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An dieser Seite wird noch gearbeitet, eine ausführlichere Abhandlung über funktionelle Magnetresonanztomographie finden Sie in meiner Dissertation.

funktionelle Magnetresonanztomographie


	Gehirnaktivierung:


	Werden im Rahmen bestimmter Verarbeitungsprozesse im Gehirn Nervenzellen aktiv, so kommt es zu einer Erhöhung des regionalen cerebralen Blutflusses (rCBF), was mit einem vermehrten Antransport von Sauerstoff in die aktive Hirnregion verbunden ist. Da dabei aber das O2-Angebot denO2-Bedarf übersteigt, erhöht sich im venösen Schenkel des Kapillarbettes die lokale O2-Konzentration, was auch die lokalen magnetischen Verhältnisse beeinflußt. O2-beladenes Oxy-Hb (HbO2) ist diamagnetisch und beeinflußt somit die Feldlinien des makroskopischen Magnetfeldes B0 im Inneren des MR-Scanners nicht, Desoxy-Hb (Hb) bewirkt lokal kleine Magnetfeldinhomogenitäten, da es paramagnetisch ist. Wenn sich der HbO2-Anteil im Blut erhöht und der Hb-Anteil abnimmt, so verlängert sich auch die von den lokalen magnetischen Verhältnissen abhängige T2-Zeit, die Protonenspins dephasieren langsamer, und es kommt in speziell T2-gewichteten Sequenzen zu einem Signalanstieg. Dieser Effekt wird auch als BOLD (blood oxygenation level dependant)-Effekt bezeichnet. Es kommt in der aktiven Hirnregion aber noch zu dem sogenannten “Inflow-Effekt”, der dadurch zustande kommt, daß für den vermehrten O2-Antransport die präkapillären Sphinkteren dilatieren, der Blutfluß in das Kapillarbett ansteigt und somit vermehrt nicht gesättigte Spins aus benachbarten Schichten einströmen, was wiederum zu einem erhöhten Signal aus der aktiven Hirnregion führt.

Aktivierungsparadigma:

	Um eine bestimmte Gehirnregion selektiv zu aktivieren, muß ein geeignetes Aktivierungsparadigma gewählt werden. Durch Tippen mit den Fingern können z.B. die motorische Hirnrinde, durch Lichtblitze die Sehrinde, durch Sinustöne die Hörrinde oder durch Sprachaufgaben die Gehirnregionen für höhere kognitive Leistungen aktiviert werden. Bei der MR-Untersuchung wird zuerst eine Schicht durch die Region gelegt, die aktiviert werden soll. Von dieser Schicht wird dann eine größere Anzahl von Bildern im Abstand von wenigen Sekunden aufgenommen. Während der Messung wechseln sich Phasen der Ruhe und Phasen der Aktivierung in einer genau definierten Abfolge ab. Werden z.B. insgesamt 60 Bilder gemessen, so könnte man mit 10 Ruhebildern beginnen und anschließend während weiteren 10 Bildern die interessierende Hirnregion aktivieren und diesen Ablauf dreimal wiederholen.

Meßprotokoll:

		FMRI-Messungen können an einem 1.5 Tesla Routine-MR-Scanner durchgeführt werden, der mit speziellen Gradientenspulen für die schnelle Bildgebung (z.B. Gradientenanstiegszeit 600 µsec, Gradientenstärke 25 mT/ms) und einer zirkular polarisierten Kopf- oder Oberflächenspule für den Kopfbereich sowie einer speziellen Vorrichtung zur Fixierung des Patientenkopfes ausgerüstet sein muß, da auch schon minimale Kopfbewegungen das Meßergebnis empfindlich stören, weil dadurch Aktivierungen vorgetäuscht werden. Zur Anwendung kommen vor allem speziell T2*-gewichtete FLASH2D- (fast low angle shot 2 dimensional, TR/TE/a = 100ms/ 46ms/12°, Matrix = 256x256, Voxeldimension = 1.47x1x3 mm3 ) und single shot EPI- (echo planar imaging, TR/TE/a = 1.64ms/ 64ms/90°, Matrix = 64x128, Voxeldimension = 2.94x1.95x3 mm³ ) Gradientenechosequenzen, die in 2 Sekunden bis zu 15 Schichten gleichzeitig aufnehmen können.


