ORIGINALARBEIT

T1-, T2- und T2*-Relaxationswerte von Äpfeln, Birnen,Zitrusfrüchten und Kartoffeln im Vergleich zu menschlichenGeweben

Karin Werz, Hans Braun, Dominik Vitha, Graziano Bruno, Petros Martirosian, Günter Steidle, Fritz Schick ∗

Sektion für Experimentelle Radiologie, Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Deutschland

Eingegangen am 31. August 2010; akzeptiert am 22. Dezember 2010

Zusammenfassung

Ziel dieser Arbeit waren eine systematische Bestimmungder Relaxationswerte verschiedener Obst- und Kartoffel-sorten und ein Vergleich mit menschlichen Geweben,um damit eine verbesserte Basis für die Auswahl vonpflanzlichen Probekörpern bei der Entwicklung neuerMRT-Untersuchungsmethoden und Sequenztechniken zuerreichen. Häufig wird für diesen Zweck geliertes Agareingesetzt, dessen Herstellung aber aufwändig und zeit-intensiv ist. In der vorliegenden Arbeit wurde üblicheHandelsware aus dem Supermarkt, Äpfel (Malus, 8 Sor-ten), Birnen (Pyrus, 2 Sorten), Zitrusfrüchte (Citrus, 5Sorten) und rohe Kartoffeln (Solanum tuberosum, 8 Sor-ten) herangezogen, die leicht und nahezu ganzjährig zubeschaffen sind. Die T1-, T2- und T2*-Relaxationszeitendieser Naturprodukte wurden mit angepassten Versuchs-protokollen an einem 1,5-Tesla-MR-Tomographen undmono-exponentieller Anpassung bestimmt und mit Litera-turwerten für verschiedene Parenchymgewebe, Fettgewebeund Körperflüssigkeit (Liquor) verglichen. Es ergaben sichfolgende Werte: Äpfel: T1: 1486 - 1874 ms, T2: 163 -281 ms, T2*: 2,3 - 3,2 ms; Birnen: T1: 1631 - 1969 ms, T2:119 - 133 ms, T2*: 10,1 - 10,6 ms, Zitrusfrüchte (Frucht-fleisch) T1: 2055 - 2632 ms, T2: 497 - 998 ms, T2*: 151- 182 ms; Zitrusfrüchte (Schale): T1: 561 - 1669 ms, T2:93 - 119 ms, Kartoffeln: T1: 1011 - 1459 ms, T2: 166 -

Relaxation times T1, T2, and T2* of apples,pears, citrus fruits, and potatoes with acomparison to human tissues

Summary

The aim of the project was a systematic assessment ofrelaxation times of different fruits and vegetables and acomparison to values of human tissues. Results provide animproved basis for selection of plant phantoms for develop-ment of new MR techniques and sequences. Vessels filledwith agar gel are mostly used for this purpose, preparationof which is effortful and time-consuming. In the presentedstudy apples, (malus, 8 species), pears, (pyrus, 2 spe-cies), citrus fruits (citrus, 5 species) and uncooked potatoes(solanum tuberosum, 8 species) from the supermarket wereexamined which are easily available nearly all-the-year.T1, T2 and T2* relaxation times of these nature productswere measured on a 1.5 Tesla MR system with adaptedexamination protocols and mono-exponential fitting, andcompared to literature data of human parenchyma tissues,fatty tissue and body fluid (cerebrospinal fluid). Resultingvalues were as follows: apples: T1: 1486 – 1874 ms, T2:163 - 281 ms, T2*: 2,3 – 3,2 ms; pears: T1: 1631 - 1969 ms,T2: 119 - 133 ms, T2* : 10,1 – 10,6 ms, citrus fruits (pulp)T1: 2055 – 2632 ms, T2: 497 - 998 ms, T2* : 151 – 182 ms;

210 ms, T2*: 20 – 30 ms. Die T1-Werte aller untersuchtenObjekte (außer Kartoffeln und Schalen der Zitrusfrüchte)

citrus fruits (skin) T1: 561 - 1669 ms, T2: 93 - 119 ms;potatoes: T1: 1011 - 1459 ms, T2: 166 - 210 ms, T2* :

∗ Korrespondenzadresse. Prof. Dr. Dr. Fritz Schick, Sektion für Experimentelle Radiologie, Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Radiologie,Hoppe-Seyler-Str. 3, 72076 Tübingen, Deutschland. Tel.: +49 7071 – 2980543; fax: +49 7071 - 295392.

E-mail: fritz.schick@med.uni-tuebingen.de (F. Schick).

Z. Med. Phys. 21 (2011) 206–215doi:10.1016/j.zemedi.2010.12.006

http://www.elsevier.de/zemedi

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waren länger als die menschlicher Gewebe. Auch T2-Werte(außer Birnen und Schalen der Zitrusfrüchte) waren in denObstsorten und Kartoffeln tendenziell länger. T2*-Wertewaren bei Äpfeln, Birnen und Kartoffeln kürzer als beigesunden Geweben, bei den Zitrusfrüchten dagegen län-ger. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar die Relaxationswertevieler Früchte nicht exakt zu einem menschlichen Gewebepassen, dass aber durchaus ein für manche Anforderun-gen passendes Kontrast- und Signalverhalten durch einepassende Auswahl von Früchten und eventuell durch eineMessparameteranpassung erreicht werden kann.

Schlüsselwörter: MRT-gewebeähnlicheProbekörper, MRT-Relaxometrie,MRT-Sequenzentwicklung, Gewebecharakterisierung

20 – 30 ms. All T1-values of the examined objects (exceptfor potatoes and skins of citrus fruits) were longer than T1values of human tissues. Also T2 values (except for pearsand skins of citrus fruits) of the fruits and the potatoes ten-ded to be longer. T2* values of apples, pears and potatoeswere shorter than in healthy human tissue. Results showrelaxation values of many fruits to be not exactly fitting tohuman tissue, but with suitable selection of the fruits andoptionally with an adaption of measurement parametersone can achieve suitable contrast and signal characteri-stics for some purposes.

