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2025-02-20T08:33:53Z

Physikalische Grundlagen

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Als '''BOLD-Kontrast''' (von {{enS|'''blood oxygenation level dependent'''}}, also „abhängig vom Blutsauerstoffgehalt“) bezeichnet man in der [[Magnetresonanztomographie]] (MRT) die Abhängigkeit des (Bild-)Signals vom [[Sauerstoff]]gehalt in den [[Erythrozyt|roten Blutkörperchen]]. Die Hauptanwendung des BOLD-Kontrasts ist die [[Funktionelle Magnetresonanztomographie|funktionelle MRT]] (fMRT) zur Darstellung der Hirnaktivität.
Synonym wird das [[Akronym]] BOLD auch für '''blood oxygen level dependent''' oder (seltener) '''blood oxygen(ation) level dependence/dependency''' verwendet.

== Geschichtliche Entwicklung ==
Bereits 1935 stellte [[Linus Pauling]] fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Proteins [[Hämoglobin]] in den roten Blutkörperchen abhängig vom [[Sauerstoffsättigung|Oxygenierungsgrad]] verändern.<ref>{{Literatur |Autor=L. Pauling |Titel=The oxygen equilibrium of hemoglobin and its structural interpretation |Sammelwerk=[[Proc Natl Acad Sci U S A]] |Band=21 |Nummer=4 |Datum=1935 |Seiten=186–191 |PMID=16587956}}</ref> Im Jahr 1982 zeigten Keith Thulborn und Mitarbeiter, dass Hämoglobin in Blutproben unterschiedliche MRT-Signale in Abhängigkeit vom Oxygenierungszustand aufweist.<ref name="Thulborn1982">{{Literatur |Autor=K. R. Thulborn, J. C. Waterton, P. M. Matthews, G. K. Radda |Titel=Oxygenation dependence of the transverse relaxation time of water protons in whole blood at high field |Sammelwerk=[[Biochim Biophys Acta]] |Band=714 |Nummer=2 |Datum=1982 |Seiten=265–270 |DOI=10.1016/0304-4165(82)90333-6 |PMID=6275909}}</ref> Den gleichen Effekt beobachteten 1990 [[Seiji Ogawa]] und Mitarbeiter ''in vivo'' an Versuchstieren; von ihnen wurde auch die Bezeichnung „blood oxygenation level dependent (BOLD)“-Kontrast geprägt.<ref>{{Literatur |Autor=[[Seiji Ogawa|S. Ogawa]], T. M. Lee, A. R. Kay, [[David Tank|D. W. Tank]] |Titel=Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation |Sammelwerk=Proc Natl Acad Sci U S A |Band=87 |Nummer=24 |Datum=1990 |Seiten=9868–9872 |PMID=2124706}}</ref><ref name="Ogawa1990b">{{Literatur |Autor=S. Ogawa, T. M. Lee, A. S. Nayak, P. Glynn |Titel=Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields |Sammelwerk=Magn Reson Med |Band=14 |Nummer=1 |Datum=1990 |Seiten=68–78 |DOI=10.1002/mrm.1910140108 |PMID=2161986}}</ref> Ogawa erkannte auch das Potential, welches der BOLD-Kontrast für die funktionelle MRT haben würde. Erste Ergebnisse, welche mithilfe des BOLD-Kontrasts die Hirnaktivität von Probanden nach visueller Stimulation zeigten, wurden 1992 von John W. Belliveau und Mitarbeitern veröffentlicht.<ref>{{Literatur |Autor=J. W. Belliveau, D. N. Kennedy, R. C. McKinstry, B. R. Buchbinder, R. M. Weisskoff, M. S. Cohen, J. M. Vevea, T. J. Brady, B. R. Rosen |Titel=Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging |Sammelwerk=Science |Band=254 |Datum=1991 |Seiten=716–719 |DOI=10.1126/science.1948051 |PMID=1948051}}</ref> [[Nikos Logothetis]] und Mitarbeiter zeigten 2001, dass die so gemessene BOLD-Antwort direkt mit der neuronalen Aktivität zusammenhängt.<ref>{{Literatur |Autor=N. K. Logothetis, J. Pauls, M. Augath, T. Trinath, A. Oeltermann |Titel=Neurophysiological investigation of the basis of the fMRI signal |Sammelwerk=Nature |Band=412 |Datum= |Seiten=150–157 |DOI=10.1038/35084005 |PMID=11449264}}</ref>

