COVERSTORY I

Prostatadiagnostik - Technische Grundlagen

von P. Baltzer

Wie jede organbezogene MRT verlangt die Untersuchung der Prostata Untersuchungsstandards, die eine optimale und reproduzierbare Bildqualität als Voraussetzung für die sichere Befundung gewährleisten [1]. In diesem Zusammenhang sind zwei Gütemaße der Bildqualität zu nennen: das Signal-zu-Rausch (SNR) Verhältnis, welches die relative Signalstärke der akquirierten Bilder quantifiziert. Ein niedriges SNR bedeutet durch Bildrauschen beeinträchtigte Aufnahmen, auf denen sowohl die Beurteilung von räumlichen Details als auch von Kontrasten schwerfällt. Das SNR wird beeinflusst durch die verwendete Magnetfeldstärke, die Spulentechnologie und Akquisitionsparameter.

Generell lässt sich sagen, dass höhere Feldstärken und Mehrkanalspulen einen positiven Einfluss auf das SNR ausüben, während eine schnellere Messzeit oder höhere räumliche Auflösung das SNR erniedrigen. Das Kontrast-zu-Rausch (CNR) Verhältnis hingegen gibt den normierten Signalunterschied zwischen interessierender Region (z.B. Tumor) und dem Hintergrundgewebe (z.B. dem Organ, in dem der Tumor gesucht wird) an. Das CNR ist somit ein Maß für die Sichtbarkeit einer Läsion. Es hängt von der angewandten Technik, dem SNR und der jeweiligen zu diagnostizierenden Erkrankung ab.

Technische Ausstattung (Feldstärke, Spulen)

Das verwendete MRT System hat kritischen Einfluss auf die erreichbare Auflösung der akquirierten Aufnahmen. Ist das Signal zu niedrig, muss die Auflösung angepasst werden. Erfolgt dies nicht, sind verrauschte, eingeschränkt diagnostische Aufnahmen das Ergebnis (Abbildung 1). Heute sind hauptsächlich 1.5 Tesla und 3 Tesla MRT Geräte im Einsatz. Während die ESUR bei Verwendung eines 1.5T Systems generell eine Endorektalspule empfiehlt, wird eine solche bei 3T allenfalls für das Staging eines bekannten Karzinoms empfohlen. Eine Verdopplung der Feldstärke hat generell eine ungefähre Verdopplung des verfügbaren Signals zur Folge. Die Umsetzung dieses Signals wird jedoch durch einen höheren Energieeintrag im Sinne der durch internationale Regulierungen limitierten Spezifischen Absorptionsrate, SAR, limitiert.

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Vergleich zweier unterschiedlicher Prostata-MRT ohne Verwendung einer Endorektalspule, gezeigt werden T2w-TSE Aufnahmen in axialer Schichtführung. A wurde auf einem 1.5T System, B auf einem 3T System akquiriert. Durchgezogene Pfeile zeigen jeweils histologisch gesicherte Prostatakarzinome an, der gestrichelte Pfeil in B chronisch-entzündliche Veränderungen mit Narbenbildung. Man bemerke den deutlichen Signalunterschied zugunsten B. A ist stark verrauscht und somit eingeschränkt, jedoch hier ausreichend diagnostisch.


Die Verwendung von Mehrkanalspulen und paralleler Bildgebung kann hier Abhilfe schaffen und raschere Aufnahmen ermöglichen, allerdings auf Kosten eines Teils des SNR. Generell jedoch ist die Bildqualität und erreichbare Auflösung bei 3T höher als bei 1.5T. Endorektalspulen können das lokale Signal im Bereich der Prostata noch einmal deutlich erhöhen. Essentiell ist hier die korrekte Positionierung, nachteilig wirken sich zudem Kosten und mangelhafter Patientenkomfort aus. Die technische Entwicklung sowohl der Gradientenschaltungen als auch der Sequenzprogrammierung und Spulentechnologie ist jedoch weiterhin im Umbruch. So muss hier festgehalten werden, dass auch moderne 1.5T Geräte exzellente Untersuchungen der Prostata ohne Verwendung einer Endorektalspule ermöglichen.

