Diffusions Tensor Bildgebung der Mamma: eine Pilotstudie

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (Diffusion Weighted Imaging, DWI) basiert auf der inkohärenten Brownschen Molekularbewegung. Dabei stellt die diffusionsgewichtete MRT eine schnelle und kontrastmittelfreie Methode dar, welche in mehreren Vorarbeiten der letzten Jahre eine hohe Genauigkeit in der Differenzierung und Detektion maligner Neoplasien der Mamma erreicht hat. Der Vorgang der Diffusion im Gewebe ist unterschiedlichen Graden der Isotropie unterworfen, welche sich durch einen Tensor beschreiben lässt. Wurde in bisherigen Untersuchungen an der Mamma lediglich die gemittelte Diffusivität in Form des „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen, so ist die Messung der zusätzlichen Information der Isotropie, ausgedrückt als „fraktionelle Anisotropie“ (FA) viel versprechend hinsichtlich zusätzlicher Informationen über die mikroskopische Beschaffenheit des Gewebes. Die Abbildung wird als „Diffusion Tensor Imaging“ (DTI) bezeichnet. Die vorliegende Studie sollte die Machbarkeit und den klinischen Nutzen der DTI der Mamma zur Detektion und Differentialdiagnose pathologischer Läsionen der Mamma evaluieren. In die vorliegende Untersuchung wurden randomisiert prospektiv 67 Patientinnen mit anreichernden Herdbefunden in der MR-Mammographie eingeschlossen (medianes Alter 54,6a). Alle waren in einem Zeitraum von 11 Monaten durch die Klinik für Gynäkologie des Universitätsklinikums Jena aufgrund unklarer oder suspekter Vorbefunde zur MRM überwiesen worden. Der bilateralen dynamischen MRM (1,5T, dynamische T1w FLASH2D Messung vor und nach i.v. Injektion von 0,1mmol/kg KG Gd-DTPA bei 3 ml/s Injektionsrate) folgte die unilaterale DTI Messung (TR 8900 ms, TE 139 ms, 6 Richtungen, zwei Diffusionswichtungen: b=0 s/mm2 und b= 1000 s/mm2). Mittels Scannersoftware wurden parametrische Karten von ADC und FA berechnet. Anschließend erfolgte nach Fusion der anatomischen und DTI Daten die Messung von mehreren Regions-of-Interest (ROI) in anatomisch korrespondierenden Regionen der kontrastmittelverstärkten T1w (KM-T1w) sowie DWI Sequenzen. Zunächst wurde die gesamte Läsion (Läsiongesamt), folgend der Teil der Läsion mit am stärksten herabgesetzter Diffusivität (LäsionZentrum) gemessen. Es folgten Messungen in makroskopisch gesundem Parenchym sowie dem Rauschen ausserhalb der Mamma. Ausden normalisierten Signalintensitäten von Läsiongesamt und Parenchym wurde das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis (CNR) berechnet und mittels Wilcoxon Test zwischen KM-T1w und DWI verglichen. ADC und FA Werte wurden zwischen benignen und malignen Läsionen sowie Parenchym mittels Mann-Whitney-U Test verglichen. Zur Identifikation unabhängiger differentialdiagnostischer Prädiktoren folgte eine schrittweise binär logistische Regressionsanalyse (Rückwärts Methode), zur Quantifizierung der diagnostischen Genauigkeit eine Receiver-Operating-Characteristics (ROC) Analyse. In 59 Patientinnen mit 54 malignen und 17 benignen Läsionen wurden erfolgreiche DTI Messungen durchgeführt. Das CNR zwischen KM-T1w und DTI war gleichwertig (P=0,191). Sowohl ADC als auch FA Werte unterschieden sich signifikant (P<0,002) zwischen benignen und malignen Herdbefunden. ADC Werte in malignen Läsionen waren dabei niedriger als die entsprechenden Werte in benignen Herden und Parenchym. Im Gegensatz dazu fanden sich niedrigste FA Werte in benignen Herden. Maligne Läsionen zeigten höhere Werte, gefolgt von höchsten FA Werten in gesundem Parenchym. Die Regressionsanalyse identifizierte ADCZentrum als alleinigen unabhängigen differentialdiagnostischen Prädiktor. Die Area under the Curve (AUC) wurde mit 0,899 gemessen, es ergaben sich eine Sensitivität von 92,6% sowie eine Spezifität von 88,2%. Das äquivalente CNR der DTI Sequenz ist Hinweis auf eine zur KM-T1w gleichwertige Sichtbarkeit von Herdbefunden. Nicht nur ADC Werte, sondern auch die FA differierte zwischen den verschiedenen untersuchten Gewebetypen