Keywords: MRI – tissue-like phantoms,MR-relaxometry, MRI- sequence development, tissuecharacteristics

Einleitung

Um neue Magnetresonanz-Untersuchungsmethoden undSequenztechniken für den klinischen Einsatz testen und ver-bessern zu können, ist man oft auf der Suche nach geeignetenPrüfkörpern, die in ihren Eigenschaften den Körpergewebennahekommen. Es ist in der Regel nicht angebracht, Versuchs-personen in der ersten Entwicklungsphase stundenlangenMessungen auszusetzen.

Bei Verwendung von Probekörpern, die mit Flüssigkeitenwie z.B. Wasser mit oder ohne Zusätze von relaxationsverän-dernden Salzen gefüllt sind, tritt aufgrund der messbedingtenVibration des Probekörpers freie Konvektion auf. Diese kannBewegungsartefakte erzeugen, welche die Signalhomogenitätbeeinträchtigen.

Durch den Einsatz von Agar kann Wasser an derfreien Konvektion gehindert und so eine gewebeähnlicheBewegungseinschränkung erreicht werden [1]. Zwar wei-sen Agar-Lösungen eine weitgehend gleichmäßige Spindichteauf, ein großer Nachteil ist jedoch der hohe zeitliche Auf-wand zur Herstellung von Agar-Lösungen aus Agar-Pulver,das aus den Zellwänden einiger Algenarten gewonnen undim Handel erhältlich ist. Zur Herstellung von Prüfkörpernmuss zuerst Wasser zum Kochen gebracht und gemeinsammit einer zuvor angerührten Agar-Wasser-Mischung aufge-kocht werden. Erst nach dem Abkühlen und Erstarren kanndas durch Agar gelierte Wasser in Prüfkörpern Verwendungfinden. Agar-Lösungen weisen eine weitgehend gleichmäßigeKonsistenz und Spindichte auf, falls Lufteinschlüsse erfolg-reich vermieden werden konnten. Agar-Lösungen sind nurbegrenzt haltbar. Die Relaxationseigenschaften von Agar-Lösungen lassen sich zwar auch durch Zugabe von Salzen

natürlich auch für andere potenzielle Probekörper einschließ-lich pflanzlicher Objekte.

Im Lebensmittelhandel erhältliche Obst- und Gemüse-sorten haben bezüglich der Wasserbeweglichkeit gewebe-ähnliche Eigenschaften, da sie ebenfalls zellulär aufgebautsind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es ausschließlich,die Relaxationseigenschaften verschiedener weithin verfüg-barer Obst- und Gemüsesorten zu bestimmen und mitden Literaturwerten von Humangewebe zu vergleichen. DieMöglichkeiten und Grenzen der einfachen Herstellung vonhumangewebeähnlichen Prüfkörpern mittels der genanntenNaturprodukte bezüglich der Relaxationseigenschaften soll-ten untersucht werden. Messungen zur Bestimmung derEignung für diffusions- oder suszeptibilitätsorientierte Expe-rimente oder die volumenselektive Spektroskopie wurdennicht durchgeführt.

In einer früheren Publikation in der Zeitschrift,,Erwerbsobstbau“ wurden die Untersuchungen zu denT1- und T2-Relaxationseigenschaften von Äpfeln (Malus)und Birnen (Pyrus) bereits veröffentlicht [2]. Ziel dieserfrüheren Arbeit war es, Fachleuten aus dem ErwerbsobstbauMöglichkeiten zur zerstörungsfreien Charakterisierungdes Fruchtfleisches aufzuzeigen, die möglicherweise auchPotential für die Qualitätskontrolle haben. Für die hiervorliegende Arbeit wurden zusätzlich Zitrusfrüchte (Citrus)und rohe Kartoffeln (Solanum tuberosum) untersucht sowieMessungen der sogenannten T2*-Relaxationszeit an allenFrüchten durchgeführt, die bei der gewählten Feldstärkehauptsächlich von mikroskopischen Suszeptibilitätseffektendominiert wird. Die Ergebnisse wurden mit den aus derLiteratur bekannten Eigenschaften verschiedener Paren-chymgewebe, Fettgewebe und Körperflüssigkeiten (Liquor)

(z.B. Kupfersulfat-Pentahydrat oder Manganchlorid) je nachMischungsverhältnis variieren, wobei aber T1 (longitudi-nale Relaxationszeit) und T2 (transversale Relaxationszeit)nicht unabhängig eingestellt werden können [1]. Letzteres gilt

verglichen.Alle Früchte wurden im Handel erworben, so dass der

Reifegrad nicht eindeutig geklärt werden konnte. Dieserhat jedoch ebenso wie die Lagerungsbedingungen und die

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lokalen Bedingungen des Anbaugebietes potenziell einen Ein-fluss auf die Relaxationswerte. Derartige Einflüsse wurdenschon in früheren Arbeiten an Früchten untersucht [3,4], wieauch allgemein MR-Untersuchungen an Pflanzen durchauseine lange Tradition haben [z.B. 5,6].

Material und Methoden

Untersuchte Obst- und Kartoffelsorten

Für die Untersuchungen wurden jeweils mehrere imdeutschen Handel gut verfügbare Sorten ausgewählt. Es wur-den die Apfelsorten ,,Gala“, ,,Braeburn“, ,,Granny Smith“,,,Golden Delicious“, ,,Jonagold“, ,,Red Jona“, ,,Elstar“ und,,Cripps Pink“ sowie die Birnensorten ,,Conférence“ und,,Williams Christ“ untersucht. Alle Äpfel wurden im Herbst2008 im Handel gekauft und innerhalb einer Woche nach demKauf untersucht. Auch bei den Zitrusfrüchten sind Sorten mitguter und fast ganzjähriger Verfügbarkeit ausgewählt worden,die im Herbst 2009 im Handel erworben und innerhalb einerWoche untersucht wurden: Grapefruit, Orange (Valencia),Zitrone (Limone), Limette und Mandarine (Clementine) wur-den in die Untersuchungen eingeschlossen. Es wurden sowohlMessungen im Fruchtfleisch als auch in der wenige Millimeterdicken Schale durchgeführt. Bei den Kartoffelsorten kamendie ebenfalls im deutschen Handel erhältlichen und häu-fig verkauften Kartoffelsorten ,,Hansa“, ,,Berber“, ,,Christa“,,,Mirabel“, ,,Datura“, ,,Desirée“, ,,Melody“ und ,,Elfe“ zumEinsatz (Kaufdatum war ebenfalls im Herbst 2009).

