Untersuchungen zur Auswirkung zeitlich und räumlich inkonstanter Flüssigkeitsströmungen auf die Messqualität der MR-Phasenkontrastangiographie an einem geometrisch variablen Strömungskanal

Abstract

Motivation: Weltweit werden jedes Jahr 280 000 Herzklappen eingesetzt und laut WHO sind Gefäßerkrankungen die häufigste Todesursache in Deutschland und weltweit. Insbesondere Veränderungen der Strömungsgeometrie im menschlichen Blutkreislauf durch Gefäß- und Klappenprothesen oder Atherosklerose können zu Gefäßerkrankungen führen. Mit der Magnetresonanz-Phasenkontrastangiographie (PC-MRA) steht der Radiologie ein mächtiges Werkzeug zur Beurteilung der Strömungsverhältnisse im Herz-Kreislauf-System des Menschen zur Verfügung. Die physikalischen Grundlagen der Methode zeigen jedoch, dass die Messergebnisse für räumlich inhomogene, zeitlich inkonstante Strömungssituationen, wie sie bei Turbulenzen durch Stenosen oder Jets bei Herzklappeninsuffizienzen auftreten, nicht valide sind. Ziel: Das Ziel dieser Arbeit war es, laminare und turbulente Strömungen anhand der Daten aus PC-MRA-Messungen zu erkennen und die Auswirkungen von Geschwindigkeitsgradienten und Störungen des Magnetfeldes auf die PC-MRA zu untersuchen. Material und Methoden: Die Messungen im Kernspintomographen wurden an einem 81 cm langen, durch Rohreinsätze hochvariablen Strömungsphantom mit einem Durchmesser von 4,95 cm durchgeführt. Dieses erlaubte die Messung von Strömungen mit einer großen Bandbreite von Reynolds-Zahlen von 700 - 22 000 und war für den Dauerbetrieb ausgelegt. Anhand verschiedener Ansätze mit laminaren, turbulenten und hochturbulenten Strömungen mit teils inhomogenisiertem Magnetfeld wurden die Störeinflüsse auf die PC-MRA untersucht. Ergebnisse: Es war eine statistisch signifikante Unterscheidung zwischen Daten aus Messungen mit laminarer und turbulenter Strömung möglich. Die Effekte von Turbulenz und hohen Geschwindigkeitsgradienten innerhalb der Voxel auf die Signalstärke konnten genutzt werden, um durch die Wahl einer für langsame Flussgeschwindigkeiten sensiblen Geschwindigkeitskodierung auf die Amplitude der turbulenten Geschwindigkeitsschwankung zu schließen. Diese Methode eignete sich darüber hinaus, anhand der Effekte von Geschwindigkeitsgradienten Jets, wie sie bei Herzklappeninsuffizienzen oder Stenosen auftreten, aufzuzeigen. Die hohe zeitliche Auflösung der Sequenz ermöglichte die Darstellung von Fluktuationen des erzeugten Jets. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Störungen der Homogenität des Magnetfeldes zu Signalabschwächungen führen und außerdem zu Messfehlern der Flussgeschwindigkeit führen können. Fazit: Diese Arbeit ermöglicht eine bessere Bewertung und Interpretation der Messergebnisse bei Flussmessungen mittels PC-MRA. Die Methoden zur Charakterisierung einer Strömungssituation als laminar oder turbulent erlauben eine bessere Beurteilung der Validität von Flussmessungen und geben Anlass, die gemessenen Daten genauer und kritischer zu betrachten. Durch Messung der Signalstärke von für kleine Geschwindigkeiten sensitive Flussmessungen können Turbulenzen und Jets entdeckt werden, die in Messungen mit Standardeinstellungen nicht genau gemessen werden können. Die Ergebnisse zu den Einflüssen von Magnetfeldstörungen auf die Flussmessung motivieren für weitere Forschung in diesem Bereich.