Multiparametrische Sequenzen

T2w

Eine T2-gewichtete (T2w) Sequenz in Turbo-Spin-Echo (T2w) Technik ist die Basis der MRT der Prostata. Diese Sequenz wird nicht nur als anatomische Referenz in drei Ebenen verwendet, sondern spielt auch in der Tumorcharakterisierung eine große Rolle. Während das CNR von Tumoren, d.h. ihre Sichtbarkeit im Vergleich zur Prostata in dieser Sequenz insbesondere in der Transitionszone der Prostata eher niedrig ist, ermöglicht die hohe räumliche Auflösung eine Erfassung morphologischer Parameter. So gilt die T2w-TSE Sequenz mittlerweile als wichtigste diagnostische Sequenz zur Beurteilung von Herdbefunden der Transitionszone: da hier die multiparametrischen Sequenzen aufgrund der Überschneidung benigner und maligner Veränderung regelhaft sowohl falsch positive als auch falsch negative Befunde hervorrufen, hat sich die Beurteilung von Form und Randstruktur auf der T2w als wichtigstes diagnostisches Kriterium etabliert [2].

Bei der Verwendung der T2w-TSE Sequenz muss ein entsprechend hohes SNR sichergestellt werden. Die Verwendung einer Endorektalspule oder die Messung bei 3T bei Verzicht auf eine solche ermöglichen ein ausreichend hohes Signal für adäquat diagnostische Aufnahmen. Für die anatomische Zuordnung von Läsionen sowie die Beurteilung eines möglicherweise organüberschreitenden Tumorwachstums wird die T2w-TSE Sequenz in drei Raumebenen akquiriert. Dies ist zeitaufwändig und benötigt etwa 15 Minuten Messzeit. Eine attraktive Alternative stellt sich hier in Form von modernen 3D TSE Sequenzen dar, welche eine isotrope Volumenmessung ermöglichen und somit in weniger als 5 Minuten die dreidimensionale Messung der Prostata gewährleisten [3]. Raumebenen können durch multiplanare Rekonstruktion nicht nur in den klassischen axialen, sagittalen und coronaren Ebenen gewählt, sondern an die jeweilige Untersuchung angepasst werden (Abbildung 2). Nachteil der 3D TSE Sequenzen ist ihre größere artefaktanfälligkeit aufgrund Volumensanregung und der Verwendung längerer Echozüge.



Vergleich einer klassischen 2D T2w mit einer 3D T2w Sequenz. A1 zeigt die axiale Akquisition, A2 die coronare Akquisition der 2D Sequenz. B1 hingegen demonstriert die axiale Rekonstruktion, B2 die coronare Rekonstruktion einer 3D T2w Sequenz die in einer Akquisition aufgenommen wurde und weniger als die Hälfte der Akquisitionszeit benötigt.


Die T2-gewichtete Darstellung ist gemäß PI-RADS v2 die Leitsequenz für die Diagnostik der Transitionszone und bestimmt das diagnostische Ergebnis. Im Falle unklarer, mutmaßlich gutartiger Befunde (PI-RADS 3) kann das Ergebnis lediglich durch einen PI-RADS 5 Befund in der DWI heraufklassifiziert werden [2]. Dieser Umstand belegt die Tatsache, dass aufgrund des zahlreichen Vorkommens von in der funktionellen kontrastmittelangehobenen oder diffusionsgewichteten Darstellung falsch positiver Befunde in der Transitionszone morphologische Kriterien eine dominante Rolle spielen. Für deren Beurteilung ist eine zuverlässlich hohe Bildqualität erforderlich.

DWI

Die diffusionsgewichtete Bildgebung hat sich inzwischen fix als essentielle Sequenz in Prostataprotokollen etabliert [1]. Basis ist eine schnelle, wassersensitive, T2-gewichtete EPI-Sequenz. Durch die Akquisition von zumindest zwei Aufnahmen unterschiedlicher Diffusionswichtung (üblicherweise eine nicht oder kaum diffusionsgewichtete Aufnahme mit b= 0 oder 50 s/mm2 sowie eine stark diffusionsgewichtete Aufnahme mit b>/=1000 s/mm2). Aus den diffusionsgewichteten Aufnahmen lässt sich mittels unter Annahme eines diffusionsabhängigen monoexponentiellen Signalabfalls automatisiert eine parametrische Karte der Diffusivität berechnen. Da die gemessene Diffusivität durch verschiedene Effekte beeinflusst wird, spricht man bei dieser einfachsten, jedoch auch robustesten Diffusionsmessung von dem Apparent Diffusion Coefficent, ADC.