Experimenteller Aufbau

Alle Experimente zur Relaxometrie wurden an einem medi-zinischen Ganzkörper-MR-Tomographen ,,MAGNETOMSonata“ (Siemens Healthcare, Erlangen) bei einer Magnet-feldstärke von 1,5 T durchgeführt. Um eine hohe Bildqualitätmit niedrigem Rauschniveau zu erreichen wurde die Kopf-spule ,,CP head array“ mit acht Empfangskanälen für dieUntersuchung der Objekte verwendet.

Von jeder Sorte wurden dabei zwei bis vier reife Einze-lexemplare ausgewählt, die gleichzeitig gemessen wurden.Die Anzahl der jeweils untersuchten Einzelfrüchte einer Sorterichtete sich nach der Größe der Früchte, die in der verwen-deten Kopfspule Platz fanden. So wurden von den Äpfeln,Kartoffeln und kleineren Zitrusfrüchten (Zitrone, Limette,Mandarine) jeweils vier Früchte je Sorte untersucht, währendes bei den Birnen, Orangen und Grapefruits nur jeweils zweiExemplare waren.

Alle Früchte wurden über mindestens einen Tag vor derUntersuchung bei einer Raumtemperatur von 19-21 ◦C auf-bewahrt. Im Untersuchungsraum herrschte eine Temperatur

von 21 ◦C.

Aus hygienischen Gründen und um den Tomographen voreventuellen Verunreinigungen zu schützen, wurden die ein-zelnen Objekte mit Frischhaltefolie eingewickelt. Die Objekte

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wurden mit Lagerungshilfen in der Kopfspule fixiert, um eineBewegung durch die Vibrationen während der Messung zuvermeiden.

Bestimmung der Relaxationszeiten T1, T2 und T2*

Zur systematischen Bestimmung der Relaxationszeitenwurden etablierte Verfahren mit angepassten Aufnah-meparametern verwendet, die eine gute Vergleichbarkeitder Ergebnisse untereinander und mit Literaturwerten fürGeweberelaxationszeiten gewährleisten. Die Anpassung derSequenztechniken für die Relaxometrie an den Früchtenund Kartoffeln bestand darin, dass Aufnahmeparameter (eineSerie verschiedener Inversionszeiten TI für die Bestimmungvon T1 bzw. die Serien verschiedener Echozeiten TE zurBestimmung von T2 mit SE-Sequenzen oder von T2* mitGRE-Sequenzen) so gewählt wurden, dass der Verlauf derexponentiellen Relaxationskurven möglichst für alle Objekteüber einen großen Bereich mit Stützstellen abgetastet werdenkonnte. Hierfür wurden vor den in der Arbeit vorgestelltenMessungen schon Vorversuche gemacht, um den Bereich derzu erwartenden Ergebnisse abzugleichen. Um eine möglichstgute Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erreichen, wurden füralle Messungen einer jeweiligen Relaxationszeit an verschie-denen Objekten soweit als möglich gleiche Messparameterverwendet.

Die Relaxationszeiten T1 wurden mit einer ,,InversionRecovery“ (IR)-Technik bestimmt, wobei zum Auslesender Signale eine Gradientenecho (GRE)-Sequenz verwendetwurde. Nach jedem Inversionspuls, der nicht schichtselek-tiv eingestrahlt wurde, ist eine Rohdatenzeile aufgenommenworden. Für die Messobjekte wurde eine Bilderserie mit denInversionszeiten TI = 25 ms, 50 ms, 100 ms, 200 ms, 400 ms,800 ms, 1600 ms, 3200 ms, 6400 ms und 9800 ms aufgenom-men. Die Repetitionszeit wurde jeweils zu TR = 10 s + TIgewählt, wodurch für alle Messungen eine näherungsweisevollständige und vergleichbare Relaxation vor dem nächstenInversionspuls erreicht wurde. Die weiteren Parameter für dieAufnahme einer Einzelschicht waren: Bildfeld FoV: 192x192mm2, Matrixgröße 256x256, Schichtdicke 5 mm, TE = 4,7 ms,Bandbreite 610 Hz/Px.

Für die Bestimmung der transversalen Relaxationszeit T2wurden Messreihen mit einer Multiecho-Spinecho-Sequenzaufgenommen. Bei der verwendeten Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)-Sequenz erfolgte die Rephasierung mitnicht-selektiven HF-Pulsen für Echozeiten von TE = 10 ms biszu TE = 320 ms in Schritten von 10 ms. Für jedes Messobjektwurde somit eine Folge von 32 Bildern einer Einzelschichtaufgenommen. Die weiteren Aufnahmeparameter waren:Bildfeld FoV: 192x192 mm2, Matrixgröße 256x256, Schicht-dicke 5 mm, TR = 3 s, Bandbreite 140 Hz/Px.

Die so genannte T2*-Relaxationszeit wurde mit Hilfeeiner Multiecho-Gradientenechosequenz bestimmt. Es wurdeeine Sequenz mit jeweils gleich orientiertem Lesegradienten(monopolare Sequenz) für die Aufnahme von 12 Bildern einer

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Einzelschicht aufgenommen. Um den T2*-Signalabfall gutnachvollziehen zu können, wurden für T2*-Messungen anden Äpfeln, Birnen und Kartoffeln 12 Echos mit TE = 1,8 ms;3,6 ms; 7,0 ms; 10,0 ms; 20,0 ms; 30,0 ms, 50,0 ms; 70,0 ms;100,0 ms; 150,0 ms, 200,0 ms und 280,0 ms aufgenommen.Für die Zitrusfrüchte wurden aufgrund des langsame-ren Signalabfalls 12 Echozeiten mit TE = 1,8 ms; 10,0 ms;50,0 ms; 70,0 ms; 100,0 ms; 200,0 ms; 300,0 ms; 400,0 ms,500,0 ms; 600,0 ms; 700,0 ms, und 800,0 ms verwendet. Dieweiteren Aufnahmeparameter waren: Bildfeld FoV: 192x192mm2, Matrixgröße 256x256, Schichtdicke 5 mm, TR = 3 s,Bandbreite 890 Hz/Px.

