Contrast Media Application in low-Kilovolt Computed Tomography Angiography. Preclinical in-vivo Studies

Abstract

Hintergrund und Ziele Fortschritte in der Computertomographie (CT), insbesondere in der Röhrentechnologie, ermöglichen den breiten Einsatz von Niedrigkilovolt-Protokollen mit Röhrenspannungen ab 70 Kilovolt (kV). Bei niedrigen Röhrenspannungen ist der Jodkontrast sehr hoch, dies lässt sich insbesondere für die CT-Angiographie (CTA) nutzen. Der erhöhte Jodkontrast ermöglicht bei gleichbleibender Bildqualität der CTA entweder die Kontrastmitteldosis oder aber die Strahlenexposition des Patienten signifikant zu reduzieren. In der Vergangenheit war der Einsatz der Niedrig-kV-CTA auf eine kleine Patientengruppe beschränkt, nämlich Kinder und sehr schlanke Jugendliche oder Erwachsene. Die damals zur Verfügung stehenden Röntgenröhren lieferten im Niedrig-kV-Bereich zu wenig Leistung, sodass diese Technik sich in der klinischen Routine bei Erwachsenen nicht durchsetzen konnte. Mittlerweile werden bei handelsüblichen CT-Geräten entsprechend leistungsfähige Röhren eingesetzt, die bei der überwiegenden Mehrzahl von Patienten den Einsatz der Niedrig-KV Technik ermöglichen [1]. Die Folge davon ist, dass die gängigen Kontrastmittelprotokolle reevaluiert und entsprechend angepasst werden müssen. Um Kontrastmittelprotokolle für die CT-Angiographie standardisiert zu testen und zu optimieren, wurde in den beiden Studien, die in der vorliegenden Arbeit „Kontrastmittelapplikation in Niedrigkilovolt computertomographischen Angiographien. Präklinische in-vivo-Studien“ enthalten sind, ein systematischer präklinischer Ansatz gewählt und unterschiedliche Protokolle am Schweinemodell überprüft. In der Arbeit „Auswirkungen der Kontrastmittelkonzentration auf Niedrigkilovolt-Computertomografische Angiographien: Ein systematischer präklinischer Ansatz. wurde der Einsatz von Kontrastmitteln mit unterschiedlicher Jodkonzentration bei identischer Jod-Einbringrate (iodine delivery rate, IDR) getestet. Die Hypothese war, dass bei konstanter Jodflussrate und vergleichbarer Jodmenge unabhängig von der Jodkonzentration des Kontrastmittels eine robuste, homogene und vergleichbare Kontrastierung der Aorta zu erzielen ist. In der Arbeit „Beziehungen zwischen einer niedrigen Röhrenspannung (70kV) und der Jodeinbringrate (IDR) in CT Angiographien: Eine experimentelle in-vivo Studie.“ war das Ziel, Kontrastmittelparameter wie Injektionszeit und IDR zu optimieren.

