Morphologische und funktionelle Knorpeldiagnostik; Morphological and functional cartilage imaging;

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springermedizin.de/eAkademieTeilnahmemöglichkeitenDiese Fortbildungseinheit steht Ihnen als e.CME und e.Tutorial in der Springer Medizin e.Akademie zur Verfügung. – e.CME: kostenfreie Teilnahme im

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Radiologe 2014 · 54:599–617DOI 10.1007/s00117-014-2663-1Online publiziert: 16. Juni 2014© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

C. Rehnitz · M.-A. WeberDiagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg, Heidelberg

Morphologische und funktionelle Knorpeldiagnostik

ZusammenfassungHeutzutage ist eine exzellente morphologische Knorpelbildgebung möglich, die auch feinste Knorpelpathologien darstellen kann. Neben den Standard-2-D-Sequenzen ist eine Vielzahl von 3-D-Sequenzen zur hochaufgelösten Knorpeldarstellung verfügbar. Im ersten Teil die-ses Artikels werden daher die aktuellen Möglichkeiten der morphologischen Diagnostik be-leuchtet. Der zweite Teil behandelt die funktionelle Knorpelbildgebung. Mit ihr ist es möglich, Veränderungen der Knorpelkomposition und somit Frühformen von Knorpelschädigungen zu erfassen bzw. diese biochemischen Veränderungen nach therapeutischer Intervention zu evaluieren. Hierbei werden bereits validierte Techniken wie dGEMRIC oder „T2-Mapping“ besprochen, aber auch neueste Techniken wie die gagCEST-Technik beleuchtet.

SchlüsselwörterKnorpel · 3-D-MRT · T2-Mapping · dGEMRIC · gagCEST

CME Zertifizierte Fortbildung

RubrikherausgeberS. Delorme, Heidelberg (Leitung)P. Reimer, KarlsruheW. Reith, Homburg/SaarC. Schäfer-Prokop, AmersfoortC. Schüller-Weidekamm, WienM. Uhl, Freiburg

599Der Radiologe 6 · 2014 |

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Lernziele

Nach Absolvieren dieser Fortbildungseinheit …F haben Sie einen Überblick über die ökonomische und gesundheitliche Bedeutung von

Knorpelschädigungen für die Bevölkerung und die sich hieraus ergebenden Ziele der Knorpeldiagnostik.

F können Sie die unterschiedlichen bildgebenden Modalitäten mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen zielgerichtet einsetzen.

F können Sie die Wertigkeit moderner morphologischer 2-D-Sequenzen in der Knorpeldia-gnostik einschätzen.

F sind Sie in der Lage, moderne 3-D-Knorpelsequenzen zu benennen und sich kritisch mit deren Einsatzgebieten auseinanderzusetzen.

F verstehen Sie die Möglichkeiten und Grenzen der funktionellen MR-Bildgebung in der Knorpeldiagnostik.

Hintergrund

Die Knorpelbildgebung ist eine der am rasantesten wachsenden Teilbereiche der muskuloskeletta-len Radiologie mit zahlreichen wissenschaftlichen und klinischen Fortschritten in den letzten Jah-ren. Einerseits ist dies sicher bedingt durch die enorme technische Weiterentwicklung der Bildgebung insgesamt und insbesondere der Magnetresonanztomographie (MRT) mit zunehmend breiter Ver-fügbarkeit der Hochfeldbildgebung inklusive der Entwicklung dezidierter Spulentechnologien, die eine hochauflösende Knorpelbildgebung ermöglichen. Auf der anderen Seite trägt die hohe Präva-lenz von Erkrankungen des Knorpels, verbunden mit hohen Kosten für das Gesundheitswesen, zu-sätzlich zu dieser rasanten Entwicklung bei.

Die Knorpelbildgebung umfasst dabei mehrere Hauptbereiche:1. Sichere Darstellung von normalem, gesundem Knorpel – dies kann u. a. in der präoperativen Pla-

nung vor Umstellungsosteotomien wichtig sein oder als Ausschluss einer Knorpelpathologie als Ursache einer entsprechenden Gelenksymptomatik.

2. Exakte morphologische Darstellung von Knorpeldefekten – hierunter fallen insbesondere akut auftretende fokale Knorpeldefekte, wie sie insbesondere bei jüngeren Sportlern auftreten, und zum anderen chronisch progrediente Knorpelschädigungen im Rahmen der Arthrose. Die Ar-throse ist die häufigste Gelenkerkrankung überhaupt und spielt daher auch in der Diagnostik

Die Knorpelbildgebung ist eine der am rasantesten wachsenden Teilbe-reiche der muskuloskelettalen Ra-diologie

Morphological and functional cartilage imaging

AbstractExcellent morphological imaging of cartilage is now possible and allows the detection of subtle car-tilage pathologies. Besides the standard 2D sequences, a multitude of 3D sequences are available for high-resolution cartilage imaging. The first part therefore deals with modern possibilities of morpho-logical imaging. The second part deals with functional cartilage imaging with which it is possible to detect changes in cartilage composition and thus early osteoarthritis as well as to monitor biochem-ical changes after therapeutic interventions. Validated techniques such as delayed gadolinium-en-hanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC) and T2 mapping as well the latest tech-niques, such as the glycosaminoglycan chemical exchange-dependent saturation transfer (gagCEST) technique will be discussed.

KeywordsCartilage · 3D Magnetic resonance imaging · T2 mapping · Delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage · Glycosaminoglycan chemical exchange-dependent saturation trans-fer

600 | Der Radiologe 6 · 2014

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eine herausragende Rolle. Sie betrifft etwa in gleichem Maße Männer wie Frauen. Laut Robert-Koch-Institut kann die Lebenszeitprävalenz bei Frauen im Jahre 2010 auf rund ein Viertel, die-jenige der Männer auf etwa ein Sechstel geschätzt werden. Zwischen 2003 und 2010 war zudem ein Anstieg der Arthroseprävalenz bei Frauen von 22,6% im Jahre 2003 bis auf 27,1% im Jah-re 2010 sowie bei Männern von 15,5% (2003) auf 17,9% (2010) zu verzeichnen. Dies geht mit er-heblichen Kosten für das Gesundheitswesen einher, wobei laut Erhebung des Statistischen Bun-desamtes die Ausgaben für Arthroseerkrankungen im Jahr 2008 7,62 Mrd. € betrugen. Die indi-rekten Kosten für die Volkswirtschaft durch Arbeitnehmerunfähigkeit, Invalidität und Frühbe-rentungen sind hierbei noch nicht eingerechnet [1].

3. Bildgebende Beurteilung des Erfolgs einer Knorpeltherapie – hierunter fallen sowohl konserva-tive (z. B. medikamentös, Änderung der Trainingsmethoden beim Leistungssportler) als auch operative Methoden (z. B. die Mikrofrakturierung oder die Chondrozytentransplantation). Ent-scheidend sind das Monitoring unter Therapie und bei den chirurgischen Verfahren die Be-urteilung des Knorpelregenerats bzw. -transplantats im Hinblick auf Integrität und Qualität bzw. Transplantatversagen.

4. Ultimatives Ziel ist die Früherkennung von Knorpelschäden, bevor morphologische Defekte er-kenntlich sind. Dies würde es erlauben, zu einem Zeitpunkt in die Krankheitsentwicklung einzu-greifen, zu dem Knorpelschäden noch reversibel sind bzw. die Krankheitsprogression verlang-samt werden kann.

Dieser Artikel behandelt somit einerseits die konventionelle morphologische Knorpeldiagnostik unter Berücksichtigung der aktuellsten technischen Entwicklungen, wie z. B. der (Ultra-)Hochfeld-MRT und neuer 3-D-Sequenzen. Der 2. Teil befasst sich dann mit sog. funktionellen Bildgebungs-methoden, die Aussagen zur biochemischen Zusammensetzung bzw. zur Knorpelultrastruktur er-möglichen und somit potenziell eine Frühdiagnose im Stadium der Präarthrose ermöglichen. Hie-runter fallen Techniken wie T2-Mapping und dGEMRIC („delayed gadolinium-enhanced MRI of the cartilage“).

