Direkte MR-Bildgebung des kardialen Biomagnetismus mittels Rotary-EXcitation (REX): Optimierung und Phantomvalidierung

Hintergrund
Rotary-EXcitation (REX) ist ein physikalischer Effekt, der eine direkte Bildgebung zeitlich variabler Magnetfelder mit einem klinischen MR-Tomographen erlaubt¹. Bislang wurde REX lediglich für eine räumlich aufgelöste Detektion neuronaler Aktivität erprobt². Die elektrische und damit einhergehenden magnetische Aktivität des Herzens verfügt gegenüber Neuronen über signifikant höhere Magnituden³, wodurch eine Anwendung im klinischen Setup denkbar ist und ein im Gegensatz zum elektroanatomischen Mapping nicht-invasiver Ansatz mit hoher Auflösung realisiert werden könnte.

Der positive Kontrast der REX-Sequenz signalisiert die Präsenz eines biomagnetischen Feldes. Gewebe, welches lokalen Biomagnetismus aufweist, erscheint unter optimalen Versuchsbedingungen infolgedessen hyperintens⁴. In dieser Arbeit präsentieren wir eine Validierung der Kardio-REX-Detektion im Phantomexperiment, wobei eine Optimierung der MR-Pulssequenz für im Herz auftretende B₀-Inhomogenitäten untersucht wurde.

Methoden
Die REX-Sequenz wurde auf einem klinischen Siemens 3T MRT implementiert (Abb. 1). Zusätzlich wurde eine B₀-optimierte Pulssequenz entwickelt, die auf den balanced Spin-Lock-Ansatz der T_1ρ-Bildgebung zurückgreift⁵. Detektionsexperimente wurden an einem Phantom, welches die Relaxationszeiten des Myokardgewebes imitiert, durchgeführt. Hierfür wurden kardiale biomagnetische Felder durch kontrollierbare, extern erzeugte Felder emuliert. Für die Detektion wurde ein an MKG-Daten angelehnter QRS-Verlauf mit einer realistischen Peak Amplitude von 14nT verwendet³ und die RR-Intervalle anhand eines EKG-Datensatzes eines Probanden nachgestellt. Die detektierten REX-Signale wurden auf ihre Robustheit gegenüber B₀-Abweichungen untersucht und mit Simulationsergebnissen verglichen.

Ergebnisse
Die QRS-Detektion ist in großen Bereichen des Phantoms erfolgreich (p<5%). Jedoch wurde eine Korrelation erhöhter p-Werte, im Zweistichproben-t-Test, mit lokalen Abweichungen des B₀-Feldes festgestellt (Abb. 2). Eine stabile Detektion konnte bei Verwendung des SSL Moduls nur in einem Bereich von ΔB₀≈-11…11Hz erfolgen (Abb. 3A). Die B₀-optimierte Sequenz erreicht eine Detektion in einem signifikant breiteren Bereich von ΔB₀≈-44…44Hz, jedoch wurde eine insgesamt um 67% verringerte REX-Amplitude beobachtet. Mess- und Simulationsergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung.

Diskussion
Die Detektion von QRS-förmigen Magnetfeldern führte im Phantommodell bei realistischen QRS-Feldstärken zu positiven Resultaten, deutet zugleich aber auf die Notwendigkeit einer hohen Homogenität des Hauptmagnetfeldes hin. Konstante B₀-Abweichungen, welche in vivo eine im Vergleich zum Phantomexperiment signifikant größere Herausforderung darstellen, reduzieren den REX-Effekt. Die Wahl der REX-Sequenz muss daher den experimentellen Bedingungen angepasst werden, da ein Kompromiss zwischen Maximierung des Detektionssignals und der Stabilität gegenüber Feldinhomogenitäten getroffen werden muss. Für die im nächsten Schritt geplante Validierung im ex-vivo Working-Heart-Modell⁶ könnte daher eine Detektion ohne B₀-Kompensation erfolgen, während für einen in-vivo Einsatz die B₀-optimierte Sequenz zu empfehlen ist.

 

[1] Witzel, et al. doi:10.1016/j.neuroimage.2008.05.010

[2] Truong, et al. doi:10.1002/mrm.27654

[3] Xu, et al. doi:10.1155/2017/3035479

[4] Albertova et al. doi:10.1002/mrm.30190

[5] Gram M, et al. doi:10.1002/mrm.28585

[6] Vaillant F, et al. doi:10.1152/ajpheart.00825.2015