injiziert. Die Daten wurden aufeiner externen Sun Spark 10 Worksta-tion nachverarbeitet. Zur Rekonstrukti-on des Blutvolumens wurden „regionsof interest“ (ROI) in die graue und wei-ße Hirnsubstanz beider Hemisphärengelegt. ROI in der A. basilaris dientendazu, die arterielle Inputfunktion (AIF)zu bestimmen. Alle herangezogenenROI der Hemisphären beinhaltetenmindestens 100 Pixel, die ROI der AIFmindestens 4 Pixel. Für die absolute Be-rechnung von CBV wurde eine abgelei-tete Gamma-Funktion an die Meßdatenangepaßt und die Fläche unter der Kur-ve bestimmt [4, 33]. CBF wurde mit Hil-fe eines auf Fouriertransformation be-ruhenden Rückfaltungsalgorithmus un-ter Verwendung eines Wiener-Filters be-stimmt [10, 33].
Für die Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnis (S/R) galt: S/R=Dich-tewert ROI gesunde Hemisphäre/SDHintergrund. Die Ermittlung des Kon-trast-Rausch-Verhältnis berechnete sichaus Daten der gesunden Hemisphären:K/R=(maximale Dichte ROI gesundeHemisphäre-Dichte baseline ROI)/SDbaseline. S/R und K/R wurden zur Be-wertung der Qualität der Meßdatenherangezogen. Das Signal-Rausch-Ver-hältnis ist ein semiquantitativer Wertfür das Bildrauschen. Das Kontrast-Rausch-Verhältnis bringt zum Aus-
druck, wie deutlich der zeitlich be-grenzte Dichteanstieg von dem Bildrau-schen zu unterscheiden ist.
Ergebnisse
Das Signal-Rausch-Verhältnis betrugam Somatom Plus 4 im Mittel 401±84:1,am EBT war ein sehr variables, örtlichdifferentes Hintergrundrauschen fest-zustellen. Das Signal-Rausch-Verhält-nis im gesamten Hirngewebe wies dem-zufolge eine große Variationsbreite auf(im Mittel 131±111:1,Spannweite 53–210:1).Besonders starkes Rauschen trat beid-seits neben dem Schädel auf. Die Kon-trast-Rausch-Messungen ergaben einendurchschnittlichen Wert von 20,3±7,6am Somatom Plus 4 und von 5,1±2,5 amEBT unter Anwendung des beschriebe-nen Protokolls.
Bei allen Patienten konnten CBVund CBF berechnet werden. Eine typi-sche Dichte-Zeit-Kurve von arteriellerInputfunktion und Parenchym zeigt(Abb. 1).
In der normalen, nicht ischämi-schen Großhirnhemisphäre wurde einmittleres absolutes CBV von 4,9±1,2 mg/100 ml, und eine mittlere CBF von50,5±7,0 ml/100 g/min errechnet. Beiden 4 Patienten, bei denen durch Kon-trolluntersuchungen (CT) eine Isch-ämie nachgewiesen wurde, war dasCBV in den ischämischen, später infar-zierten Arealen auf 2,4±1,2 ml/100 g er-niedrigt (Spanne: 1,7–3,8 ml/100 g)(Abb. 3). Der in den gleichen Arealen
Abb. 1 m Typische Dichte-Zeit-Kurve: arterielle Inputfunktion und Hirnparenchym
Der Radiologe 12·98 | 1057
ten CBV und CBF Areale mit mindestens100 Pixeln pro ROI gemittelt werden.Dies könnte dazu geführt haben, daßInhomogenitäten der Perfusion nichtdargstellt und gemittelt wurden. Mögli-cherweise lag aber auch bei unseremPatientengut im Gegensatz zum Tier-modell keine komplette Ischämie vor.
Die CT mit Bolusinjektionstechnikwurde bereits bei akuten Ischämien an-gewendet [24, 25]. Beide Studien, die re-latives CBV mit der Spiral-CT messen,konnten eine Absenkung des CBV umetwa 50% des Wertes der normalen He-misphäre nachweisen. Eine Absenkungdes absoluten CBV in der Ischämie aufWerte um 1,8 ml/100 g konnte auch tier-experimentell mit der CT nachgewie-
sen werden [15]. Diese Werte stimmengut mit unseren Ergebnissen überein.
Im Stadium der akuten Ischämiebestehen keine Einschränkungen derAnwendung der Indikatorverdünnungs-theorie unter Einsatz der CT und vonjodhaltigen Kontrastmitteln, da die Blut-Hirn-Schranke nicht gestört ist und einerein intravasale Passage vorliegt [31].