Modalitäten

Verschiedene Methoden werden zur Darstellung von Knorpelpathologien bzw. der Arthrose einge-setzt, deren Wertigkeit in einer hervorragenden Übersicht dargestellt wurde [2]. Die klinisch weiter-hin am häufigsten eingesetzte Methode ist das konventionelle Röntgenbild, welches knöcherne Ver-änderungen wie marginale Osteophyten, subchondrale Sklerose und subchondrale Zysten zeigt und daneben als indirektes Maß für die Knorpeldicke herangezogen werden kann. Für die Diagnose und die Abschätzung des Schweregrads ist vor allem die Evaluation von Osteophyten und der Gelenk-spaltverschmälerung entscheidend. Der Schweregrad wird meist nach dem Kellgren-Lawrence (K/L)-Score [3] klassifiziert (. Tab. 1). Für die Kniearthrose werden hierfür anterior-posteriore Stand-aufnahmen sowie ggf. Varus- und Valgusaufnahmen durchgeführt. Die Diagnose der Arthrose ba-siert hiernach auf dem Vorliegen von definitiven Osteophyten (K/L-Score Grad 2). Die Unterschei-dung zu Grad 3 ergibt sich dann aus dem Vorliegen einer zusätzlichen Gelenkspaltverschmälerung. In den meisten Fällen ist die Röntgenaufnahme in Verbindung mit der Klinik ausreichend zur Ent-scheidung für oder gegen eine endoprothetische Versorgung. Die größte Problematik ist die ledig-lich indirekte Darstellung des Knorpels, die keine Aussage zu fokalen Knorpeldefekten erlaubt. Zum anderen besteht eine Insensitivität gegenüber der Progression von Knorpelschäden im Verlauf. Ver-glichen mit der MRT stellt das Röntgenbild zwar die Progression spezifisch (91%), aber nicht sensi-tiv (23%) dar [4].

Die Computertomographie (CT) kommt vorwiegend zur detailgenauen Darstellung der ossären Strukturen zum Einsatz, der Knorpel- und Weichteilkontrast ist jedoch stark eingeschränkt. In be-stimmten Fällen kann eine CT-Arthrographie sinnvoll sein. In erster Linie wird sie durchgeführt bei Patienten, die nicht mittels MRT untersucht werden können. Nach Injektion von verdünntem jodhal-tigem Kontrastmittel wird in Verbindung mit der sehr hohen räumlichen Auflösung aktueller Scan-ner-Generationen eine sehr gute indirekte Knorpeldarstellung erreicht (. Abb. 1). Für die Erkenn-barkeit von Knorpeldefekten konnten jeweils hohe Sensitivitäten und Spezifitäten in arthroskopisch kontrollierten Studien ermittelt werden [5, 6]. Nachteilig sind die fehlende Erkennbarkeit von Bin-nensignalveränderungen, die Invasivität der Untersuchung und die Strahlenexposition.

Die klinisch weiterhin am häufigs-ten eingesetzte Methode ist das konventionelle Röntgenbild

Die Diagnose der Arthrose basiert auf dem Vorliegen von definitiven Osteophyten (K/L-Score Grad 2)

Die Computertomographie kommt vorwiegend zur detailgenauen Dar-stellung der ossären Strukturen zum Einsatz


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Die Sonographie kann artikulären Knorpel darstellen. Ihre Rolle in der Diagnostik akuter Knor-pelschäden ist in unserer Institution ergänzend, z. B. in der Erfassung von assoziierten Weichteil-schäden oder Hämatomen. Durch ihre exzellente Ortsauflösung können jedoch, z. B. an Finger- und Handgelenken, auch kleine Knorpelschäden gut dargestellt werden [7]. In der Darstellung von Ero-sionen bei Patienten mit rheumatoider Arthritis ist die Sonographie dem konventionellen Röntgen-bild überlegen und kann gleichzeitig die Synovitis und die Hyperämie darstellen [8]. Die beste ak-tuell verfügbare Technik ist die MRT, die den Knorpel direkt visualisiert, aber auch die assoziierten subchondralen und weichteiligen Veränderungen akkurat darstellen kann. Sie ist in der Sensitivität der CT und der Projektionsradiographie in der Evaluation des Schweregrads und der Ausdehnung der Arthrose überlegen [9] und kann zudem auch kleine traumatische Läsionen und eine beginnen-de Knorpelausdünnung darstellen [10].

MRT-Diagnostik

Arthroskopisch werden Knorpelschäden meist nach dem Outerbridge- [11] oder Noyes-Score [12] klassifiziert, welche Veränderungen der Knorpeloberfläche sowie die Ausdehnung der Defekt-zonen beinhalten. Die Klassifikation mittels MRT erfolgt meist als sog. modifizierter Noyes-Sco-re (. Tab. 2; . Abb. 2). Wichtig ist es jedoch, neben der reinen Klassifikation anhand des Scores die Morphologie des Knorpelschadens genauer zu beschreiben. Neben der Lokalisation muss be-schrieben werden, ob es sich um einen fokalen Defekt oder eine flächige Knorpelausdünnung han-delt, ob eine Fissur oder eine sog. Delamination, also die Ablösung von Knorpelschichten, vorliegt. Zudem kann aus einer typischen Morphologie auch auf deren Ursache oder Mechanismus geschlos-sen werden, also beispielsweise auf traumatische Knorpelabsprengung („flakes“) osteochondraler Läsionen oder entzündliche Veränderungen. Ein Überblick über die unterschiedlichen Morpholo-gien gibt . Abb. 3.

Einfluss der Feldstärke

Insbesondere in der Darstellung von Gelenken mit sehr dünnem Knorpelüberzug sind eine hohe Auflösung mit einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis („signal-to-noise ratio“, SNR) und ein ho-hes Kontrastverhältnis („contrast-to-noise ratio“, CNR) die Voraussetzungen für eine suffiziente Dar-stellung von Pathologien. Je höher die Feldstärke, desto höher die SNR. Sie steigt bis zu einem Faktor 2 im Vergleich von 3 T mit 1,5 T Feldstärke. Dies kann einerseits genutzt werden zu einer höheren räumlichen Auflösung oder einer schnellen Akquisitionszeit. In vivo ist der Zugewinn an Signalstei-gerung jedoch für unterschiedliche Gewebe und Gelenke unterschiedlich. Zudem ändert sich auch die Suszeptibilität von Geweben mit höherer Feldstärke, was zu einer Zunahme von Artefakten führt. Dies wird insbesondere in der postoperativen Situation mit einliegendem metallischen Fremdmate-

Die Sonographie kann artikulären Knorpel darstellen

Die beste aktuell verfügbare Tech-nik ist die MRT

Die Morphologie von Knorpelschä-den umfasst u. a. die Fissur, Dela-mination, osteochondrale Läsionen und Knorpel-„Flakes“

Tab. 1 Kellgren-Lawrence-Score zur Erfassung der Arthrose im konventionellen Röntgenbild

Kellgren-Lawrence-Grad Definition

0 Keine Zeichen der Arthrose

1 Initiale Osteophyten (z. B. an der Eminentia intercondylaris und an den Patellapolen)

2a Definitiver Nachweis von Osteophyten, fragliche Gelenkspaltverschmälerung, leichte Sklerose

3 Mehrere mäßig ausgeprägte Osteophyten, definitive Gelenkspaltverschmälerung, deutliche Sklerose

4 Ausgeprägte Osteophyten, ausgeprägte Gelenkspaltverschmälerung, deutliche Sklerose, definitive Deformität der knöchernen Konturen

aBeachte: Radiologisch ist die Arthrose mit dem Auftreten von sicheren Osteophyten, also Kellgren-Lawrence-Grad 2, definiert.