Dieser wird durch die Mikrostruktur des untersuchten Gewebes – Stichworte Zellularität und Stromareaktion - beeinflusst und zeigt charakteristisch niedrige Werte in Malignomen. Obwohl sensitiv ist dieser Parameter nicht spezifisch, da auch Entzündungen und besonders BPH Knoten eine signalarme Darstellung zeigen können. Detektiert werden Herdbefunde primär auf den stark diffusionsgewichteten Bildern, dabei gilt: je stärker die Diffusionswichtung, desto stärker der Kontrast. Stark diffusionsgewichtete Aufnahmen lassen sich dabei auch aus bereits akquirierten, niedriger diffusionsgewichteten Bildern interpolieren. b-Werte zwischen 1500-2500 s/mm2 gelten als optimal, doch hängt die Realisierbarkeit solch starker Wichtungen stark vom verfügbaren Signal des MRT Systems ab [4]. Ist es zu niedrig, werden die Aufnahmen durch starkes Bildrauschen unbrauchbar, so können insbesondere 1.5T Geräte ohne Verwendung einer Endorektalspule selten qualitativ ausreichende DWI Aufnahmen mit b-Werten >800 s/mm2 realisieren.

Da in der Praxis auch patientenabhängige Schwankungen beobachtet werden, erscheint die Akquisition von drei b-Werten (0, 800, 1400 s/mm2, zu variieren nach der Signalausbeute) sinnhaft. Generell sind jedoch nur zwei b-Werte notwendig, und auch komplexere Diffusionstechniken wie die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI), Intravoxel incoherent motion imaging (IVIM) oder Diffusions-Kurtosis-Bildgebung (DKI) bringen keinen erwiesenen Vorteil in der Praxis. Für die periphere Zone der Prostata ist die DWI die Leitsequenz in der aktuellen PI-RADS v2 und bestimmt hier bis auf den Fall eines unklaren DWI Ergebnisses die Diagnose [2]. Ein solcher PI-RADS 3 Befund kann dann nur durch eine positive Kontrastmittelanreicherung heraufgestuft werden.

DCE

Die dynamische kontrastmittelgestützte MRT stellt mit Hilfe schneller Gradientenechosequenzen zeitlich hochaufgelöst Signalintensitätsunterschiede nach i.v. Kontrastmittelinjektion dar. Darüber lassen sich Rückschlüsse auf die Perfusion des Gewebes, die Permeabilität der Gefäße und das extrazelluläre Verteilungsvolumen ziehen. Eine solche quantitative Auswertung benötigt qualitativ hochwertige Daten mit maximaler zeitlicher Auflösung (<10 Sekunden/Akquisition) bei gutem SNR. Dabei werden die Messdaten in ein Programm geladen, welches mit Hilfe einer nichtlinearen Regression pixelweise die Messdaten pharmakokinetischen Modellen anpasst. Die Berechnung wird dabei nicht nur von Messparametern wie Feldstärke des Gerätes, Homogenität der Anregung und Dosis sowie Art des verwendeten Kontrastmittels, sondern auch von der Kreislauffunktion und dem Hämatokrit beeinflusst. Darüber hinaus gibt es mehrere mathematische Wege und auch Lösungen für das Gleichungssystem mit mehreren Unbekannten, was die Inhomogenität zwischen verschiedenen Systemen und damit die mangelhafte Durchsetzung in der klinischen Praxis erklärt. Die aktuellen PI-RADS v2 Richtlinien verzichten denn auch auf eine (semi-)quantitative Auswertung von DCE-Daten, sondern bewerten lediglich die Präsenz einer frühen Kontrastmittelanreicherung als positives Zeichen für Malignität. Allerdings ist dieses nur mehr ein Zusatzkriterium und beeinflusst die Diagnose selten [2]. In der Praxis können multiparametrische Kartierungen die Visualisierung von Anreicherungscharakteristika deutlich vereinfachen (Abbildung 3).



Beispiel einer multiparametrischen MRT Untersuchung und MRT-gezielten Biopsie (A: T2w, B: parametrische Karte der DCE, rot zeigt eine rasche Anreicherung gefolgt von Washout des Kontrastmittels an, C: b 1400 s/mm2 Aufnahme der DWI, D: ADC-Karte). Die Läsion in der dorsolateralen peripheren Zone rechts ist aufgrund der Größe und Darstellung jeweils als PI-RADS 4 in T2w und DWI zuklassifizieren, DCE positiv, Gesamt-PI-RADS: 4, suspekter Befund. E1 zeigt die Ausrichtung der Biopsie-Nadelführung, E2 dokumentiert die Biopsienadel in korrekter Position. Es traten keinerlei peri-interventionellen Komplikationen auf, gesichert wurde ein Gleason 7 (3+4) Karzinom.