Nichtlineare Registrierung von Diffusions-Tensor-Bildern

Viele Wissenschafts- und Ingenieursdisziplinen, wie Mikroskopie, medizinische Diagnostik, Astronomie oder Maschinenbau, nutzen die Methoden und Techniken der Bildverarbeitung, um bestimmte Objekte darzustellen, zu zählen, zu vermessen und Ähnliches. Eine häufig genutzte Technik in der digitalen Bildverarbeitung ist die Bildregistrierung. Darunter versteht man Methoden, die es ermöglichen, zwei oder mehrere Bilder derselben Szene, oder zumindest ähnlicher Szenen, bestmöglich in Übereinstimmung miteinander zu bringen. Mit anderen Worten, beim Registrierungsproblem geht es darum, eine Übereinstimmung zwischen den Punkten zweier oder mehrerer Bilder herzustellen

In-vivo Darstellung hypothalamischer Substrukturen mit Hilfe von Diffusions-Tensor-Bildgebung

In der vorliegenden Arbeit wird der Hypothalamus, eine kleine, aber bedeutsame Struktur des Zwischenhirns untersucht. Er spielt unter anderem eine Rolle bei der Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus, des Sexualverhaltens, der Stimmungslage, autonomer und Stoffwechsel-Funktionen. Veränderungen einzelner oder mehrerer spezifischer Kerngruppen sind bei neuropsychiatrischen bzw. -endokrinologischen Erkrankungen, wie Narkolepsie, Schizophrenie, affektiver Störung, Demenz, Borderline-Persönlichkeitsstörung, Pädophilie oder Adipositas zu beobachten. Die Substrukturierung und Darstellung der einzelnen Kerngruppen gelang bisher nur in Postmortem-Studien. Im Rahmen dieser Studie konnte mit Hilfe der Diffusions-Tensor-Bildgebung erstmals eine in-vivo Substrukturierung des Hypothalamus konsistent bei zehn gesunden Probanden vorgenommen werden. Dabei wurden nach einem Algorithmus zunächst die Segmentierung und anschließend die Parzellierung durchgeführt, woraus sich drei konsistente Cluster ergaben. Der topografische Vergleich der erhaltenen Cluster mit Postmortem-Studien der Literatur ergab vergleichbare und anatomisch plausible Korrelate. Mit der von uns entwickelten Methode könnten anhand einer größeren Patientengruppe pathophysiologische Zusammenhänge neuropsychiatrischer und –endokrinologischer Störungen genauer eruiert werden und zu einem besseren Verständnis des Krankheitsverlaufs und der Therapie beitragen.:1 Einleitung 1.1 Topographie und Funktion des Hypothalamus 1.2 MRT- Kartierung des Hypothalamus 1.3 Diffusions-Tensor- Bildgebung 1.3.1 Diffusionsellipsoid 1.3.2 Fraktionelle Anisotropie 1.3.3 Clusteranalyse 1.3.4 k-means- Clusteralgorithmus 1.4 Pathomorphologische Veränderungen des Hypothalamus bei neuropsychiatrischen Erkrankungen 1.4.1 Narkolepsie 1.4.2 Schizophrenie 1.4.3 Affektive Störung 1.4.4 Demenz 1.4.5 Borderline- Persönlichkeitsstörung 1.4.6 Pädophilie 1.4.7 Adipositas 1.4.8 Zusammenfassung 2 Fragestellung: Ist eine Subpartialisierung des Hypothalamus in-vivo mit struktureller Bildgebung möglich? 3 Material und Methoden 3.1 Probanden 3.2 Bilderfassung und -bearbeitung 3.3 Segementierung des Hypothalamus - Definition der ROI`s („region of interest“) 3.3.1 Präoptischer Hypothalamus 3.3.2 Anteriorer Hypothalamus 3.3.3 Tuberaler Hypothalamus 3.3.4 Posteriorer Hypothalamus, Mamillarkörperchen 3.4 Parzellierung und Clusteranalyse 4 Ergebnisse: Mit qualitativen Analysen konnte gezeigt werden, dass eine Subpartialisierung des Hypothalamus möglich ist. 4.1 Segmentierung des Hypothalamus 4.2 Substrukturen/Cluster 5 Diskussion der Ergebnisse 5.1 Neuroanatomie des Hypothalamus 5.1.1 Kerngruppen des Hypothalamus 5.1.2 Faserverbindungen des Hypothalamus 5.1.3 Zusammenfassung der Faserverbindungen der Kerngruppen 5.2 Interpretation der einzelnen Cluster 5.2.1 Anteriore Substruktur 5.2.2 Posteromediale Substruktur 5.2.3 Laterale Substruktur 5.3 Topografische Beziehung der drei Cluster untereinander 5.3.1 Ähnlichkeiten der Cluster der zehn Probanden 5.3.2 Unterschiede der Cluster der zehn Probanden 5.4 Verbesserung der Hypothalamusmaske 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichni

Morphometrische Korrelate des Arbeitsgedächtnisses anhand neuropsychologischer Testverfahren

Defizite im Bereich des Arbeitsgedächtnisses (AG) und exekutiver Funktionen gelten schon lange als Endophänotyp psychiatrischer Erkrankungen. Dies wirft die Frage auf, wie Struktur und Funktion des Arbeitsgedächtnisses bei gesunden Probanden zusammenhängen. Ziel der vorliegenden Studie war es, mit Hilfe verschiedener morphometrischer Verfahren und der Diffusions-Tensor- Bildgebung neuroanatomische Korrelate, sowie Netzwerkstrukturen des Arbeitsgedächtnisses im gesunden Gehirn darzustellen. Es erfolgte der Einschluss von 681 gesunden Probanden, welche an einer neuropsychologischen Testung (NPT) und einer MRT-Messung teilnahmen. Als neuropsychologische Testverfahren zur Erfassung der Arbeitsgedächtnisleistung diente der Buchstaben-Zahlen-Test (BZT). Um die Spezifität der Ergebnisse für das AG zu kontrollieren, wurde der Zahlen-Symbol-Test (ZST) verwendet. Die strukturelle Analyse der T1-Bilddaten erfolgte mittels Voxel-basierter Morphometrie und Oberflächen-basierter Morphometrie unter Nutzung der SPM Toolbox CAT12. Es wurden sowohl die regionale Volumetrie, die Kortexdicke und die Kortexgyrifizierung in Zusammenhang mit der Testleistung erfasst. Die DTI Daten wurden mit Trakt-basierten Analysen in FSL analysiert. Auf struktureller Ebene zeigten sich bihemisphärisch in frontalen und parietalen Arealen, sowie precuneal und cuneal signifikant negative Korrelationen der Kortexdicke mit dem ZST. Linkshemisphärisch konnte im Bereich des inferioren Parietallappens und des medialen bis superioren Temporallappens eine signifikant negative Korrelation der Gyrifizierung mit dem ZST dargestellt werden. Es konnte kein Zusammenhang zwischen lokalen Hirnvolumina und der NPT gefunden werden. Auf Trakt-Ebene konnte links-, sowie rechtshemisphärisch eine signifikante positive Korrelation zwischen der Arbeitsgedächtnisleistung und der fraktionellen Anisotropie (FA) im Fasc. longitudinalis superior und in dessen temporalem Anteil aufgezeigt werden. In Zusammenhang mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit konnte bihemisphärisch eine signifikant erhöhte FA im anterioren Thalamusstiel, Fasc. occipitalis inferior, Fasc. longitudinalis inferior, Fasc. longitudinalis superior, dessen temporalem Anteil und dem Fasc. uncinatus aufgezeigt werden. Rechtshemisphärisch waren weiter im Limbischem System, speziell dem Gyrus cinguli, und dem Forceps minor signifikante positive Korrelationen mit der FA darstellbar. Die Ergebnisse der Analysen der NPT in Zusammenhang mit der Hirnvariation überschneiden sich zu großen Teilen, sodass vermutet wird, dass beide Prozesse ähnliche neuronalen Strukturen zur Verarbeitung nutzen. In Zusammenschau mit der aktuellen Literatur untermauert die vorliegende Arbeit das Vorliegen eines kortikalen sowie subkortikalen frontoparietalen, -temporalen und -striatalen Neuronennetzwerkes bei der Nutzung kognitiver Funktionen

Neuropsychologische Testung des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses mittels Blockspanne - strukturelle Korrelate in der MR-Morphometrie