Tab. 2 Modifizierter Noyes-Score zur Graduierung von Knorpeldefekten in der MRT

Modifizierter Noyes-Grad Definition

1 Interne Signalveränderungen mit/ohne Knorpelschwellung

2 Knorpeldefekt <50% der Knorpeldicke

3 Knorpeldefekt >50% der Knorpeldicke

4 „Knorpelglatze“: vollständiger Knorpeldefekt bis zum subchondralen Knochen


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Abb. 2 8 Noyes-Klassifikation von Knorpelschäden in der MRT: Die axialen (a) und koronaren (b,c) protonengewich-teten fettgesättigten Aufnahmen zeigen eine hyperintense Binnensignalveränderung des retropatellaren Knorpels (Grad 1, a) sowie einen oberflächlichen Knorpeldefekt <50% der Gesamtdicke (Grad 2, a); eine Grad-3-Läsion betrifft mehr als 50% (Femurkondyle, c), bei Grad 4 reicht der Defekt bis zum subchondralen Knochen (Femurkondyle, d)

Abb. 3 8 Morphologie von Knorpelschäden: Protonengewichtete fettgesättigte Aufnahmen zeigen in (a) eine Knor-pelfissur bei. Z. n. Patellaluxation, einen Knorpeldefekt sowie einen dislozierten „flake“ nach Patellaluxation (b) und einen Knorpeldefekt bei osteochondraler Läsion des Talus, der in die Stabilitätsbeurteilung einbezogen werden soll-te (c); d,e,f Patient mit Chondrolyse, bei der es zur Delamination von Knorpelschichten in der Femurkondyle (pro-tonengewichtete Aufnahme in d und protonengewichtete fettgesättigte Aufnahme in f) sowie retropatellar (e) kam

Abb. 1 8 CT-Arthrographie des Knies nach Injektion von etwa 20 ml Solutrast 300: Die Oberflächen-darstellung des Knorpels ist exzellent (a), und es lassen sich feine oberflächliche Fissuren darstellen (Pfeil in b)


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rial, aber auch bereits durch kleine Abriebpartikel zu teils erheblichen Artefakten. Es ist des Weiteren zu beachten, dass mit höherer Feldstärke die „Chemical-shift“-Artefakte (Artefakte durch die che-mische Verschiebung von Fett und Wasser im Gewebe) linear zunehmen und auch die Energiede-position bis zu einem Faktor von 4 steigen kann, was bei bestimmten Sequenzen die maximale spe-zifische Absorptionsrate limitiert [13, 14].

Trotz dieser Einschränkungen überwiegen für die Knorpeldarstellung bei Weitem die Vorteile der Hochfeldbildgebung ([2, 10, 15, 16]; . Abb. 4). Die Niederfeld-MRT mit Feldstärken zwischen 0,18 und 0,2 T ist für die Knorpelbildgebung nur sehr eingeschränkt nutzbar [17, 18]. Aktuell zeigen 3-Tesla-Systeme die besten Ergebnisse und können als Referenz angesehen werden. Sie sind 1,5-Tes-la-Systemen hinsichtlich Defekterkennung [19] sowie Spezifität, Sensitivität und Genauigkeit in der Defektgraduierung [20] überlegen Die Ultrahochfeldbildgebung, also 7 T und höher, hat noch kei-nen Einzug in die Routinediagnostik gefunden, besitzt jedoch hohes Potenzial und könnte künftig eine wichtige Rolle spielen [21, 22]. Einschränkend sind die geringe Verfügbarkeit, die benötigten dezidierten Spulen und die veränderten Kontraste, die eine Anpassung im Sequenzprotokoll erfor-dern [23].

Morphologische MR-Sequenzen

Bereits die in den meisten muskuloskelettalen Standardprotokollen etablierten 2-D-Turbo-Spin-Echo-Sequenzen ermöglichen eine hoch aufgelöste Knorpeldarstellung (. Abb. 5). T1-gewichtete Sequenzen ermöglichen insbesondere eine Analyse der subchondralen Grenzlamelle und des Kno-chenmarks (z. B. hinsichtlich subchondraler Frakturlinien und Fissuren). Protonengewichtete oder T2-gewichtete Sequenzen zeichnen sich durch eine helle Darstellung der Flüssigkeit bei intermediä-rem Knorpelsignal aus, dieser arthrographische Effekt ermöglicht einen exzellenten Knorpel-Flüs-sigkeits-Kontrast. Allerdings ist die Beurteilung der subchondralen Grenzlamelle eingeschränkt. Eine stärkere T2-Wichtung führt zwar zu einem höheren Knorpel-Flüssigkeits-Kontrast, allerdings im Vergleich zu protonengewichteten Sequenzen auf Kosten des Knorpelbinnensignals.

Entscheidend zur weiteren Verbesserung der Knorpeldarstellung ist die Anwendung einer Fett-unterdrückung, die den Kontrast zwischen Knorpel und fetthaltigem Knochenmark weiter erhöht und zudem den dynamischen Kontrastumfang erhöht. Einige Institutionen wählen auch einen ge-mischten PD/T2-Kontrast mit Echozeiten zwischen 33 und 60 ms, der u. a. einen geringeren „Ma-gic-angle“-Effekt [15] im Vergleich zu reinen PD-w-Sequenzen mit kürzerer Echozeit zeigt. Wie für andere Strukturen auch ist der „Magic-angle“-Effekt bei der Analyse von Pathologien in jedem Ge-lenk von Bedeutung.

Der „Magic-angle“-Effekt beschreibt eine Verlängerung der Relaxationszeit und somit eine er-höhte Signalintensität vor allem bei Sequenzen mit kurzer Echozeit. Er ist maximal in Arealen, die in einem 55°-Winkel zum B0-Feld liegen (. Abb. 6), abhängig von der Anisotropie der Kollagenfa-sern und findet sich im Knie vorwiegend in der posterioren Region der Femurkondylen, verbunden mit einer verminderten Visualisierung der zonalen Variation [24, 25, 26].

Zusammengefasst sind protonengewichtete oder PD/T2-gewichtete fettunterdrückte TSE-Se-quenzen die Knorpelsequenzen und werden daher als knorpelsensitiv bezeichnet. Sie sind für viele Gelenke klinisch evaluiert und zeigen Knorpeldefekte mit hoher Genauigkeit [10, 27, 28, 29]. Dies ist auch der große Vorteil gegenüber 3-D-Sequenzen, die teilweise noch nicht ausreichend klinisch evaluiert sind. Zudem ist die sog. „in-plane resolution“, also die Auflösung innerhalb einer Schicht, bei den 2-D-Sequenzen höher; dies trägt teilweise zu dem häufig besseren Eindruck eines Einzelbil-des im Vergleich zu 3-D-Sequenzen bei. Beispielhaft besitzen die in unserem Routineprotokoll einge-setzten PD-Sequenzen eine extrem hohe „in-plane resolution“ von 0,4 mm. Nachteilig sind durch die Akquisition einzelner Schichten die erhöhte Schichtdicke, der Abstand zwischen den Schichten so-wie die fehlende Möglichkeit der sekundären mehrdimensionalen Reformatierung, sodass jede Ebe-ne einzeln akquiriert werden muss, bei allerdings geringerem Zeitbedarf für die einzelnen Sequenzen.

3-D-Sequenzen

Durch die Akquisition eines Volumendatensatzes sind sehr dünne kontinuierliche Schichten mög-lich, die den Partialvolumeneffekt reduzieren und eine sekundäre Reformation in beliebigen Ebenen ermöglichen. Durch die fehlende Lücke zwischen den Schichten sinkt die Wahrscheinlichkeit, klei-

3-Tesla-Systeme können als Refe-renz angesehen werden

Moderne 2-D-TSE-Sequenzen erlau-ben eine hoch aufgelöste Knorpel-darstellung

Entscheidend zur weiteren Verbes-serung der Knorpeldarstellung ist die Anwendung einer Fettunterdrü-ckung

PD/T2-gewichtete fettunterdrückte TSE-Sequenzen sind knorpelsensitiv


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nere Knorpeldefekte zu übersehen. Zwar benötigen 3-D-Sequenzen in der Regel eine längere Akqui-sitionszeit, wenn jedoch zusätzliche 2-D-Sequenzen durch die sekundäre Rekonstruktion von 3-D-Sequenzen eingespart werden können, kann die Gesamtuntersuchungszeit potenziell reduziert wer-den [30]. Hierzu müsste allerdings der Sequenztyp bzw. der Kontrast vergleichbar zu 2-D-Sequenzen sein, was lediglich für die jüngst entwickelten, noch nicht gut etablierten 3-D-TSE-Sequenzen (z. B. SPACE, CUBE, siehe unten) gilt. Meist wird daher eine „3-D-GRE-Knorpelsequenz“ einem Routi-neprotokoll bei entsprechender Knorpelfragestellung zugefügt. Einen Überblick über die von unter-schiedlichen Herstellern verwendeten Akronyme gibt . Tab. 3.