Es sollte erwähnt werden, dass T2* eine Messgrößeist, die meist von der mikroskopischen Feldverteilung imUntersuchungsobjekt dominiert wird. Ein monoexponentiel-ler Signalabfall wird häufig nicht ganz erreicht, da in der Praxismeist eher eine Gaussförmige als eine Lorentzförmige mikro-skopische Feldverteilung innerhalb der Bildelemente vorliegt.Damit ist die T2*-Zeit auch von Messparametern wie derPixelgröße und -geometrie und von den gewählten Echozei-ten abhängig und nicht ganz mit den physikalisch eindeutigerdefinierten ,,echten“ Relaxationszeiten T1 und T2 vergleich-bar.

Auswertemethoden

Die Auswertung der Daten erfolgte mittels in MATLAB(The MathWorks, Inc) geschriebenen Auswertungsprogram-men. Hierbei wurde für jedes Bildelement eine monoexpo-nentielle Fitfunktion herangezogen und die Abstandsquadrat-summe minimiert. Monoexponentielle Fitfunktionen wurdengewählt, weil bei allen relaxometrischen Untersuchungen anden verschiedenen Früchten die Messpunkte für die T1- undT2-Bestimmungen im Rahmen der Messgenauigkeit sehr gutauf monoexponentiellen Kurven lagen, so dass es keinenAnhalt für ein multiexponentielles Relaxationsverhalten gab.Möglicherweise ist dies auf den doch relativ einfachen Aufbauder Zellen mit nur einem wesentlichen Wasserkompartiment(ohne Gefäße und extrazelluläre Räume) zurückzuführen.

Für die die T1-Bestimmung wurde die Funktion S (TI) = a(1 – b exp (-TI/T1)) (monoexponentieller Dreiparameterfit)verwendet, für die T2- und T2*-Bestimmung wurde mit S(TE) = a exp (-TE/T2) (monoexponentieller Zweiparameter-fit) gearbeitet. Alle Fitprozeduren wurden mit Signalwerten inMagnitudenbildern durchgeführt. Für die T1-Bestimmungenwurden die Werte vor dem Nulldurchgang der Magneti-sierung invertiert. Vorab kam bei jedem Bildpunkt eineKorrektur des Rauschanteils nach Gudbjartsson und Patz[7] zur Anwendung: Die Signalintensität S eines Pixels ineinem Magnitudenbild ist näherungsweise gegeben durchS = (S0

2 + �2)1/2, wobei S0 das theoretische Pixelsignal in

Abwesenheit von Rauschen ist und �2 die Varianz desRauschens. Dies führt insbesondere für niedrige Signalam-plituden knapp über dem Rauschlevel bei weiteren Analysenzu einem systematischen Fehler, weshalb die Pixelintensität

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korrigiert werden muss. Wird das korrigierte Signal mit Skorrbezeichnet, dann lautet die Formel für die RauschkorrekturSkorr = (|S2 - �2|)1/2. Die Varianz kann abgeschätzt werdendurch �2 = ½<R2>, wobei <R2> der Mittelwert der quadrier-ten Signalamplituden aus einem genügend großen ROI ineinem Bereich des Bildes ist, welcher nur Rauschen bein-haltet.

Aus den Einzelwerten der Bildelemente wurden farbko-dierte Relaxationskarten berechnet. Der Farbverlauf in denKarten für T1, T2 und T2* wurde jeweils den im Objekt auftre-tenden Relaxationseigenschaften angepasst, so dass regionaleAbweichungen der Relaxationszeiten in den Obstsorten undKartoffeln gut sichtbar wurden.

Um repräsentative Relaxationszeiten T1, T2 und T2* fürjede Obst- und Kartoffelsorte bestimmen zu können, wur-den jeweils zwei bis vier Einzelexemplare herangezogen. Indas Fruchtfleisch dieser Äpfel, Birnen und Kartoffeln wur-den im homogenen Fruchtfleischbereich jedes Objekts vierkreisförmige ROIs (,,Regions of Interest“) gelegt, die einenDurchmesser von 1,0 cm bis 1,5 cm aufwiesen. Zur Auswer-tung des Fruchtfleisches der Zitrusfrüchte wurde pro Fruchtin jeweils vier Fruchtfleischkammern je eine ROI gelegt. DieGröße und dreieckige Form der ROIs wurde der Fruchtfleisch-kammer angepasst. Die Werte innerhalb jeder ROI wurdengemittelt. Anhand der verschiedenen Mittelwerte in den ROIseiner Sorte wurden ein repräsentativer Mittelwert und einedazu gehörige Standardabweichung berechnet.

Da bei den Zitrusfrüchten die Schale ebenfalls deutlichsignalgebend war, wurden die typischen T1- und T2-Werteebenfalls für schmale ROIs bestimmt, deren Form der Schaleangepasst wurde.

Um die ermittelten Relaxationszeiten der Obstsorten undKartoffeln mit der Situation in vivo vergleichen zu können,sind entsprechende Literaturangaben herangezogen worden.Es wurden ausschließlich Daten verwendet, die ebenfalls bei1,5 Tesla Feldstärke gemessen und die mit vergleichbarenAufnahmeverfahren bestimmt wurden. T1- und T2-Werte fürdie Gewebetypen Skelettmuskel, Leber, Niere (Rinde undMark), Milz, Prostata und Fett wurden aus der Arbeit von deBazelaire et al. [8] entnommen. Hierbei ist, entsprechend zuden Methoden in der vorliegenden Arbeit, ebenfalls für die T1-Bestimmungen eine Inversion-Recovery-Technik und für dieT2-Bestimmung eine Multispinecho (CPMG)-Sequenz ein-gesetzt worden. T1-Werte für graue und weiße Substanz undLiquor bei 1,5 T entstammen einer Arbeit von Rooney et al.[9], der ebenfalls mit Inversion-Recovery-Methoden meh-rere Hirnareale systematisch bei verschiedenen Feldstärkenuntersuchte. T2-Werte der Hirngewebe wurden von Oros-Peusquens et al. [10] ebenfalls mit CPMG-Techniken validebestimmt und sind Basis der in dieser Arbeit verwende-ten Referenzwerte. Ein typischer T2-Wert für Liquor wurde

einer Review-Arbeit von Condon et al. [11] entnommen.Die aufgeführten T2*-Angaben für verschiedene Gewebssor-ten kommen aus einer Arbeit von Rossi et al. [12], bei derauch eine Multi-Gradientenecho-Technik verwendet wurde.