MRT-gezielte Biopsie

Die MRT-gezielte Prostatabiopsie kommt zur Biopsie von in der MRT detektierten suspekten Herdbefunden zur Anwendung (Abbildung 3). Dabei kann unter Verwendung einer speziellen Nadelführung mit oder ohne Softwareplanung die transrektale stereotaktische Biopsie von Prostataläsionen anhand von Planungssequenzen erfolgen. Die MRT gezielte Biopsie ist dadurch genauer als systematische oder ultraschallgeführte Biopsien [5]. Die Untersuchung erfolgt üblicherweise in Bauchlage unter Verwendung einer auf dem Rücken liegenden Oberflächenspule. Die Einführung der Nadelführung aus Kunststoff wird durch mit Lokalanaesthetika versetztes Gel erleichtert, die Biopsie selbst erfolgt mit 18G Nadeln unter antibiotischer Abschirmung [5].

Fazit

Die MRT der Prostata ist derzeit eine multiparametrische und kontrastmittelgestützte Untersuchung. Die aktuell verwendeten und auch in einem klinischen Befundungsalgorithmus enthaltenen Sequenzen (Parameter) sind T2w (Morphologie), DWI (Mikrostruktur) und DCE (Vaskularisation). Die MR-Spektroskopie spielt aufgrund ihrer technischen Herausforderungen sowie der umständlichen Auswertung bei unbewiesenem Mehrwert für die diagnostische Genauigkeit derzeit keine Rolle [2], [6]. Ein derzeitiges MRT Protokoll der Prostata benötigt gut eine halbe Stunde Gerätezeit, die Verwendung von 3D T2w Sequenzen kann hier potentiell eine Zeitersparnis bewirken. Die Güte der akquirierten Aufnahmen hängt von einer Abstimmung der Messparameter auf das verwendete System ab. So erreichen 3T Geräte und oder die Verwendung von Endorektalspulen potentiell eine höhere Signalausbeute und somit qualitativ bessere Aufnahmen. Insbesondere die Endorektalspule aber wird aufgrund mangelhaften Komforts, hoher Kosten sowie eines unbestimmten diagnostischen Mehrwerts insbesondere auf modernen MRT Systemen zunehmend auch bei 1.5T verlassen.

Referenzen

  1. J. O. Barentsz, J. Richenberg, R. Clements, P. Choyke, S. Verma, G. Villeirs, O. Rouviere, V. Logager, J. J. Fütterer, and European Society of Urogenital Radiology, “ESUR prostate MR guidelines 2012,” Eur. Radiol., vol. 22, no. 4, pp. 746–757, Apr. 2012.
  2. H. A. Vargas, A. M. Hötker, D. A. Goldman, C. S. Moskowitz, T. Gondo, K. Matsumoto, B. Ehdaie, S. Woo, S. W. Fine, V. E. Reuter, E. Sala, and H. Hricak, “Updated prostate imaging reporting and data system (PIRADS v2) recommendations for the detection of clinically significant prostate cancer using multiparametric MRI: critical evaluation using whole-mount pathology as standard of reference,” Eur. Radiol., Sep. 2015.
  3. F. Cornud, M. Rouanne, F. Beuvon, D. Eiss, T. Flam, M. Liberatore, M. Zerbib, and N. B. Delongchamps, “Endorectal 3D T2-weighted 1mm-slice thickness MRI for prostate cancer staging at 1.5Tesla: should we reconsider the indirects signs of extracapsular extension according to the D’Amico tumor risk criteria?,” Eur. J. Radiol., vol. 81, no. 4, pp. e591-597, Apr. 2012.
  4. A. B. Rosenkrantz, N. Parikh, A. S. Kierans, M. X. Kong, J. S. Babb, S. S. Taneja, and J. M. Ream, “Prostate Cancer Detection Using Computed Very High b-value Diffusion-weighted Imaging: How High Should We Go?,” Acad. Radiol., vol. 23, no. 6, pp. 704–711, Jun. 2016.
  5. S. H. Polanec, T. H. Helbich, M. Margreiter, H. C. Klingler, K. Kubin, M. Susani, K. Pinker-Domenig, and P. Brader, “Magnetic resonance imaging-guided prostate biopsy: institutional analysis and systematic review,” RöFo Fortschritte Auf Dem Geb. Röntgenstrahlen Nukl., vol. 186, no. 5, pp. 501–507, May 2014.
  6. S. H. Polanec, K. Pinker-Domenig, P. Brader, D. Georg, S. Shariat, C. Spick, M. Susani, T. H. Helbich, and P. A. Baltzer, “Multiparametric MRI of the prostate at 3 T: limited value of 3D (1)H-MR spectroscopy as a fourth parameter,” World J. Urol., Sep. 2015.



Autor
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Assoc.Prof. Priv.-Doz. Dr. Pascal A.T. Baltzer
Universitätsklinik für Radiologie und Nuklearmedizin
Allgemeines Krankenhaus/Medizinische Universität Wien
Währinger Gürtel 18-20, A-1090 Wien
pascal.baltzer@meduniwien.ac.at