Prinzipiell lassen sich 3-D-Sequenzen einteilen in solche mit dunklem und mit hellem Flüssig-keitskontrast. Einen Eindruck von den verschiedenen Kontrasten moderner 3-D-Sequenzen und de-ren Einsatz an unterschiedlichen Gelenken gibt . Abb. 7. Zu den charakteristischen Sequenzen mit dunklem Flüssigkeitskontrast zählen u. a. FLASH („fast low angle shot“, Siemens Healthcare) und SPGR („spoiled gradient echo“, GE Medical), welche sich durch ein hohes Knorpelsignal auszeich-nen und klassischerweise mit Fettsättigung oder Wasser-Fett-Trennungs-Techniken kombiniert wer-

Zu den charakteristischen Sequen-zen mit dunklem Flüssigkeitskont-rast zählen u. a. FLASH und SPGR

Abb. 4 8 Einfluss der Feldstärke: Bei diesem Patienten wurden fettsuppri-mierte protonendichtegewichtete Aufnahmen des gleichen Knies 2008 bei 1,0 T (a) und 2010 bei 3 T (b) angefertigt; deutlich erkennbar sind ein höheres Knorpelsignal, ein hohes Flüssigkeitssignal, ein sehr guter Kontrast und eine scharfe Abgrenzbarkeit Knorpel/Gelenkflüssigkeit und Knorpel/subchondra-ler Knochen in der Aufnahme bei 3 T

Abb. 5 8 Knorpelkontraste in klassischen 2-D-Sequenzen: Die T1-gewichtete Sequenz (a) zeigt bereits eine hoch aufgelöste Knorpeldarstellung (0,4 mm „in plane“); T1 ist gut geeignet zur Beurteilung der subchondralen Grenzla-melle, aber der Knorpel-Flüssigkeits-Kontrast ist deutlich vermindert. In der PD-gewichteten Sequenz (b) zeigt sich der „arthrographische Effekt“ mit gutem Knorpel-Flüssigkeits-Kontrast, aber vermindertem Kontrast zum subchon-dralen Knochen. In beiden Aufnahmen ist eine schmale hyperintense subchondrale Linie zu sehen, die einem „Che-mical-shift“-Artefakt entspricht; in den fettgesättigten protonengewichteten Aufnahmen (c) exzellente Knorpeldar-stellung mit verbessertem Kontrast zum subchondralen Knochen und hohem Knorpel-Flüssigkeits-Kontrast, das „Chemical-shift“-Artefakt besteht nicht mehr

Abb. 6 8 Der „Magic-angle“-Effekt tritt bei einer 55°-Orientierung zum B0-Feld auf und ist in der sagittalen protonengewichteten Sequenz als Si-gnalerhöhung zu sehen (Pfeil). Im Vergleich zum gewichtstragenenden Anteil, in dem die zona-le Variation mit tiefem hypointensen und ober-flächlichem hyperintensen Signal dargestellt ist, besteht dorsal eine vermindert wahrnehmbare Variation im Bereich des „magic angle“


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den. In mehreren Studien konnte eine hohe Genauigkeit in der Detektion mit arthroskopisch bewie-senen Knorpelläsionen gefunden werden [10, 32]. Nachteilig ist vor allem der relativ schlechte Kon-trast zwischen Knorpel und Flüssigkeit, welcher zu Einschränkungen der Oberflächenbeurteilung führt. Zudem sind die Akquisitionszeiten relativ lang. Wie andere Gradientenechosequenzen sind sie auch empfindlich für Suszeptibilitätsartefakte und zeigen die umgebenden Strukturen, wie z. B. Menisci oder Ligamente, schlechter als gewöhnliche 2-D-TSE-Sequenzen [10, 33].

Eine klassische Sequenz mit hellem Flüssigkeitssignal ist die DESS („dual echo steady-state“)-Se-quenz. Hier werden zwei Gradientenechos akquiriert, durch einen Refokussierungspuls getrennt und im Anschluss zu einem Einzelbild kombiniert. Dies führt zu einem höheren T2*-Kontrast mit ho-hem Knorpelsignal und hohem Flüssigkeitssignal [34]. Die DESS-Sequenz zählt zu den am häufigs-ten eingesetzten Knorpelsequenzen; sie zeichnet sich vor allem durch eine relativ kurze Akquisitions-zeit und ein helles Knorpelsignal bei gutem Kontrast zu subchondraler Grenzlamelle und Flüssigkeit aus. Wie auch die oben erwähnte FLASH-Sequenz wird die DESS-Sequenz häufig zur quantitativen Analyse, also zur Bestimmung des Knorpelvolumens, eingesetzt [35] und wird im aktuellen Proto-koll der Kohortenstudien der sog. Osteoarthritis Initiative zur Knorpeldarstellung verwendet [36, 37].

Eine Weiterentwicklung der DESS-Sequenz sind sog. bSSFP („balanced steady-state free preces-sion“)-Sequenzen. Je nach Hersteller haben diese unterschiedliche Akronyme, z. B. True FISP („true fast imaging with steady-state precession“, Siemens Healthcare), Balanced FFE („balanced fast field echo imaging“, Philips Healthcare) oder FIESTA („fast imaging-employing steady-state acquisiti-on“, GE Healthcare). Eine neuere Variante ist z. B. VIPR-SSFP („vastly undersampled isotropic pro-jection steady-state free precession“). Auch diese Sequenzen werden meist mit einer Form der Fett-sättigung kombiniert. Der große Vorteil ist der exzellente Kontrast zwischen Flüssigkeit und Knor-pel und auch zwischen Knorpel und subchondralem Knochen bei hohem intrinsischem Signal des Knorpels selbst. Somit eignet sich diese Sequenz alternativ zur DESS-Sequenz für viele Gelenke ([2, 29, 37, 38]; . Abb. 7). Insbesondere für die Knorpeldarstellung an der Hand ist sie exzellent und er-laubt auch bei diesem sehr dünnen Knorpel eine hohe Detailerkennbarkeit bis hin zu einer Diskri-minierung der einzelnen interkarpalen Knorpelüberzüge [14]. Wie alle Gradientenechosequenzen ist auch diese suszeptibilitätsanfällig, was sich insbesondere in der postoperativen Situation bemerk-bar macht. Zudem spielen sog. „Banding“-Artefakte, also dunkle linienförmige Artefakte, eine ein-schränkende Rolle [29]. Die MEDIC („multi-echo data image combination“)-Sequenz zählt ebenfalls zu den Gradientenechosequenzen mit hohem Flüssigkeits- und Knorpelkontrast. Ihre diagnostische Güte ist Gegenstand aktueller Untersuchungen [39, 40, 41], wobei der Wert noch nicht abschließend beurteilt werden kann. Lee und Mitarbeiter [40] fanden im vergleich zur T1-Sequenz eine erhöhte Sensitivität bei allerdings erniedrigter Spezifität in der Erkennbarkeit von Labrumrissen in MR-Ar-throgrammen der Schulter.

In der Praxis lässt sich aus eigener Erfahrung folgendes feststellen: Die MEDIC kann an vielen Gelenken erfolgreich eingesetzt werden. In unserer Institution hat sie Einzug in Routineprotokolle der Schulter, des oberen Sprunggelenks (OSG) und der Hand gefunden. An der Schulter zeigt sich eine hervorragende Knorpeldarstellung. Am OSG und am Handgelenk zeigt sich ebenfalls eine gu-te Knorpeldarstellung. Ein Vorteil ist die gleichzeitig gute Evaluation von ligamentären Strukturen. Vorsicht ist insbesondere geboten bei der Evaluation der zentralen Anteile des TFCC (Discus trian-gularis) und auch des Labrums, denn in diesem Punkt stimmen unsere praktischen Erfahrungen mit denen von Lee et al. überein, die eine niedrigere Spezifität beschrieben haben. Nach unserer Erfah-rung finden sich häufig hyperintense Binnenveränderungen bei in allen sonstigen Sequenzen unauf-fälligem und auch klinisch blandem Labrum bzw. TFCC, sodass Vorsicht geboten ist, um nicht Riss-

Eine klassische Sequenz mit hellem Flüssigkeitssignal ist die DESS-Se-quenz

bSSFP-Sequenzen wie die True FISP zeigen einen exzellenten Knorpel-kontrast und eignen sich u. a. her-vorragend für das Handgelenk

Die MEDIC kann an vielen Gelenken erfolgreich eingesetzt werden

Tab. 3 Sequenzakronyme nach Herstellern. (Modifiziert nach [31])

Sequenztyp Siemens GE Philips

Gradient Echo GRE GRE Fast Field Echo (FFE)

Spoiled Gradient Echo FLASH SPGR T1-FFE

True FISP True FISP FIESTA Balanced FFE

Double Echo Steady State DESS - -

Multi-Echo Data Image Combination MEDIC MERGE M-FFE

Parametric Mapping MapIT CartiGram -

3D TSE with Variable Flip Angle SPACE CUBE VISTA


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bildungen und Pathologien überzuinterpretieren. Knochenmarkveränderungen sind aufgrund des primär fleckig hyperintensen Binnensignals des Knochenmarks in dieser Sequenz schlecht zu be-urteilen. In Kenntnis dessen eignet sich die MEDIC-Sequenz jedoch im Sinne eines guten Kompro-misses bei akzeptabler Akquisitionszeit.