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Bei den Ganzkörper-Untersuchungen wurde allerdings mitBildelementen von 2,6 mm * 2,6 mm * 6,0 mm gearbeitet,während bei den Untersuchungen an den Früchten mit einerGröße von 0,75 mm * 0,75 mm * 5,0 mm gearbeitet wurde.Da bei Körpergeweben auf die Interferenz von Wasser undFettsignalanteilen geachtet werden musste, sind auch andereEchozeiten verwendet worden. Eine etwas einfachere Art derRauschkorrektur wurde angewandt. Trotz dieser Unterschiedesollten die In-vivo-Ergebnisse und die Messungen an denFrüchten zumindest grob vergleichbar sein.

Ergebnisse

Alle Untersuchungsreihen zur Relaxometrie erbrachtenMR-Tomographien mit ausreichender räumlicher Auflösungund ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis. Das Signal-Rausch-Verhältnis hatte beispielsweise beim Fruchtfleisch derGolden-Delicius-Äpfel einen Wert von 78 für die kürzesteEchozeit der T2-Messung (Tabelle 1).

Aus den aufgenommenen Bilderserien wurden Relaxati-onskarten der Einzelfrüchte erstellt. Abbildung 1 zeigt jeweilsein repräsentatives Beispiel für eine Sorte der verwendetenObstarten und eine Kartoffelsorte. Dabei finden sich die Kar-ten für die verschiedenen Relaxationszeiten T1, T2 und T2* inseparaten Spalten der Abbildung. Abbildung 2 erlaubt einenVergleich der ermittelten Werte an Früchten mit Literaturwer-ten für verschiedene menschliche Gewebe wie Muskel, Leber,Niere (Cortex und Medulla), Milz, Fett und Prostata sowiegraue und weiße Hirnsubstanz.

Im Folgenden werden die ermittelten repräsentativen Mit-telwerte und Standardabweichungen der RelaxationszeitenT1, T2 und T2* für jede Fruchtsorte dargelegt.

Äpfel

Die mittleren Relaxationszeiten T1 der verschiedenenApfelsorten liegen zwischen 1486 ms und 1874 ms. Es wirddeutlich, dass alle Apfelsorten wesentlich längere T1-Werteaufweisen als die menschlichen Gewebe. Bei den zum Ver-gleich herangezogenen Geweben liegt T1 zwischen 343 msfür das Fett und 1412 ms für die Niere (Medulla) [8]. NurKörperflüssigkeiten wie Liquor zeigen noch längere T1-Werte[9]. Die räumliche Verteilung der T1-Werte innerhalb einesApfels weist leichte Variationen auf (Abbildung 1; 1.Reihelinks): Etwas kürzere T1-Werte finden sich vor allem inden Bereichen um das Kerngehäuse und unter der Schale.Beim Vergleich der T2-Relaxationszeiten fällt auf, dass alleApfelsorten erheblich längere T2-Werte als die menschlichenGewebe aufweisen. Die Mittelwerte aller Apfelsorten liegenhierbei zwischen 163 ms und 281 ms. Gewebe liegen mit T2-Werten zwischen 27 ms für Skelettmuskulatur und 95 ms für

graue Hirnsubstanz [8,10] deutlich niedriger. Alle Apfelsortenlassen eine deutliche Zunahme der Relaxationszeiten T2 vomKerngehäuse zur Schale hin erkennen (Abb. 1; 1. Reihe Mitte).Nur der unmittelbare Bereich unter der Schale zeigt wiederum

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kürzere T2-Werte. Die gemessenen T2*-Werte aller Apfelsor-ten liegen im Bereich von 2,3 ms bis 3,2 ms und sind somitdeutlich kürzer als die Werte von gesunden Geweben, die bei1,5 T regelmäßig über 25 ms liegen [12]. Auffällig ist, dass dieWerte der einzelnen Apfelsorten sehr eng beieinander liegenund auch innerhalb der Einzelfrucht nur wenig variieren (Abb.1; 1.Reihe rechts). Von Untersuchungen an Geweben mitstarken Eiseneinlagerungen in blutbildendem Knochenmarkoder Lebergewebe (bei Eisenstoffwechselstörungen und/oderBlutbildungsstörungen) sind allerdings durchaus T2*-Werteberichtet worden, die mit denen der Äpfel vergleichbar sind[13,14].

Birnen

Die beiden Birnensorten unterscheiden sich mit 1969 msfür die Sorte Conférence und 1631 ms für die Williams-Christ-Birne relativ deutlich voneinander. Bei beidenBirnensorten treten in den Bereichen um das Kerngehäuseund am Blütenrest deutlich kürzere T1-Relaxationszeiten aufals im restlichen Fruchtfleisch (Abb. 1; 2. Reihe links). Dieermittelten T2-Werte (Conférence 133 ms, Williams Christ119 ms) sind kürzer als die T2-Werte der Äpfel, aber immernoch etwas länger als die T2-Werte der Parenchymgewebe.Obwohl die gemessenen T2*-Zeiten bei beiden Birnensorten(Conférence 11 ms, Williams Christ 10 ms) deutlich länger alsdie gemessenen Werte aller Apfelsorten sind, reichen diesedennoch nicht an die gesunden menschlichen Vergleichsge-webe (etwa 30 ms bis 81 ms) heran. Wie bereits oben erwähnt,können pathologische Eiseneinlagerungen in menschlichenGeweben deutlich verkürzte T2*-Werte hervorrufen, die sogarunter denen der Birnen liegen können [13,14]. Im Gegensatzzu einer relativ gleichmäßigen Verteilung der T2-Werte inden Birnen (Abb. 1; 2. Reihe mitte) zeigen die T2*-Karteneine recht hohe räumliche Inhomogenität (Abb. 1; 2. Reiherechts).