== Physikalische Grundlagen ==
[[Datei:BOLD Blood Oxygenation Level Dependent Relaxation.svg|mini|Änderung der transversalen Relaxation von Blut in Abhängigkeit von der Konzentration des paramagnetischen desoxygenierten Hämoglobins (Daten für Rattenblut bei 4,3 Tesla<ref name="Thulborn1982" />).]]
Desoxygeniertes Hämoglobin (desHb) enthält (aufgrund der [[Ionische Bindung|ionischen Bindung]] des Eisenatoms) vier ungepaarte Elektronen je Häm-Gruppe und ist deshalb [[Paramagnetismus|paramagnetisch]]. In mit Sauerstoff oxygeniertem Hämoglobin (oxyHb) wird dagegen die Eisenbindung [[Atombindung|kovalent]] und es liegen keine ungepaarten Elektronen vor; oxygeniertes Hämoglobin ist daher [[Diamagnetismus|diamagnetisch]].<ref>{{Literatur |Autor=M. Zborowski, G. R. Ostera, L. R. Moore, S. Milliron, J. J. Chalmers, A. N. Schechter |Titel=Red blood cell magnetophoresis |Sammelwerk=Biophys J |Band=84 |Nummer=4 |Datum=2003 |Seiten=2638–2645 |DOI=10.1016/S0006-3495(03)75069-3 |PMID=12668472}}</ref>

MRT-Aufnahmen bilden neben der Protonen(dichte)verteilung auch das [[Relaxation (NMR)|Relaxationsverhalten]] der Wasserstoffkerne in der Probe (das sich für Flüssigkeiten und verschiedene Gewebe unterscheidet) als Kontrast ab. Das starke [[Magnetischer Dipol|magnetische Dipolfeld]] des paramagnetischen desoxygenierten Hämoglobins führt zu lokalen Magnetfeldinhomogenitäten und führt über den [[Relaxation (NMR)|intermolekularen Dipol-Dipol-Relaxationsmechanismus]] zur Dephasierung der zunächst kohärent präzedierenden Kernspins. Diese Dephasierung wird als verkürzte (transversale) Relaxationszeit in der Umgebung des desHb beobachtet und ändert somit – abhängig von der desHb-Konzentration – den Kontrast des Bildes. Wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt ist, ändert sich die [[Relaxationsrate]] <math>R_2</math> linear mit dem Quadrat der desHb-Konzentration;<ref name="Thulborn1982" /> mit zunehmender desHb-Konzentration nimmt die Relaxationsrate <math>R_2</math> zu und die Relaxationszeit <math>T_2</math> ab. Noch stärker ausgeprägt als die Änderung von <math>R_2</math> ist die oxygenierungsabhängige Änderung von <math>R_2^*</math>, die dem Kontrast in Gradientenecho-Aufnahmen zugrunde liegt. In diesen ist deshalb auch die BOLD-Kontraständerung durch die veränderte <math>T_2^*</math>-Zeit besonders deutlich; in geringerem Umfang ist sie aber auch in [[Spinecho]]-Aufnahmen aufgrund der ebenfalls oxygenierungsabhängigen <math>T_2</math>-Zeit zu beobachten.<ref name="Ogawa1990b" />