Seit wenigen Jahren stehen nun auch 3-D-Turbo-Spin-Echo-Sequenzen aller großen Hersteller zur Verfügung. Diese haben das höchste Potenzial, da sie theoretisch die Vorteile der 3-D-Bildgebung mit bekannten Kontrasten der 2-D-Bildgebung wie Protonenwichte, T2- und T1-Wichtungen kom-binieren. Für den Knorpel wäre dann entsprechend der Vorbemerkungen eine protonengewichtete fettgesättigte oder eine protonen-/T2-gewichtete Sequenz ideal. Neben oberflächlichen Knorpelpa-thologien können dann auch intrinsische Knorpelveränderungen sowie Veränderungen der Umge-bungsstruktur inklusive Knochenmarkveränderungen und beispielsweise Verletzungen von Sehnen und Ligamenten mit einer einzigen Sequenz erfasst werden. Diese Sequenzen stehen unter anderem als SPACE („sampling perfection with application-optimized contrast using different flip angle evo-lutions“, Siemens Healthcare) bzw. 3D-FSE-CUBE (GE Healthcare) und VISTA (Philips) zur Verfü-gung, wobei unterschiedliche Wichtungen akquiriert werden können, je nach Wahl des Flip-Winkels. Auch hier ist die Entwicklung noch nicht abgeschlossen, und die aktuell publizierten Ergebnisse sind teils uneinheitlich [42, 43, 44]. Gegenüber Standard-2-D-Sequenzen wurden erhöhte Sensitivitäten bei niedrigeren Spezifitäten für die Erkennbarkeit von Knorpelläsionen [42], eine erhöhte SNR und CNR [43] sowie eine höhere Bildqualität beschrieben. Die eigene Erfahrung zeigt unterschiedliche Eignungen der 3-D-Turbo-Spin-Echo-Sequenzen für verschiedene Gelenke und stimmt mit der ge-nannten Literatur weitgehend überein. Gute Ergebnisse vergleichbarer Pathologieerkennbarkeit erge-ben sich insbesondere für das Kniegelenk. Eine gute Knorpeldarstellung mittels fettsupprimierter 3D-PD-SPACE zeigt sich auch am oberen Sprunggelenk, wobei die Darstellung am Handgelenk derzeit noch schlechter ist (. Abb. 7). Für alle Gelenke gilt jedoch, dass der Knorpelkontrast im Vergleich mit den konventionellen 2-D-Sequenzen häufig schlechter ist, teilweise begründet durch eine etwas niedrigere „In-plane“-Auflösung. Zudem ist die Akquisitionszeit mit durchschnittlich etwa 8 min re-lativ lang, sodass Bewegungsartefakte im klinischen Alltag häufiger eine Rolle spielen.

3-D-Turbo-Spin-Echo-Sequenzen haben das höchste Potenzial

Die Ergebnisse der 3-D-TSE-Sequen-zen sind unterschiedlich, und die Entwicklung ist noch nicht abge-schlossen

Abb. 7 8 Moderne 3-D-Sequenzen: In (a) ist die klassische „Dark-fluid“-Sequenz T1 FLASH dargestellt. Zu den „Bright-fluid“-Sequenzen zählt die DESS (b), die auch einen Knorpeldefekt der Femurkondyle gut darstellt; im Ver-gleich zur 2-D-protonengewichteten Sequenz (c) allerdings schlechte Darstellung der subchondralen Knochen-markveränderungen. Die True FISP zeichnet sich durch eine helle Flüssigkeitsdarstellung und einen hervorragen-den Knorpelkontrast in Knie (d), Hüfte (e) und Handgelenk (f) aus. Die protonengewichtete fettgesättigte SPACE zeigt einen sehr guten Knorpelkontrast am Knie (g) und einen guten an der Schulter (h) bei eingeschränkter Bild-qualität an der Hand (i), im Vergleich zu vielen Gradientenechosequenzen ist jedoch die Band- und Sehenbeurtei-lung besser


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Zusammenfassung 3-D und Protokollempfehlung

3-D-Sequenzen sind die Standardsequenzen zur Volumetrie und ergänzen Routine-2-D-Protokol-le beispielsweise um eine „Knorpelsquenz“. Ob sie 2-D-Sequenzen vollständig ablösen können, ist derzeit noch unklar. In . Tab. 4 findet sich das in unserer Institution verwendete Untersuchungs-protokoll [14] am Beispiel der Hand. Bei Knorpelfragestellungen wählen wir standardmäßig die 3D True FISP.

Da man sich aus Zeitgründen in der Regel auf eine (additive) 3-D-Sequenz beschränken muss, mag folgende persönliche Empfehlung zur Sequenzauswahl an unserer Institution der einzelnen Ge-lenke sinnvoll sein (bei Verwendung anderer Gerätehersteller siehe entsprechendes Sequenzakro-nym in . Tab. 3):F  Schulter: PDwfs SPACE oder MEDIC,F  Hand: True FISP oder MEDIC,F  Hüfte: True FISP,F  Knie: PDwfs SPACE oder DESS,F  OSG: PDwfs SPACE oder MEDIC.

Rolle der MR-Arthrographie

Während viele klinische Fragestellungen ohne intraartikuläre Kontrastmittelapplikation beantwort-bar sind [45], ist die direkte MR-Arthrographie insbesondere in der Visualisierung kleinster Knor-peldefekte bzw. in der postoperativen Situation vorteilhaft [46]. Die Injektion von gadoliniumhalti-gem MR-Kontrastmittel hat dabei zwei wesentliche Funktionen:1. die Gelenkdistension, die zu einer Separierung von benachbarten Knorpelschichten führt,2. der verbesserte Kontrast zwischen Kontrastmittel und Knorpelschicht, der im Wesentlichen die

Oberflächenbeurteilung, aber auch die Detektion einer etwaigen Delamination erleichtert.

Im Zusammenspiel der Hochfeld-MRT und der entsprechenden Spulentechnologie gelingt dann eine exzellente Knorpeldarstellung mit auch Darstellung klinisch relevanter kleiner Knorpelschä-den in Regionen, die sich konventionell schwer darstellen lassen, wie z. B. der azetabuläre Knorpel (. Abb. 8; [47]). Eine weitere Verbesserung der Knorpeldarstellung ist mittels Traktion möglich. Die Machbarkeit der Traktion und eine potenziell bessere Visualisierung konnten für verschiedene Ge-lenke gezeigt werden [48, 49]. Eine systematische Analyse und eine klinische Validierung stehen al-lerdings noch aus, sodass deren Wert derzeit noch nicht abgeschätzt werden kann.