Zitrusfrüchte

Durch den hohen Flüssigkeitsgehalt in den Zitrusfrüchtenergeben sich durchgehend relativ lange Relaxationszeiten T1und T2. Die kürzesten Werte (T1 = 2055 ms und T2 = 497 ms)wurden bei Orangen, die längsten Werte (T1 = 2632 ms undT2 = 998 ms) bei Zitronen gemessen. Betrachtet man die T1-und T2-Karte der Zitrone in Abbildung 2; 4.Reihe, so fällteine leichte Zunahme der Relaxationszeiten T1 und T2 voninnen nach außen auf, die bei den anderen Zitrusfrüchtennicht auftrat. Bei den mittleren T2*-Relaxationszeiten lie-gen die Werte für alle Zitrusfrüchte mit 151 ms bis 182 msrelativ eng beieinander, wobei aber deutliche regionale Varia-

tionen zu beachten sind, wie die T2*-Karte in Abbildung 1;4.Reihe rechts, beispielhaft aufzeigt. Insgesamt gleichen dieRelaxationseigenschaften der Zitrusfrüchte eher den Körper-flüssigkeiten als den parenchymatösen Organen.

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Tabelle 1Zusammenstellung der Relaxationswerte T1, T2 und T2* aller Früchte. Es wird jeweils der Mittelwert (MW) aller an einer Sorte untersuchtenROIs angegeben. Das Schwankungsmaß SDROIs entspricht der Standardabweichung der Mittelwerte aller untersuchten ROIs einer Sorte,entsprechend den ,,Inter-ROI-Schwankungen“. Das Schwankungsmaß SDPix beschreibt die Standardabweichung der Werte der einzelnenBildelemente aus einer repräsentativen ROI einer Einzelfrucht als Maß für die ,,Intra-ROI-Schwankungen“.

T1 [ms] T2 [ms) T2* [ms]

MW SDROIs SDPix MW SDROIs SDPix MW SDROIs SDPix

ÄpfelGala 1754 86 71 193 12 30 2,9 0,4 0,6Braeburn 1782 24 59 200 5 46 2,8 0,5 0,6Granny Smith 1486 13 66 195 18 28 2,7 0,5 0,4Golden Delic. 1758 39 52 163 9 20 2,3 0,5 0,9Jonagold 1659 20 54 281 21 13 2,5 0,5 0,3Red Jona 1874 108 67 182 12 28 3,2 0,4 0,7Elstar 1797 161 80 177 11 28 2,9 0,5 0,6Cripps Pink 1625 51 46 186 9 37 3,2 0,5 1,1

Birnen:Conférence 1969 148 56 133 7 22 11 0,9 1,0Williams Christ 1631 162 62 119 6 12 101 0,9 1,2

Zitrusfr. (Fruchtfl.)Orange 2055 60 115 497 71 100 160 18 30Grapefruit 2308 85 49 729 87 116 182 17 57Zitrone 2632 31 80 998 56 80 175 20 34Limette 2596 54 81 775 86 52 171 15 49Mandarine 2209 45 80 625 59 60 151 24 35

Zitrusfr. (Schale):Orange 1044 70 – 119 12 – – – –Grapefruit 979 74 – 118 15 – – – –Zitrone 1669 88 – 121 18 – – – –Limette 561 89 – 93 14 – – – –Mandarine 1045 78 – 116 15 – – – –

Kartoffeln:Hansa 1459 310 118 194 21 21 26 2,1 2,8Berber 1116 260 120 177 22 13 26 2,4 2,4Christa 1211 159 101 205 26 16 24 2,7 1,9Mirabel 1365 258 117 192 30 22 27 1,7 3,9Datura 1121 193 100 206 14 15 24 3,3 2,0Desirée 1011 164 94 166 25 18 20 3,0 3,0Melody 1314 170 122 207 22 22 28 3,3 3,1Elfe 1396 258 79 210 40 22 31 5,1 2,9

Gewebe:Muskel 856[8] 61 – 27[8] 8 – 30[12] 2,8 –Leber 586[8] 39 – 46[8] 6 – 34[12] 7,0 –Niere, Cortex 966[8] 58 – 87[8] 4 – 65[12] 10 –Niere, Medulla 1412[8] 58 – 85[8] 11 – – — –Milz 1057[8] 42 – 79[8] 15 – 64[12] 3,3 –Fett 343[8] 37 – 58[8] 4 – – – –Prostata 1317[8] 85 – 88[8] 0 – – – –Graue Subst. 1188[9] 69 – 95[10] 15 – 81[12] 5,5 –

[10]

00[1

Weiße Subst. 656[9] 16 – 84Liquor 4070[9] 65 – 20

Auch die Schalen der Zitrusfrüchte führen zu auswertbarenErgebnissen mit T1-Werten von 561 ms (Limette) bis 1669 ms

(Zitrone) sowie zu T2-Werten von 93 ms (Limette) bis 121 ms(Zitrone). Die Areale zwischen den einzelnen Fruchtfächernweisen ebenfalls deutlich kürzere Relaxationszeiten als das

5 – 59[12] 4,2 –1] – – – – –

Fruchtfleisch auf. Von allen untersuchten Frucht- und Kartof-felbestandteilen wiesen die Schalen der Zitrusfrüchte sowohl

für die Längs- als auch für die Querrelaxationszeit die amehesten gewebeähnlichen Werte auf (für T1: die Grape-fruitschale mit 979 ms entspricht gut dem Nierencortex mit

212 K. Werz et al. / Z. Med. Phys. 21 (2011) 206–215

Abb. 1. Relaxationskarten aus T1-, T2- und T2*-Messungen an Einzelfrüchten: ein Apfel der Sorte Golden Delicious, eine Birne der SorteWilliams Christ, eine Kartoffel der Sorte Desirée und eine Zitrusfrucht (Zitrone) sind beispielhaft dargestellt. Für die T1-Karten aller Objekte

T2

wurde durchgehend die gleiche Farb-Skalierung verwendet. Bei denfür die Früchte jeweils eine angepasste Skalierung gewählt.