	Datenauswertung:


	Da es während der Aktivierungsphasen in den aktiven Gehirnregionen zu einem Signalanstieg des MR-Signals kommt, lassen sich mit geeigneten statistischen Methoden Signaldifferenzen zwischen den Ruhe- und den Aktivierungsbildern bestimmen, die zu einem Aktivierungsbild verarbeitet werden können. Bei einer Feldstärke von 1.5 Tesla bewegen sich diese Signaldifferenzen in der Größenordnung von 3-5%. Um diese feinen Signalunterschiede darzustellen, eignen sich statistische Auswerteverfahren, die entweder auf einer Differenzbildung zwischen den Ruhe- und Aktivierungsbildern beruhen (Z-Score, Student t-test), oder den Intensitäts-Zeit-Verlauf in den Pixeln der Bildmatrix mit einer geeigneten Referenzfunktion (z.B. Rechteckfunktion, Sinusfunktion, die einen idealisierten Intensitäts-Zeitverlauf in einem Pixel der aktiven Gehirnregion darstellen sollen) korrelieren (Kreuzkorrelation). Aber auch wesentlich kompliziertere mathematische Verfahren wie Fast-Fourier-Transformation, Faktorenanalyse oder neuronale Netze kommen zur Anwendung.

	Da durch unwillkürliche auch schon minimalste Kopfbewegungen im Bereich von Bruchteilen von Millimetern Aktivierungen vorgetäuscht werden können, sollte vor der Datenauswertung noch eine Bewegungskorrektur derjenigen Bilder durchgeführt werden, die sich gegenüber einem Referenzbild(z.B. erstes Bild der Meßserie) aus ihrer ursprünglichen Position bewegt haben. Durch Rücktranslation und Rückrotation werden alle Bilder der Meßserie mit dem Referenzbild wieder zur Deckung gebracht. Um die aktiven Hirnareale auch anatomisch zuordnen zu können, wird dem funktionellen MR-Bild ein anatomisches Bild unterlegt. Dem Gehirn kann aber auch ein spezielles Koordinatensystem zugrundegelgt werden, welches die anatomische Auswertung dann erheblich erleichtert. Für funktionelle Gehirnuntersuchungen eignet sich dazu vor allem das Koordinatensystem von Talairach, das auf einer transversalen Grundebene durch die vordere und hintere Kommissur, einer coronaren Grundebene vertikal dazu durch die vordere Kommissur und einer sagittalen Grundebene durch den Interhemisphärenspalt beruht. Damit lassen sich dann die aktiven Hirnareale mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich lokalisieren.


	klinische Anwendungen:

Zur Zeit liegen bereits Studienergebnisse vor, die zeigen, daß FMRI-Untersuchungen gute Ergebnisse bei der Untersuchnung der Hemisphärendominanz ergeben, wie sie im Rahmen der präoperativen Diagnostik von Patienten mit therapierefraktärer Epilepsie durchgeführt wird (Bild 1: Sprachaktivierung im Wernicke-Sprachzentrum der sprachdominanten linken Hemisphäre beim Hören eines Zeitungstextes. Die Sprache kann aber auch in der rechten Hemisphäre dominant veranlagt sein oder bilateral ohne Hemisphärendominanz organisiert sein).

Bild 1 MRI Innsbruck

Bis jetzt wird zur Klärung dieser Frage der Wada-Test durchgeführt, bei dem über einen Femoraliskatheter ein Barbiturat zur Narkotisierung einer Gehirnhälfte in die A. carotis interna injiziert wird. Schwerwiegende Ausfälle von Spach- und Gedächtnisleistungen sowie contralaterale Hemiparese weisen auf die dominante Hemisphäre hin, an der ein epilepsiechirurgischer Eingriff tiefgreifende Störungen der Sprach- und Gedächtnisfunktion zur Folge hätte. Möglicherweise stellt in Zukunft die funktionelle Magnetresonanztomographie eine echte Alternative zum invasiven Wada-Test dar.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten finden sich im präoperativen Mapping corticaler Funktionen, welches dem Neurochirurgen Resektionsgrenzen vorgibt, was mittlerweile klinisch bei Tumoren im Bereich der motorischen Hirnrinde angewendet wird, um die motorischen Hand- (Bild 2: Gehirnaktivierung im rechten Gyrus präcentralis, in dem das primäre motorische Handareal lokalisiert ist, beim Bewegen der Finger der linken Hand. Weiter hinten im Parietallappen kommt es dabei zu einer Mitaktivierung im sensiblen Cortex, da die Sensibilität bei jeder motorischen Aktivität durch ihre Muskel-, Sehen-, Gelenks- oder Tastrezeptoren mitbeteiligt ist) und Fußareale abzugrenzen.

Bild 2 MRI Innsbruck

Gute Ergebnisse werden auch bei der Diagnose verschiedener extrapyramidal-motorischer Erkrankungen erzielt, wo Hyper- bzw. Hypoaktivität im Bereich von Thalamus, Basalganglien und Kleinhirn auf die Art der Erkrankung hinweisen können. Neuerdings werden auch Verlaufsstudien bei Schlaganfallpatienten gemacht, die zeigen, daß durch corticale ischämische Läsionen verlorengegangene Hirnfunktionen nach und nach von anderen Cortexregionen übernommen werden. Auch in der Psychiatrie ergeben sich Anwendungen, da Schizophrenie-Patienten und Patienten mit endogener Depression ganz spezielle corticale Aktivierungsmuster zeigen.