3-D-Sequenzen sind die Standard-sequenzen zur Volumetrie

Die direkte MR-Arthrographie ist zur Visualisierung kleinster Knorpelde-fekte bzw. postoperativ vorteilhaft

Tab. 4 Sequenzprotokoll zur Bildgebung der Hand. (Modifiziert nach Weber [14])

Nr. Sequenz Orientierung TR (ms) TE (ms) Voxelgröße (mm3) TA (min:s)

1 Localizer (gre, p2) Axial 11 4,92 0,6×0,6×0,6 00:16

2 Localizer (gre, p2) Sagittal und koronar

12 4,92 0,4×0,4×0,6 00:19

3 T2 tse fs (p2) Koronar 1800 66 0,3×0,3×2,0 03:59

4 T1 tse (p2) Koronar 1020 13 0,3×0,3×2,0 02:36

5 3D True FISP (p2) Koronar 9,53 4,77 0,3×0,3×0,5 04:33

6 PD tse ± fs (p2) Koronar 1820 30 0,3×0,3×2,0 04:20

7 T2 tse fs (p2) Axial 5190 85 0,4×0,4×2,5 03:08

8 T2 tse (p2) Sagittal 5000 91 0,4×0,4×2,5 04:32

Optional

9 T2* 3D MEDIC (p2) Koronar 40 22 0,4×0,4×0,4 04:36

10 T2 tse (p2) Axial 4810 85 0,4×0,4×2,5 02:55Die wichtigsten knorpelsensitiven Sequenzen sind grau hinterlegt. TR Repetitionszeit, TE Echozeit, TA Akquisitionszeit, gre Gradientenechosequenz, p2 verwendeter Beschleunigungsfaktor PAT 2, TSE Turbo-Spin-Echo, fs „fat-saturated“, 3D dreidimen-sional, True FISP „true fast imaging with steady-state precession“, PDw „proton-density“-gewichtet, MEDIC „multiple-echo data image combination“.


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Funktionelle Knorpelbildgebung

Die funktionelle biochemische Knorpelbildgebung hat zum Ziel, die Ultrastruktur bzw. die Kompo-sition des Knorpels zu evaluieren. Hiermit können Veränderungen zu einem Zeitpunkt dargestellt werden, zu dem Knorpelschäden potenziell noch reversibel sind. In der frühen Phase der Knorpel-degeneration finden sich typische Veränderungen der Knorpelkomposition. Diese umfassen Verän-derungen im 3-D-Kollagennetzwerk sowie eine Erhöhung oder Erniedrigung des Wassergehalts [50]. Ein weiterer charakteristischer Prozess ist der Verlust von sog. Glykosaminoglykanen (GAG), der als initiales Ereignis in der Arthroseentstehung bzw. als Präarthrose angesehen wird [51]. Andererseits konnte gezeigt werden, dass ein Verlust an Glykosaminoglykanen im Knorpel durch verschiedene Interventionen (z. B. sportliche Aktivität) innerhalb von 10 Wochen ausgeglichen werden kann [52]. Somit sind offensichtlich GAG-Verluste und damit auch sehr frühe Stadien in der Arthroseentste-hung potenziell reversibel und können bildgebend dargestellt werden. Auch sonstige therapeutische Eingriffe, wie z. B. Medikamente, Änderungen des Trainings bei Leistungssportlern sowie operati-ve Maßnahmen (z. B. Umstellungsosteotomien zur Änderung der Hauptbelastung), können somit potenziell den GAG-Gehalt erhöhen und die Progression zur Arthrose verlangsamen oder aufhal-ten. In den letzten Jahren wurden viele chirurgische Möglichkeiten zur Knorpeltherapie entwickelt. Neben der morphologischen Beurteilung kann mittels funktioneller Bildgebung jedoch zudem die biochemische Komposition des Knorpelregenerats, z. B. nach Mikrofrakturierung, evaluiert und die Regeneratreifung bzw. das Regeneratversagen beurteilt werden.

Die Hauptziele der klinischen biochemischen Bildgebung sind demnach:1. die Früherfassung von Knorpelschäden, bevor morphologische Defekte sichtbar sind;2. das Monitoring von Knorpelheilung bzw. Behandlungseffekt nach Knorpeltherapie.

Nach einer kurzen Einführung über den Knorpelaufbau werden im Folgenden die Techniken und ihre klinische Wertigkeit beschrieben.

Knorpelaufbau

Etwa 4% des Gewichts des Knorpels bestehen aus spezialisierten Zellen, den sog. Chondrozyten. Die Hauptkomponenten mit einem Gewicht von 65–85% sind Wasser und extrazelluläre Matrix, be-stehend aus Typ-2-Kollagen (15–20%) und Proteoglykan (PE, 3–10% des Gewichts; [53]). Die Sei-tenketten der Proteoglykane stellen die bereits erwähnten Glykosaminoglykane dar, die eine negative Ladung aufgrund ihrer Carboxyl- und Sulfatgruppen aufweisen. Durch diese negative Ladung wer-den Kationen (z. B. Natrium) angezogen, wodurch wiederum Wasser im Gewebe anzieht und dem

Die funktionelle biochemische Knorpelbildgebung hat zum Ziel, die Ultrastruktur bzw. die Komposi-tion des Knorpels zu evaluieren

Sehr frühe Stadien in der Arthro-seentstehung sind prinzipiell rever-sibel und können bildgebend dar-gestellt werden

Abb. 8 8 Die MR-Arthrographie des Hüftgelenks zeigt einen verbesserter Knorpelkontrast durch Gelenkdistension (Pfeil in a, axiale T1-gewichtete fettgesättige Sequenz); in der koronaren protonengewichteten fettgesättigten Se-quenz (b) sind ein kleiner azetabulärer Knorpelschaden (Pfeilspitze) und ein angrenzender Labrumriss sowie ein epi-metaphysärer Höcker („bump“, Pfeil) bei sog. Cam-Impingement zu sehen


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Knorpel Druck verleiht [54]. Der Knorpel besitzt weiterhin einen zonalen Aufbau mit unterschied-licher Verteilung und Orientierung der Bestandteile, welche für die Knorpelfunktion optimiert und auch je nach Beanspruchung (z. B. gewichtstragende Anteile) unterschiedlich sind. Die oberflächli-che Schicht besteht aus Kollagenfibrillen, die parallel zur artikulären Oberfläche orientiert sind. In der darunterliegenden Transitionalzone ist die Orientierung der Kollagenfibrillen anisotop, und in der tiefen kardialen Zone sind die Fibrillen senkrecht zur Knorpeloberfläche orientiert. Die sog.  „ti-demark“ verankert den Knorpel mit dem subchondralen Knochen.

Unterschiedliche Veränderungen in dieser Ultrastruktur können nun mit verschiedenen MRT-Methoden evaluiert werden. Die dGEMRIC-Technik, die CEST-Technik, T1rho und die 23Natrium-MRT messen den GAG-Gehalt, das T2-Mapping ist sensitiv für Veränderungen des Wassergehalts und des 3-D-Kollagennetzwerks.

dGEMRIC („delayed gadolinium-enhanced MRI of the cartilage”)

Die bestetablierte und bereits seit mehreren Jahren zur Verfügung stehende Technik zur indirekten Messung des GAG-Gehalts ist dGEMRIC [51, 55, 56]. Sie nutzt den Umstand, dass, wie oben be-schrieben, die Glykosaminoglykane eine negative Ladung besitzen und gleichzeitig das MR-Kont-rastmittel Gadolinium (DTPA)2- (Magnevist®, Bayer) ebenfalls negativ geladen ist. Somit stoßen sich

dGEMRIC- und CEST-Technik, T1rho und 23Natrium-MRT messen den GAG-Gehalt, das T2-Mapping ist sensitiv für Veränderungen des Was-sergehalts und des 3-D-Kollagen-netzwerks

Die bestetablierte Technik zur indi-rekten Messung des GAG-Gehalts ist dGEMRIC

Abb. 10 8 dGEMRIC-Technik zur Darstellung pathologischen Knorpels ohne morphologisch erkennbaren Defekt: a protonengewichtete fettgesättigte Aufnahme einer osteochondralen Läsion der Femurkondyle; bei Z. n. arthrosko-pischer retrograder Anbohrung ist ein unauffälliger Knorpel 12 Monate postoperativ zu sehen (b). Die dGEMRIC-Auf-nahme (zum selben Zeitpunkt wie b) zeigt vermehrt flächige „gelbe“ Areale, die kürzeren T1-Zeiten und somit einem niedrigeren GAG-Gehalt im Vergleich zur medialen Kondyle entsprechen. Die Farbkarten wurden dem morpholo-gischen Bild überlagert

Abb. 9 8 dGEMRIC-Technik: Die T1-Zeiten des Knorpels werden 90 min nach Kontrastmittelgabe gemessen und farbkodiert dargestellt; die Farbskala in a zeigt die Kodierung an. Beide Aufnahmen zeigen normalen homogenen Knorpel des Knies, in b ist eine ROI („region of interest“)-Messung im normalen Knorpel vorgenommen worden mit erwartbaren T1-Zeiten von 680 ms