966 ms, die Orangenschale mit 1044 ms der Milz mit 1057 ms,die Limettenschale mit 561 ms der Leber mit 586 ms; für T2:Die Limettenschale mit 93 ms ist sehr ähnlich der grauenHirnsubstanz mit 95 ms). Allerdings ist die Schale meist sodünn, dass bei üblicher Auflösung nur relativ wenige Bildele-mente nebeneinander ohne Partialvolumenprobleme für eineAuswertung zur Verfügung stehen.

Kartoffeln

Die durchgeführten T1-Messungen an allen Kartoffelsor-ten ergaben deutlich kürzere Werte als bei den verschiedenenObstsorten. Der Bereich der Mittelwerte für die untersuchtenSorten umfasste 1011 ms bis 1459 ms, wobei die Verteilung

- und T2*-Karten wurde aufgrund der verschiedenen Wertebereiche

der T1-Werte in den Karten innerhalb der Einzelexemplarenicht ganz homogen war: Im Zentrum der Kartoffeln tra-ten meist etwas längere T1-Werte auf, wie im Beispiel inAbbildung 1; 3.Reihe links, gut zu erkennen ist. Im Vergleichzu den anderen untersuchten Kartoffel-Sorten weist die Sorte,,Desirée“ eine etwas kürzere longitudinale Relaxationszeit(T1 = 1010 ms) auf, wobei der Unterschied zwischen den ein-zelnen Sorten nicht sehr groß ist; der längste T1-Wert (Sorte,,Hansa“) lag bei 1459 ms. Beim Vergleich mit menschlichenGeweben stellt sich heraus, dass die Kartoffeln sehr ähnli-che T1-Relaxationszeiten wie Prostatagewebe (T1 = 1317 ms

[8]) und medulläres Nierengewebe (T1 = 1412 ms [8]) aufwei-sen. Die T2-Werte der Kartoffelsorten lagen mit 166 ms bis210 ms etwa im Bereich der T2-Werte der untersuchten Äpfel.

K. Werz et al. / Z. Med. Phys. 21 (2011) 206–215 213

Abb. 2. Alle gemessenen mittleren Relaxationszeiten von Obst und Kartoffeln sowie im Vergleich dazu die Literaturwerte von humanenParenchymgeweben und Fett werden angegeben. Bei den T1- und T2-Relaxationszeiten der ,,Zitrusfrüchte“ werden zunächst die Wertedes Fruchtfleisches aufgeführt, danach kommen die Werte der Schalen der Zitrusfrüchte, die besonders gekennzeichnet sind. Die T2*-Relaxationszeiten der Zitrusfrucht-Schalen waren aufgrund der geringen Schalendicken nicht repräsentativ und wurden daher nicht ermittelt.Es waren nicht für alle Gewebesorten repräsentative Literaturwerte für T2* zu finden, daher sind einige Gewebe hier nicht aufgeführt.

d. P

214 K. Werz et al. / Z. Me

Die Werte aller Sorten liegen recht eng beieinander, wobei fürdie Sorte ,,Desirée“ ein besonders kurzer T2-Wert (166 ms)ermittelt wurde. Im Vergleich zu Parenchymgeweben oderFettgewebe sind die T2-Werte der Kartoffeln etwa zwei- bissiebenmal länger. Die Ergebnisse der T2*-Messungen wei-sen auf eine gute Übereinstimmung von Kartoffeln mit den inder Literatur angegebenen T2*-Werten für Muskel und Leber[12] hin, die jeweils bei etwa 30 ms liegen. Beim Vergleichder Kartoffelsorten unterscheiden sich vor allem die ,,Elfe“mit dem längsten (T2* = 31 ms) und ,,Desirée“ mit dem kür-zesten T2*-Wert von 20 ms voneinander. Die Karten für T2und T2* (Abb. 1; 3. Reihe Mitte und rechts) lassen erkennen,dass im zentralen Bereich der Kartoffel Regionen mit längerenWerten als im Außenbereich auftreten.

Liquor liegt mit einer mittleren T1-Zeit von 3000 ms undeiner T2-Zeit von 1400 ms als Körperflüssigkeit deutlich überallen an Obst und Kartoffeln gemessenen sowie den in derLiteratur für Gewebe recherchierten Relaxationszeiten.

Es sollte erwähnt werden, dass makroskopische Feld-inhomogenitäten lokal die T2*-Messungen verfälschenkönnen. Bei Körpergeweben treten solche Effekte haupt-sächlich in unmittelbarerer Nähe von Gewebe/Luft- undGewebe/Knochen-Übergängen auf. Derartige Effekte (mitSignalverlust von Fruchtfleisch bei GRE-Aufnahmen mitlängeren Echozeiten) traten auch bei den Früchten in derUmgebung der Kerngehäuse bei Äpfeln und Birnen auf,da auch diese luftgefüllte Bereiche aufweisen. Auch Zitrus-früchte zeigten solche Effekte bei Lufteinschlüssen imzentralen Bereich der Früchte. Die ausgewerteten ROIs wur-den aber immer in Fruchtbereichen ausgewählt, in denendie genannten makroskopischen Suszeptibilitätseffekte keinewesentliche Rolle mehr spielten. Die näherungsweise sphäri-sche Form der Früchte begünstigte eine homogene Verteilungdes Magnetfeldes im Inneren der Früchte, sodass mit Aus-nahme der genannten Regionen keine deutlichen negativenAuswirkungen der makroskopischen Feldverteilung beo-bachtbar waren.