	Grundlagenforschung:

Die funktionelle Magnetresonanztomographie gewinnt immer mehr Bedeutung in der physiologischen Grundlagenforschung, wie etwa die Erforschung des Einflusses verschiedener Atemparameter wie CO2- und O2-Konzentration auf die cerebrale Mikrozirkulation, was für die Hirnödemtherapie von großer Bedeutung ist. Im Bereich der Neurorehabilitation konnte gezeigt werden, daß bei Patienten nach Schlaganfall oder Hirntumoroperation mit neurologischen Ausfällen im Bereich der oberen Extremität bei therapeutischen Ansätzen mit peripherer elektrischer Stimulation, die zu verbesserten motorischen Leistungen führten, tatsächlich vermehrt corticale Aktivierung im Bereich der motorischen Hirnrinde auftritt.


	Zusammenfassung:


	Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist eine neue Methode zur Darstellung von Gehirnaktivität. In dem aktiven Gehirnareal führen der BOLD- und der Inflow-Effekt zu einem Signalanstieg im MR-Bild von 3-5%, was ausgenützt werden kann, um funktionelle Bilder des Gehirns zu erzeugen. Die 2 wichtigsten zur Anwendung kommenden Sequenzen sind die beiden Gradientenechosequenzen FLASH2D und EPI.

Um das Gehirn selektiv in bestimmten Arealen zu aktivieren, kommen motorische (z.B. Fingertippen), visuelle (z.B. Lichtblitze, Schachbrettmuster), auditive (z.B. Sinustöne), somatosensorische (z.B. periphere elektrische Stimulation) Paradigmen sowie das gesamte neuropsychologische Paradigmeninventar zur Anwendung, welches jedoch speziell auf MR-Umgebung implementiert werden muß, was unter Umständen erhebliche Schwierigkeiten bereiten kann, da alle metallischen Materialien ausgeschlossen werden müssen. Die funktionellen Daten werden in einem ersten Nachverarbeitungsschritt bewegungskorrigiert und anschließend mit Hilfe mathmatisch-statistischer Verfahren ausgewertet, wobei durch Schwellwertbildung das Aktivitätsniveau festgelegt werden kann, um das Rauschen im funktionellen MR-Bild möglichst zu eliminieren. Für die funktionelle anatomische Auswertung eignet sich besonders das Koordinatensystem von Talairach.

Klinische Anwendungen findet das FMRI vor allem in der präoperativen Diagnostik vor chirurgischen Eingriffen bei Patienten mit therapierefraktärer Epilepsie zur Bestimmung der sprachdominanten Hemisphäre als Ersatz für den Wada-Test, im präoperativen funktionellen Mapping corticaler Funktionen vor neurochirurgischen Eingriffen zur Bestimmung von Resektionsgrenzen, um schwerwiegende postoperative funktionelle Ausfälle zu verhindern, als Ersatz für ein zeitaufwendiges intraoperatives elektrophysiologisches Mapping, in der Verlaufs- und Therapiekontrolle von Schlaganfall- und Tumorpatienten oder von Patienten mit Schädel-Hirn-Trauma in Rehabilitation, in der Diagnostik extrapyramidal-motorischer Erkrankungen oder als zusätzliches Diagnosekriterium bei bestimmten psychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie und endogene Depression. Anwendungen zur Zeit in der physiologischen Grundlagenforschung sind Hirnödemtherapie und Neurorehabilitation.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (FMRI) zeichnet sich gegenüber funktionellen Gehirnuntersuchungen mit der Positronenemmissionstomographie (PET) oder der Single Photon Emmissionscomputertomographie (SPECT) durch Nichtinvasivität und fehlende Strahlenbelastung sowie durch eine wesentlich bessere räumliche (Millimeterbereich) und zeitliche Auflösung (Sekundenbereich) aus, erreicht allerdings nicht die zeitliche Auflösung der Elektroencephalographie (EEG) und der Magnetencephalographie (MEG), die bei diesen Verfahren im Millisekundenbereich liegt.

Die immer besseren Hardwaremöglichkeiten und die Entwicklung neuer Sequenzen und Datenauswerteverfahren werden die funktionelle Magnetresonanztomographie in Zukunft zu einer echten Alternative zu herkömmlichen funktionellen Gehirnuntersuchungen werden lassen, und bei verschiedenen neurologischen und präoperativen neurochirurgischen Fragestellungen das diagnostische Spektrum erweitern. Vielfältige Anwendungen ergeben sich weiters in der physilogischen Grundlagenforschung.