Mathematisch lassen sich die Änderungen der Relaxationsraten beschreiben als
: <math>R_2 = R_{2,0} + \alpha\, p_\text{Hb} + \beta\, p_\text{Hb}^2</math> und
: <math>R_2^* = R_{2,0}^* + \alpha^* p_\text{Hb} + \beta^* p_\text{Hb}^2</math>,
wobei <math>R_{2,0}</math> und <math>R_{2,0}^*</math> die Relaxationsraten von (diamagnetischem) oxygeniertem Hämoglobin sind und <math>p_\text{Hb}</math> der Anteil des desoxygenierten Hämoglobins. <math>p_\text{Hb}</math> variiert zwischen 0 (ausschließlich oxygeniertes Hämoglobin) und 1 = 100 % (ausschließlich desoxygeniertes Hämoglobin). Häufig findet man auch eine Beschreibung abhängig von der Blutoxygenierung („Sättigung“) <math>Y</math>, die man erhält, wenn man <math>p_\text{Hb} = 1 - Y</math> setzt.

Gemessene Werte der Größen <math>R_{2,0}^{(*)}, \alpha^{(*)}</math> und <math>\beta^{(*)}</math> im Magnetfeld <math>B_0</math> sind:
{| class="wikitable" style="text-align:right"
|-
! Probe !! <math>B_0</math> !! <math>R_{2,0}/\mathrm{s}^{-1}</math> !! <math>\alpha/\mathrm{s}^{-1}</math> !! <math>\beta/\mathrm{s}^{-1}</math> !! <math>R_{2,0}^*/\mathrm{s}^{-1}</math> !! <math>\alpha^*/\mathrm{s}^{-1}</math> !! <math>\beta^*/\mathrm{s}^{-1}</math> !! Quelle
|-
|style="text-align:left"| menschl. Blut, in vitro || 1,5 T || || || || 7 || 1 || 35 ||<ref name="Li1998">{{Literatur |Autor=D. Li, Y. Wang, D. J. Waight |Titel=Blood oxygen saturation assessment in vivo using T2* estimation |Sammelwerk=Magn Reson Med |Band=39 |Nummer=5 |Datum=1998 |Seiten=685–690 |DOI=10.1002/mrm.1910390503 |PMID=9581597}}</ref>
|-
|style="text-align:left"| Schweineblut, in vivo || 1,5 T || || || || 2 || 14 || 22 ||<ref name="Li1998" />
|-
|style="text-align:left"| Schweineblut, in vivo || 1,5 T || || || || 2 || 12 || 19 ||<ref>{{Literatur |Autor=D. Li, Y. Wang, D. J. Waight |Titel=In vivo correlation between blood T2* and oxygen saturation |Sammelwerk=J Magn Reson Imaging |Band=8 |Nummer=Nr. 6 (Nov–Dec) |Datum=1998 |Seiten=1236–1239 |DOI=10.1002/jmri.1880080609 |PMID=9848734}}</ref>
|-
|style="text-align:left"| Rinderblut, in vitro || 1,5 T || 5 || 0 || 21 || 7 || 0 || 25 ||<ref name="Silvennoinen2003">{{Literatur |Autor=M. J. Silvennoinen, C. S. Clingman, X. Golay, R. A. Kauppinen, P. C. van Zijl |Titel=Comparison of the dependence of blood R2 and R2* on oxygen saturation at 1.5 and 4.7 Tesla |Sammelwerk=Magn Reson Med |Band=49 |Nummer=1 |Datum=2003 |Seiten=47–60 |DOI=10.1002/mrm.10355 |PMID=12509819}}</ref>
|-
|style="text-align:left"| Rinderblut, in vitro || 4,7 T || 15 || 0 || 254 || 41 || 0 || 319 ||<ref name="Silvennoinen2003" />
|}
(In den zuletzt aufgeführten Messungen wurden die Koeffizienten <math>\alpha^{(*)}</math> auf 0 gesetzt, da sich die Bestimmung von <math>\alpha^{(*)}</math> und <math>\beta^{(*)}</math> gegenseitig beeinflussen kann und so zu unzuverlässigen Resultaten führen würde.<ref name="Silvennoinen2003" />)