Diskussion

Die durchgeführten Messungen zur Bestimmung der T1-,T2- und T2*-Relaxationszeiten an einigen Obst- und Kar-toffelsorten haben ergeben, dass diese leicht zugänglichenObjekte durchaus eine gewisse Vorhersehbarkeit und Homo-genität der gemessenen Magnetresonanz-Eigenschaften inder Einzelfrucht aufweisen, die sie für Probemessungen undSequenzentwicklungen gut nutzbar machen. Allerdings soll-ten Experimente mit relativ kleinen Früchten aufgrund desbesseren Füllfaktors auch mit angepassten kleinen Empfangs-spulen durchgeführt werden.

Verschiedene Gewebe kommen durch unterschiedliche

Eigenschaften (Spindichte und Relaxationszeiten) je nach derKontrastgewichtung mit unterschiedlichen Grauwerten zurDarstellung. Ähnliche Bildkontraste sind auch durch verschie-dene Früchte und entsprechende T1- bzw. T2-Gewichtung der

hys. 21 (2011) 206–215

verwendeten Sequenz erreichbar. Man kann also mit Arrange-ments von Früchten gewebeähnliche Kontraste erzeugen, diefür das Testen von neuen Sequenzen und für den Anschau-ungsunterricht in der Lehre verwendbar sind.

Interessant ist, dass das Fruchtfleisch aller untersuchtenpflanzlichen Probekörper dazu tendiert, etwas längere T1- undT2-Relaxationszeiten als Organgewebe des Menschen aufzu-weisen. Nur die Schalen der Zitrusfrüchte kommen sowohl beider longitudinalen als auch bei der transversalen Relaxationden Eigenschaften einiger Organgewebe sehr nahe.

Die kurzen T2*-Werte bei Äpfeln und Birnen könntendurch den relativ hohen Eisen- und Mineralgehalt im Frucht-fleisch dieser Früchte erklärt werden, der zu mikroskopischenMagnetfeldinhomogenitäten (Suszeptibilitätseffekten) führt.Die räumliche Anordnung und Mobilität dieser Bestand-teile scheinen ebenfalls eine große Rolle zu spielen, da fürZitrusfrüchte teilweise ähnliche Eisengehalte angegeben wer-den. Entsprechende Feldinhomogenitäten sind bei gesundenmenschlichen Organgeweben weniger ausgeprägt, könnenaber bei Eisenüberladung (Hämosiderose, Hämochromatose)von Knochenmark und Leber (auch etwas weniger ausgeprägtim Myokard bei Thalassämie) dort ähnliche Werte wie inden Äpfeln oder Birnen erreichen. Weitere Untersuchungenan Äpfeln und Birnen von verschiedenen Herkunftsgebietenkönnten klären, wie äußere Umstände wie Klima und Boden-beschaffenheit den im Fruchtfleisch enthaltenen Eisen- undMineralstoffgehalt beeinflussen.

Zitrusfrüchte mit ihren großen flüssigkeitshaltigen Zel-len weisen die längsten T2-Relaxationszeiten unter denuntersuchten biologischen Objekten auf und kommen Kör-perflüssigkeiten bereits nahe. Es zeigte sich, dass diemikroskopische Homogenität des statischen Magnetfeldes beiden Zitrusfrüchten kaum durch paramagnetische Einlagerun-gen gestört ist, woraus sich ebenfalls sehr lange T2*-Werteergeben. Die Suszeptibilitätseffekte bei Zitrusfrüchten sindsehr viel geringer als bei den anderen Früchten. Sie tretenhauptsächlich an Stellen auf, wo häutchenartige Strukturenzwischen den wassergefüllten Zellen der Zitrusfrüchte lie-gen. Auch in der Nähe des Zentrums der Zitrusfrüchte, wodie Fruchtfleischkammern in spitzem Winkel zusammenlau-fen, entstehen durch Kerne und Lufteinschlüsse verstärkteSignalauslöschungen bei längeren Echozeiten, falls GRE-Sequenzen verwendet werden.

Es kann in manchen Fällen nützlich sein, die Messpara-meter TR und TE etwas an die von menschlichen Gewebeabweichenden Relaxationseigenschaften anzupassen, um diegewünschten Signalbeiträge zu erhalten. Ein Beispiel wäre,bei Äpfeln mit einer etwa 1,5-2,0-fachen Relaxationszeit T1im Vergleich zu den meisten Organgeweben die Repetitions-zeit TR, ausgehend von den Untersuchungen am Menschen,auch um diesen Faktor zu verlängern.

Die hier aufgezeigten Messungen wurden an Objek-ten mit visuell relativ homogen erscheinendem Frucht-fleisch ohne Vorzugsrichtung vorgenommen. Sicher gibtes noch eine große Zahl weiterer möglicher Obst- und

hys

[

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Experience With Breath-Hold Multiecho T2*-Weighted Sequence. AJR

K. Werz et al. / Z. Med. P

Gemüsesorten, die bezüglich ihrer Eignung als ,,MRT-Prüfkörper“ mit ausreichend definierten Relaxationseigen-schaften oder auch hinsichtlich weiterer Eigenschaften wieDiffusion oder Magnetisierungstransfer herangezogen wer-den können.

Auch eine Verwendung von tierischem Fleisch als Probe-körper ist durchaus möglich und kommt unter bestimmtenVoraussetzungen menschlichem Muskelgewebe in vivo inseinen Eigenschaften nahe. Auch Lebergewebe wird häu-fig als ,,Probekörper“ verwendet, beispielsweise zur Testungvon thermischen Verfahren wie Radiofrequenzablation undKryoablation zur Behandlung von Lebertumoren. Teilweisefinden die Navigation und die Erfolgskontrolle derartiger Ein-griffe mit der MRT statt. Problematisch ist jedoch der relativrasche Zerfall von tierischen Zellen mit ihren dünnen Zell-membranen nach der Schlachtung und die Notwendigkeit,das Fleisch auf etwa 37 ◦C erwärmen zu müssen, da die Fett-bestandteile sonst nicht im flüssigen Aggregatzustand sind.Fleisch ist durch seine feuchte und fettige Oberfläche auchaus hygienischen Gründen etwas problematischer als mit einerfesten Schale eingeschlossene Früchte.

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