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beide Moleküle elektrisch gegenseitig ab. Nach intravenöser Gabe einer doppelten Dosis von Gd-DTPA diffundiert Kontrastmittel in den Knorpel; hierzu ist für das Knie eine 90-minütige Warte-zeit, optimalerweise in Verbindung mit 15 min Laufen zu besseren Verteilung des Kontrastmittels in der Gelenkflüssigkeit, bis zur vollständigen Diffusion erforderlich. Aufgrund der gegenseitigen Ab-stoßung wird weniger Kontrastmittel in gesundem Knorpel, jedoch verstärkt in erkrankten und da-mit weniger GAG-enthaltenden Knorpelarealen akkumuliert. Die verstärkte Kontrastmittelakkumu-lation drückt sich dann in einer reduzierten T1-Zeit im kranken Knorpel aus, da Gd-DTPA die T1-Zeit im Gewebe verkürzt. Die Messung und die Darstellung erfolgen mit spezialisierten Software-Paketen, die sowohl ein T1-Mapping als auch ein T2- bzw. T2*-Mapping (siehe unten) ermöglichen (Syngo MapIt®, Siemens, bzw. CartiGram®, GE). Zur T1-Zeit-Messung wird eine 3-D-Vibe-Sequenz (in domo TR/TE, 15/2,5, Voxelgröße 0,4×0,4×3 mm, Akquisitionszeit 3:18 min) verwendet, die T1-Zeiten werden farbkodiert dargestellt (. Abb. 9). Mittels  ROI („region of interest“)-Analyse, d. h. der Auswahl interessierender Bereiche, kann innerhalb des entstandenen Bildes die T1-Zeit gemes-sen werden. . Abb. 10 zeigt ein Beispiel für die Darstellung eines erniedrigten GAG-Gehalts ohne morphologisch erkennbare Knorpeldefekte. Es konnten sehr gute Korrelationen bezüglich In-vivo-dGEMRIC-Werten und dem histologischen Grad der frühen Arthrose im Knie gezeigt werden [16, 57, 58]. Gewichtsverluste und vermehrtes Training können beide die dGEMRIC-Indizes verbessern [52, 59, 60]. Auch bei Patienten mit Hüftdysplasie lässt sich eine frühe Arthrose mittels dGEMRIC darstellen [61], wie auch beim femoroazetabulären Impingement [62].

Viele Studien beschäftigen sich darüber hinaus mit der Evaluation von chirurgischen Knorpelre-paraturtechniken [63, 64, 65]. Es konnte dargestellt werden, dass sich der fibröse Regeneratknorpel bzw. das Regenerat nach matrixassoziierter Chondrozytentransplantation (MACT) in seiner Kom-position von dem normalen hyalinen Knorpel unterscheidet und einen niedrigeren dGEMRIC-Index und somit einen niedrigeren GAG-Gehalt aufweist (. Abb. 11). Somit ist auch eine bildgebende bio-chemische Verlaufskontrolle möglich, die eine zunehmende Normalisierung des GAG-Gehalts und der Matrixveränderungen im Heilungsprozess darstellt. Limitationen sind unter anderem die Kont-rastmittelgabe und die damit verbundenen Risiken sowie der erhebliche Zeitaufwand.

T2-Mapping

T2-Mapping ist eine relativ einfache, auch in einem Routineprotokoll zu etablierende Technik, die keine Kontrastmittelgabe erforderlich macht. Für das T2-Mapping wird eine Multi-Echo-Spin-Echo-Sequenz [in domo TR/TE 1940/11,8–153,4 ms (13 Echos), Voxelgröße 0,4×0,4×3 mm, Akquisitions-zeit 5:38 min] verwendet und analog zum T1-Mapping farbkodiert auf einer Parameterkarte darge-stellt. T2-Mapping ist sehr sensitiv für Veränderungen des Wassergehalts und der Integrität des 3-D-

T2-Mapping ist eine relativ ein-fache, auch in einem Routinepro-tokoll zu etablierende Technik, die keine Kontrastmittelgabe erforder-lich macht

Abb. 11 8 Evaluation von Knorpelregeneraten nach chirurgischer Intervention: In der protonengewichteten sagit-talen Sequenz ist eine osteochondrale Läsion bei Z. n. Mikrofrakturierung zu sehen; der Regeneratknorpel ist etwas inhomogen bei guter Defektauffüllung. In der dGEMRIC (b) zeigt der Regeneratknorpel im Bereich des mikrofrak-turierten Areals in der Femurkondyle eine vermehrt blaue Darstellung und damit erniedrigte T1-Werte im Vergleich zum angrenzenden normalen („grünen“) Knorpel


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Kollagennetzwerks. Ein erhöhtes T2-Signal korreliert mit dem histologischen Schweregrad der Ar-throse in Proben von Patienten mit endoprothetischer Knieversorgung [16]. Die Ergebnisse des T2-Mapping korrelieren auch mit dem morphologischen Grad der Knorpeldefekte: Je höher der mor-phologische Grad, desto höher die T2-Werte [66]. In einer Studie an 228 arthroskopisch nachge-wiesenen Knorpelläsionen wiesen 204 (89,5%) erhöhte T2-Werte auf [67]. Bei der Evaluation ist zu beachten, dass die T2-Werte eine zonale Variation zeigen; sie steigen von tiefen zu oberflächlichen Schichten an [68].

Die Evaluation von Knorpelregeneraten mittels T2-Mapping nach chirurgischer Therapie ist un-einheitlich, z. B. fanden sich nach MACT in manchen Studien erniedrigte T2-Werte [69]. In ande-ren Arbeiten war der über die Gesamtdicke gemessene T2-Wert nicht signifikant verschieden vom übrigen Knorpel [70], allerdings zeigte sich ein Verlust der zonalen Variation unmittelbar postope-rativ. Ein Jahr postoperativ war ein Anstieg des T2-Wertes in der oberflächlichen Zone nachweisbar, welcher als Reifung des Regenerats interpretiert werden kann. Wie auch bei den anderen Methoden scheint es so zu sein, dass nicht die Absolutwerte entscheidend sind, sondern der intraindividuelle Vergleich mit Werten gesunden Knorpels sowie die Entwicklung der Werte über die Zeit mit Anglei-chung zum Normalgewebe (. Abb. 12). Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist das T2-Map-ping eine wertvolle Methode zur Evaluation nach Knorpeltherapie.

Zusammengefasst ist das T2-Mapping eine einfach zu etablierende Sequenz, die sensitiv Knor-pelschäden anzeigt und insbesondere zur Früherkennung von Knorpelpathologien und in der Ver-laufsbeurteilung nach Knorpeltherapie geeignet ist. Sie hat derzeit das höchste Potenzial zum Ein-satz im Routinebetrieb.

Zukunftsperspektiven

Hohes Potenzial haben weitere funktionelle Techniken, welche dGEMRIC und T2-Mapping künftig möglicherweise ersetzen oder ergänzen können. Zu ihnen zählen die CEST („chemical exchange-de-pendend saturation transfer“)-Technik [71, 72], die 23Natrium-MRT [73, 74] und das T1rho-Map-ping [75, 76]. An klinischen Scannern (bis 3 T) durchführbar sind CEST (. Abb. 13) und T1rho, während die 23Natrium-MRT die Ultrahochfeldbildgebung (7 T) erfordert. Alle 3 Techniken messen den GAG-Gehalt und benötigen keine intravenöse Kontrastmittelgabe. Nachteilig sind derzeit unter anderem noch die erforderliche Hardware (23Natrium-MRT), die GAG-Spezifität (T1rho) sowie die Nachverarbeitung und die klinische Validierung (alle Techniken).

Das T2-Mapping zeigt sensitiv Knor-pelschäden an und ist zur Früher-kennung von Knorpelpathologien und in der Verlaufsbeurteilung nach Knorpeltherapie geeignet

Abb. 12 8 T2-Mapping zur Evaluation der Knorpeltherapie: In a ist eine Überlagerung der Farbkarten eines T2-Map-ping mit einem morphologischen protonengewichteten fettgesättigten Bild 6 Monate nach Mikrofrakturierung einer osteochondralen Läsion der medialen Talusschulter dargestellt; deutlich erkennbar ist die vermehrt rote (lange T2-Zeiten) Darstellung des Knorpels im Bereich der osteochondralen Läsion im Vergleich zum normalen angrenzen-den Knorpel (Zeichen eines erhöhten Flüssigkeitsgehalts bzw. einer gestörten Architektur des Kollagenfasernetz-werks). 12 Monate postoperativ zeigen sich eine Abnahme und eine zunehmende Normaliserung der T2-Werte (b) mit nur noch geringen rot dargestellten Anteilen


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Fazit für die Praxis

F  Heutzutage ist eine exzellente morphologische Knorpelbildgebung mittels MRT möglich, die auch feinste Knorpelpathologien darstellen kann.