== Anwendungen des BOLD-Effekts ==
* Der BOLD-Effekt lässt sich zur Messung von neuronaler Aktivität mittels fMRT einsetzen. Man beobachtet hierbei eine Signalzunahme der aktivierten Hirnareale in <math>T_2^*</math>-gewichteten (oder <math>T_2</math>-gewichteten) MRT-Aufnahmen. Erklärt wird dies so, dass die neuronale Aktivität zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch und somit zunächst zu mehr desoxygeniertem Hämoglobin führt; dieser Effekt wird jedoch überkompensiert durch einen vermehrten zerebralen [[Durchblutung|Blutfluss]] mit einströmendem oxygeniertem Hämoglobin („[[neurovaskuläre Kopplung]]“), so dass schließlich die desHb-Konzentration in aktivierten Hirnarealen abnimmt und somit die Querrelaxationszeit (und das beobachtete Signal) ansteigt.
* Durch den BOLD-Effekt lassen sich mit der [[Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung|suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung]] (SWI) MR-Venographien erstellen. Das SWI-Verfahren trug zu Beginn den Namen BOLD, dieser wurde dann durch den allgemeineren Begriff „suszeptibilitätsgewichtet“ ersetzt, da BOLD-basierte Venographien nur ein Anwendungszweck dieses Verfahrens sind.<ref name="pmid11746938">{{Literatur |Autor=J. R. Reichenbach, E. M. Haacke |Titel=High-resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function |Sammelwerk=NMR Biomed |Band=14 |Nummer=7–8 |Datum=2001 |Seiten=453–67 |DOI=10.1002/nbm.722 |PMID=11746938}}</ref>

* Eine weitere Anwendungen ist die BOLD-Bildgebung der [[Niere]]n zur Messung der intrarenalen Oxygenierung; insbesondere die Änderung der Oxygenierung durch Verabreichung von Stoffen wie beispielsweise [[Furosemid]] (Lasix<sup>®</sup>) kann so untersucht werden.<ref>{{Literatur |Autor=L. P. Li, S. Halter, P. V. Prasad |Titel=Blood oxygen level-dependent MR imaging of the kidneys |Sammelwerk=Magn Reson Imaging Clin N Am |Band=16 |Nummer=4 |Datum=2008 |Seiten=613–625 |DOI=10.1016/j.mric.2008.07.008 |PMID=18926426}}</ref> Gegenstand der Forschung ist die Anwendung des BOLD-Kontrasts, um die Oxygenierung von [[Tumor]]en zu untersuchen.<ref>{{Literatur |Autor=A. R. Padhani, K. A. Krohn, J. S. Lewis, M. Alber |Titel=Imaging oxygenation of human tumours |Sammelwerk=Eur Radiol |Band=17 |Nummer=4 |Datum=2007 |Seiten=861–872 |DOI=10.1007/s00330-006-0431-y |PMID=17043737}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=E. Mark Haacke, Robert W. Brown, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan
|Titel=Magnetic resonance imaging: physical principles and sequence design
|Auflage=1.
|Verlag=J. Wiley & Sons
|Ort=New York
|Datum=1999
|ISBN=0-471-35128-8
|Kapitel=Kapitel 25.5–25.6
|Seiten=765–779}}
* {{Literatur
|Autor=B. Derntl, U. Habel, F. Schneider
|Titel=Funktionelle Magnetresonanztomographie in der Psychiatrie und Psychotherapie
|Sammelwerk=Der Nervenarzt
|Band=81
|Nummer=1
|Datum=
|Seiten=16–23
|DOI=10.1007/s00115-009-2827-9
|PMID=20057981}}
* {{Literatur
|Hrsg=Scott H. Faro, Feroze B. Mohamed
|Titel=BOLD fMRI: A Guide to Functional Imaging for Neuroscientists
|Verlag=Springer
|Ort=New York
|Datum=2010
|ISBN=978-1-4419-1328-9
|Online={{Google Buch |BuchID=MkjTO4wx-bkC}}}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Bildgebendes Verfahren (Medizin)]]
[[Kategorie:Kernspinresonanz]]

BOLD-Kontrast - Versionsgeschichte

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