Methoden In beiden Studien wurden dynamische CTAs an Schweinen mit einem dual-source CT der 3. Generation durchgeführt. Durch Messpunkte in der Aorta, den aortalen Ästen und im Truncus Pulmonalis bzw. den Pulmonalarterien wurden Zeit-Dichte-Kurven (time-attenuation curves, TAC) gemessen, mit denen die Kontrastmitteldynamik (maximal erreichter Dichtewert im Zielgefäß (peak) und Zeit bis zum maximalen Dichtewert (time to peak, TTP) analysiert werden konnten. Des Weiteren wurden die Bildqualität und das sog. „diagnostische Fenster“, definiert als die Zeitdauer, bei der im Zielgefäß eine Dichte > 300 HE (Hounsfield-Einheiten) erzielt wird, bevor es zu einer relevanten venösen Überlagerung kommt, beurteilt. In Studie 1 wurde die Reproduzierbarkeit der optimalen Parameter im Single-Phasen CTA getestet. Da sich die wiederholte Messung bei Menschen verbietet und ex-vivo Modelle nur eine eingeschränkte Abbildung der physiologischen Vorgänge ermöglichen, wurden die Versuche an ca. 60 Kilogramm (kg) schweren Hausschweinen durchgeführt. Die entsprechende behördliche Genehmigung sowie die tierschutzrechtlichen Vorgaben lagen vor. Für die Versuchsreihen wurden die Tiere narkotisiert und künstlich beatmet, während der Untersuchungen wurden die Tiere durchgehend von einem Veterinär überwacht. In der ersten Studie wurden drei KM-Protokolle (Kontrastmittel-Protokolle) bei einer Röhrenspannung von 70 kV und einem Röhrenstrom von 120 Milliamperesekunden (mAs) getestet. Die Joddosis (150 Milligramm Jod/kg Körpergewicht, mg J/kg KG), IDR (0,75 Gramm/Sekunde, g/s) und Injektionszeit pro Tier (12 Sekunden, s) wurden konstant gehalten. Durch unterschiedliche Jodkonzentrationen (Milligramm Jod/Milliliter, mg J/ml) und Flussraten (Milliliter/Sekunde, ml/s) ergaben sich: Protokoll A (400 mg J/ml; 1,9 ml/s), Protokoll B (300 mg J/ml; 2,5 ml/s) und Protokoll C (150 mg J/ml; 5 ml/s). Im Rahmen der zweiten Studie wurden vier KM-Protokolle angewandt. Als Referenzprotokoll diente ein Protokoll mit 120 kV, 50 mAs und einer Joddosis von 300 mg J/kg, die restlichen Protokolle mit 70 kV, 120 mAs und 150 mg J/kg. Durch eine unterschiedliche IDR (g/s), Flussrate (ml/s) und Injektionszeit (s) ergaben sich: Protokoll A (Referenz; 1,5 g/s; 5 ml/s; 12 s), Protokoll B (0,75 g/s; 2,5 ml/s; 12 s), Protokoll C (1,5 g/s; Flussrate 5 ml/s; 6 s) und Protokoll D (3,0 g/s; 10 ml/s; 3 s).

Ergebnisse und Beobachtungen Mit allen Injektionsprotokollen beider Versuchsreihen konnte eine gute Bildqualität erzielt werden. Für Studie 1 lagen die mittleren arteriellen Dichtewerte während der dynamischen Scans bei 359 ± 51 HE (A), 382 ± 36 HE (B) und 382 ± 60 HE (C) (A verglichen mit Protokoll B und C: p < 0,01; B verglichen mit C: p = 0,995), diese Ergebnisse konnten in den statischen CTA Untersuchungen bestätigt werden. Die TTP verkürzte sich ebenso wie die Verzögerungszeit für das Bolus-Tracking mit ansteigender Flussrate. Das diagnostische Fenster lag zwischen 4,3 s (Protokoll A) und 5,4 s (Protokolle B und C). Je höher die IDR in Studie 2 war, desto kürzer war die TTP wie auch die Injektionszeit. Mit Ausnahme des Vergleichs von Protokoll A und B (p = 0,843 für die Aorta und Äste, p = 0,183 für die Pulmonalarterien) waren alle Zeitunterschiede signifikant. Die Verzögerungszeiten waren für Protokolle A und B (3,9 s; 4,3 s) sowie C und D (2,4 s; 2,0 s) vergleichbar. Die diagnostischen Fenster waren für alle Protokolle vergleichbar. Die mittlere arterielle Kontrastierung war bei den Protokollen C und D signifikant höher als bei den Protokollen A und B (p < 0,001). Für A verglichen mit B (p = 0,998) und C verglichen mit D (p = 0,564) ergab sich im Körperkreislauf kein Signifikanzunterschied, im pulmonalen Kreislauf war D signifikant höher als C (p < 0,001).

Schlussfolgerungen Studie 1 kommt zu den Ergebnissen, dass in der CTA bei 70 kV eine moderate Jodkonzentration von 300 mg J/ml einer hohen Jodkonzentration hinsichtlich der absoluten Höhe der arteriellen Kontrastierung überlegen ist, solange Joddosis und IDR konstant gehalten werden. Eine IDR von 0,75 g/s ist hierfür ausreichend. Insgesamt wirken sich Unterschiede in der Jodkonzentration von Kontrastmitteln (zwischen 150 mg J/ml bis 400 mg J/ml) bei konstanter Jod-Gesamtmenge und IDR nicht signifikant auf die Bildqualität einer CT-Angiographie aus. Aus den Ergebnissen von Studie 2 ergibt sich, dass bei gleichbleibender Bildqualität der CTA eine Halbierung der Kontrastmittelmenge wie auch der Injektionsgeschwindigkeit bei 70kV gegenüber 120 kV möglich ist. Im Körperkreislauf zieht die Erhöhung der IDR von 1,5 g/s auf 3 g/s nur eine leichte Kontrastverstärkung nach sich.

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