F  Neben den Standard-2-D-Sequenzen ist eine Vielzahl von 3-D-Sequenzen zur hoch aufgelösten Knorpeldarstellung verfügbar, deren Evaluation hinsichtlich der Güte der Knorpelbeurteilbar-keit noch nicht abgeschlossen ist.

F  Mittels funktioneller Knorpelbildgebung können Veränderungen der Knorpelkomposition und somit Frühformen von Knorpelschädigungen erfasst und diese biochemischen Veränderungen nach therapeutischer Intervention evaluiert werden.

Korrespondenzadresse

Dr. C. RehnitzDiagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg,INF 110, 69120 [email protected]

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt. C. Rehnitz und M.-A. Weber geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.

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Abb. 13 8 Vergleich der funktionellen Methoden bei einem Patienten nach operativer Refixation eines Knorpel-„Flake“ am unteren Patellapol nach Patellaluxation: regelrechte Refixation (protonengewichtete Sequenz, a). Die dGEMRIC- (b) und die T2-Mapping-Aufnahme (c) zeigen wenig Veränderungen des refixierten Knorpels; die gag-CEST-Sequenz (d) zeigt ein deutlich erniedrigtes Signal und somit potenziell einen GAG-Verlust, der mit den ande-ren Techniken schlechter darstellbar ist


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?Welche Aussage zur Epidemiologie der Arthrose trifft nicht zu?

Die Arthrose ist die häufigste Gelenker-krankung.

Frauen und Männer sind in etwa gleich betroffen.

Die Behandlung von Arthroseerkran-kungen verursacht jährlich Kosten für das Gesundheitswesen in Höhe von mehreren Milliarden Euro.

Die Arthroseprävalenz sinkt in den letzten Jahren.

Neben direkten Kosten müssen in einer Gesamtbetrachtung auch indirekte Kos-ten durch Arbeitsunfähigkeit oder Frühbe-rentung mitbetrachtet werden.

?Die Diagnose der Arthrose auf konven-tionellen Röntgenaufnahmen liegt bei einem Kellgren-Lawrence (K/L)-Score Grad 2 vor. Ein K/L-Score Grad 2 ist defi-niert durch …

Vorliegen einer Achsdeformität. Vorliegen von definitiven Osteophyten

ohne eindeutige Gelenkspaltverschmäle-rung.

Vorliegen von großen subchondralen Zys-ten.

gleichzeitiges Auftreten von erheblicher Gelenkspaltverschmälerung, Sklerose und deutlichen Osteophyten.

erosiven Veränderungen der lateralen Fe-murkondyle.

?Welchen Nachteil hat die CT-Arthrogra-phie gegenüber der direkten MR-Arthro-graphie?

Sie hat eine schlechtere räumliche Auflö-sung.

Sie kann nicht bei Schrittmacherpatienten eingesetzt werden.

Binnensignalveränderungen des Knorpels sind schlecht erkennbar.

Es muss ein Kontrastmittel in das Gelenk injiziert werden.

Defekte der Knorpeloberfläche sind schlecht erkennbar.

?Sie sehen auf einer MRT-Aufnahme ei-nen fokalen Knorpeldefekt, der mehr als 50% der Knorpeldicke umfasst, jedoch nicht bis zum subchondralen Knochen reicht. Dies entspricht nach der modifi-zierten Noyes-Klassifikation für Knorpel-schäden einem …

Grad 0. Grad 1. Grad 2. Grad 3. Grad 4.

?Welche Aussage zur morphologischen 2-D-MRT-Diagnostik trifft zu?

Der „Magic-angle“-Effekt spielt bei 2-D-Se-quenzen keine Rolle.

Die Fettunterdrückung verschlechtert den Knorpelkontrast und sollte daher nicht an-gewendet werden.

Protonengewichtete fettgesättigte TSE-Sequenzen können als knorpelsensitiv be-zeichnet werden.

Mit steigender Feldstärke verschlechtert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und verringern sich die Artefakte.

Großer Vorteil der 2-D-Sequenzen ist die hoch aufgelöste multidirektionale Refor-matierungsmöglichkeit.

?Welches der folgenden Sequenzakrony-me lässt sich keiner Gradientenechose-quenz zuordnen?

FLASH/SPGR/T1-FFE DESSE PDw-SPACE/FSE-CUBE/VISTA True FISP/FIESTA/Balanced FFE MEDIC/MERGE/M-FFE

?Welchen Vorteil haben 3-D-MR-Sequen-zen gegenüber 2-D-Sequenzen?

Sie ermöglichen dünne kontinuierliche Schichten, die den Partialvolumeneffekt reduzieren.

Alle 3-D-Sequenzen sind vom Typ und Kontrast vergleichbar mit den 2-D-Se-quenzen.

Die Akquisitionszeiten der 3-D-Sequenzen sind typischerweise kürzer.

Gradientenechosequenzen sind deutlich geringer anfällig für Suszeptibilitätsarte-fakte verglichen mit Turbo-Spin-Echo-Se-quenzen.

Moderne 3-D-Sequenzen haben an allen Gelenken 2-D-Sequenzen abgelöst.

?Welche Aussage zur MR-Arthrographie trifft nicht zu?

Viele klinische Fragestellungen sind auch auf konventionellen MR-Aufnahmen ohne intraartikuläre Kontrastmittelapplikation beantwortbar.

Die Gelenkdistension führt zu einer Sepa-rierung und besseren Abgrenzbarkeit von Knorpelschichten.

Es können Knorpelpathologien erkannt werden, die sich konventionell nur schwer darstellen lassen.

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CME-FragebogenBitte beachten Sie: • Teilnahme nur online unter: springermedizin.de/eAkademie•  Die Frage-Antwort-Kombinationen werden online individuell zusammengestellt. • Es ist immer nur eine Antwort möglich.

DFür Zeitschriftenabonnenten ist die Teilnahme am e.CME kostenfrei

CME-Fragebogen


Durch technische Verbesserungen in der konventionellen MRT ist die MR-Arthro-graphie heute obsolet.

Eine weitere Verbesserung der Visualisie-rung kann durch zusätzliche Traktion er-möglicht werden.

?Welche Aussage zur funktionellen bio-chemischen Knorpelbildgebung trifft zu?

Der Verlust an Glykosaminoglykanen ist ein spätes Ereignis innerhalb der Arthro-seentstehung und kommt nur in fortge-schrittenen Stadien vor.

Für das T2-Mapping werden Aufnahmen 90 min nach Gabe einer doppelten Dosis gadoliniumhaltigen MR-Kontrastmittels angefertigt.

Die dGEMRIC-Technik ist ein Verfahren zur indirekten GAG-Messung.

Der vermehrte Einstrom von Gd-Kontrast-mittel führt typischerweise zu einer Ver-längerung von T1-Zeiten.

Die T2-Mapping-Sequenz erlaubt keine Aussagen zur Veränderung des Wasserge-halts.

?Welche Aussage zur funktionellen Bild-gebung trifft nicht zu?

Mittels funktioneller Bildgebung ist es möglich, Regeneratgewebe von norma-lem hyalinen Knorpel zu unterscheiden.

Die Änderung der biochemischen Kompo-sition des Regeneratknorpels kann im Ver-lauf evaluiert werden.

Die 23Natrium-MRT kann nur in der Nie-derfeld-MRT (<1,5 T) eingesetzt werden.

Die 23Natrium-MRT, die CEST- und die T1rho-Technik können Veränderungen des GAG-Gehalts darstellen.

Mittels der funktionellen Techniken ist es potenziell möglich, Knorpelveränderun-gen zu detektieren, ohne dass morpholo-gische Defekte nachweisbar sind.

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Morphologische und funktionelle Knorpeldiagnostik; Morphological and functional cartilage imaging;

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