Gegenüber der konventionellen CT[2] und der Subsekunden-Spiral-CT [24]hat die Elektronenstrahltomographie ei-nige prinzipielle Vorteile bei der Be-stimmung der Perfusion des Gehirns.Die arterielle Inputfunktion kann leichtund reproduzierbar gemessen werden,so daß absolute Blutvolumina errechnetwerden können. Darüber hinaus kön-
a
dcb
Abb. 2 b a Signal-Zeit-Kurve bei Ischämie im rechten Mediastromge-biet. b CBV-Rekonstruktion bei Ischämie im rechten Mediastromgebietaus den EBT-Daten. c CBV-Rekonstruktion bei Ischämie im rechtenMediastromgebiet aus Aufnahmen des Somatom plus 4. d Verlaufs-untersuchung 7 Tage nach dem Insult
nen simultan bis zu 8 Schichten paral-lel untersucht werden, ohne daß derPatient einer wiederholten Injektionausgesetzt werden muß. Diesen Vortei-len der Elektronenstrahltomographiesteht der Nachteil eines deutlich ge-ringeren Signal-Rausch-Verhältnis undKontrast-Rausch-Verhältnis gegenüber.Die von uns bestimmten Werte des Si-gnal-Rausch-Verhältnis und Kontrast-Rausch-Verhältnis waren im EBT umca. 3- bis 4mal niedriger als in der Spi-ral-CT. Da das Signal-Rausch-Verhält-nis proportional zur Wurzel aus demmAs-Produkt ist, wäre eine Erhöhungdes mAs-Produktes am EBT dringendwünschenswert. Dies ist derzeit herstel-lerseits jedoch nicht möglich. Bei denam EBT möglichen Untersuchungspa-rametern ist die Dosisleistung proSchicht deutlich niedriger als bei derkonventionellen CT. Da bei einer bolus-artigen Kontrastmittelinjektion in derCT der passagere Dichteanstieg auf ca.10 HE begrenzt ist, ist die Reduktiondes Bildrauschens für die Berechnungvon CBV und CBF entscheidend. Esmuß hervorgehoben werden, daß ande-rerseits das geringere Signal-Rausch-Verhältnis und Kontrast-Rausch-Ver-hältnis beim EBT mit einer deutlich ge-ringeren Strahlenexposition pro Schicht
| Der Radiologe 12·98
Elektronenstrahltomographie
1058
einhergeht. Eine Verbesserung des Si-gnal-Rausch-Verhältnis wäre auch dannzu erwarten, wenn am EBT bessereDetektorsysteme zum Einsatz kämen.Unklar ist, ob eine Verbesserung desKontrast-Rausch-Verhältnis durch hö-here mAs-Werte auch eine diagnosti-sche Mehrinformation erbringen kann.
Ein wichtiger Vorteil der EBT ge-genüber dem Spiral-CT besteht in derMultischichtfähigkeit. Es muß aber indiesem Zusammenhang erwähnt wer-den, daß demnächst mehrschichtfähigeSpiral-CT-Systeme eingeführt werden.Ob die höhere zeitliche Auflösung desEBT von Vorteil ist, ist nicht geklärt. Diezeitliche Auflösung des modernen Spi-ral-CT liegt bei unter einer Sekunde undist somit deutlich höher als die der mei-sten MR-basierten Perfusionsmessun-gen, die mit einer zeitlichen Auflösungvon 1,5 s und mehr arbeiten [1, 14], undscheint damit ausreichend.
Die Bestimmung des relativen Blut-volumens ist geeignet,um fokale Perfusi-onseinschränkungen wie bei zerebralenIschämien nachzuweisen. Bei relativenCBV-Messungen wird zur Beurteilungder Ausprägung der CBV-Veränderungstets den Wert der kontralateralen He-misphäre herangezogen, wie bei der Be-urteilung von Territorialinfarkten [24,25]. Die Berechnung des absoluten CBV,die mit der EBT möglich ist, erlaubt aberauch globale Perfusionsstörungen des
und der Positronen-Emissions-Tomo-graphie (PET). Hier wird durch die In-jektion von radioaktiven Tracern Bildervon CBF und CBV erzeugt [20, 21, 26,27]. Die Einschränkung dieser Metho-den liegen vor allem in der begrenztenOrtsauflösung. Die Wertigkeit der Xe-non-CT wird kontrovers diskutiert [9,22, 27, 30], da dem Vorteil der nichtinva-siven, reproduzierbaren Messung derrCBF durch die Xenon-Inhalation derNachteil gegenübersteht, daß in ca. 10%der Fälle die Gasinhalation für die Pati-enten nicht tolerabel ist [22]. Auch dieMRT vermag – ähnlich wie in der vor-gestellten Technik, den regionalen zere-bralen Blutfluß (rCBF) und das regio-nale zerebrale Blutvolumen (rCBV) zuberechnen [3, 35, 36]. Ein direkter Ver-gleich von CT und MRT hinsichtlichder Validität der CBV-Rekonstruktio-nen bei zerebralen Ischämien wurdebisher nicht durchgeführt.
Ein klinisch relevanter Vorteil derCT-gestützten CBV-Berechnung bestehtdarin, daß Patienten mit akuter zere-braler Ischämie zum Ausschluß einerSAB oder einer intrakraniellen Blutungohnehin in der CT untersucht werden.Daher entfällt die sonst notwendigeUmlagerung der Patienten in ein ande-res Untersuchungsgerät – sei es MRToder SPECT. Da es bei Patienten mitakuter zerebraler Ischämie besonderswichtig ist, die Diagnostik möglichst
Gehirns zu erfassen, z.B. mikroangiopa-tische Veränderungen wie die subkorti-kale arteriosklerotische Enzephalopa-thie. Hier könnte eine absolute Messungvon CBV und CBF Vorteile aufweisen.
Neben der CT und der EBT kanndie zerebrale Hämodynamik auch mitanderen Verfahren untersucht werden,wie z.B. mit der Single-Photon-Emis-sions-Computer-Tomographie (SPECT)
Abb. 3 mVergleich von CBV des normalen Hirnparenchyms (Referenzgewebe) und des ischämischenGwebes (Einheiten in ml/100 g Gewebe)
Abb. 4 m Vergleich von CBF des normalen Hirnparenchyms (Referenzgewebe) und des ischämischenGewebes (Einheiten in ml/100 g Gewebe/min)
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Der Radiologe 12·98 | 1059
schnell abzuschließen, liegt hier ein be-sonderer Vorteil der CT-gestützten CBV-Bestimmung. Dieser Vorteil ist beimEBT nicht nutzbar, da die Abbildungs-qualität der EBT des Gehirns nach un-seren Erfahrungen derzeit nicht aus-reicht, um die computertomographi-schen Zeichen eines frühen Hirninfark-tes zuverlässig zu erkennen.
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