Das Arbeitsgedächtnis dient der Verarbeitung, Verknüpfung und Manipulation von Gedächtnisinhalten und ist essentiell für komplexe kognitive Fähigkeiten. Pathologische Einflüsse, wie Hirnläsionen oder verschiedene Erkrankungen, führen zu einer reduzierten Arbeitsgedächtnisleistung. Doch auch innerhalb einer gesunden Stichprobe lassen sich große Leistungsunterschiede feststellen. Die vorliegende Arbeit untersuchte, ob strukturelle Unterschiede im Gehirn gesunder Probanden interindividuelle Unterschiede der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung erklären können. 681 gesunde Probanden wurde in die Studie eingeschlossen. Sie erhielten eine neuropsychologische Testung ihres visuellräumlichen Arbeitsgedächtnisses und eine MRT-Untersuchung des Gehirns. Mittels MR-Morphometrie erfolgte die Auswertung von GMV, kortikaler Dicke, Gyrifizierung und FA. Die Beurteilung der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung erfolgte mittels Blockspanne rückwärts. Als Grundlage zur Einordnung der Befunde diente ein Arbeitsgedächtnismodell, das moderne neurowissenschaftliche Erkenntnisse mit dem erweiterten Mehrkomponentenmodell von Baddeley verknüpft. GMV und Gyrifizierung korrelierten lediglich in explorativen Analysen ohne Korrektur für multiple Vergleiche mit der Arbeitsgedächtnisleistung. Die Lokalisation dieser Effekte scheint plausibel, allerdings können sie auf Grund der geringen Effektstärke nicht als relevant eingestuft werden. Ein dünnerer Cortex korrelierte in frontalen, parietalen und occipitalen Hirnarealen beider Hemisphären signifikant mit bessere Arbeitsgedächtnisleistung. Unter Berücksichtigung der altersabhängigen dynamischen Veränderung der Cortexstruktur, lässt sich der Zusammenhang sinnvoll erklären. Die Effekte sind mit bisherigen Daten vereinbar und lassen sich schlüssig mit dem Arbeitsgedächtnismodell verknüpfen. Die FA korrelierte in drei Hirnarealen signifikant positiv mit der visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisleistung. Die Befunde sind in Trakten lokalisiert, die wichtige Schnittstellen zwischen den Komponenten des Arbeitsgedächtnismodells darstellen. Die Daten sprechen für einen wichtigen Beitrag der Mikrostruktur der weißen Substanz zur Arbeitsgedächtnisleistung. Zukünftige Analysen mit modernen Diffusionsparametern können dazu beitragen, die mikrostrukturellen Unterschiede, die durch die FA nur indirekt abgebildet werden, genauer zu charakterisieren. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass ein signifikanter Zusammenhang zwischen Hirnstruktur (kortikale Dicke und FA) und visuell-räumlicher Arbeitsgedächtnisleistung in mehreren Arealen besteht. Inwieweit sich diese Beobachtungen verallgemeinern lassen und auf andere kognitive Fähigkeiten angewendet werden können, sollte in zukünftigen Studien untersucht werden. Wir wissen, dass innerhalb des Cortex und der weißen Substanz lebenslang plastische Anpassungsvorgänge stattfinden. Zelluläre und molekulare Mechanismen der Plastizität sowie eine Vielzahl von Einflussfaktoren sind bislang nur unzureichend erforscht. Sobald wir ein besseres Verständnis für diese Vorgänge entwickelt haben, könnten wir versuchen diese gezielt zu beeinflussen, um in unterschiedlichsten Lebensbereichen kognitive Fähigkeit zu optimieren oder wiederherzustellen. Denkbar wären die Entwicklung optimierter Lern- und Trainingsstrategien oder bessere Rehabilitationsstrategien nach cerebralen Verletzungen

Quantitative Analyse der Diffusions-Tensor-Bildqualität (DTI) unter Verwendung von paralleler Bildgebung in der Hochfeld-MRT bei 1,5 und 3 Tesla

Das Ziel unserer Studie war die Entwicklung eines methodischen Ansatzes zur quantitativen Evaluierung und Analyse der Bildqualität diagnostischer Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) unter Verwendung paralleler Bildgebung (PAT) bei 1.5 T und 3.0 T MR-Tomographen. Im Rahmen einer prospektiven Studie wurden 26 gesunde Probanden (14 w, 12 m, mittleres Alter 33 J) an einem 1.5 T MRT-Gerät und einem 3.0 T MRT-Scanner des gleichen Herstellers untersucht. Es wurden standardisierte diffusionsgewichtete Aufnahmen mittels einer Spin-Echo EPI-Sequenz angefertigt, unter Verwendung zweier verschiedener Voxel-Größen (1.8×1.8×3.6 = 11.7 mm³ und 2×2×2 = 8 mm³) sowie dreier verschiedener Averages mit 8, 4 und 2 Mittelungen bei vergleichbaren Sequenparametern bei beiden Magnetfeldstärken. Eine parallele Bildgebung mittels eines GRAPPA-Rekonstruktionsalgorithmus mit Beschleunigungsfaktoren von 2 und 3 wurde eingesetzt. Nach Wiederholung der Bildakquisitionen wurde das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) anhand von Differenz-Bildern ermittelt. Die Region-of-Interest-basierte (ROI) quantitative Analyse wurde mittels am Scanner implementierter Software durch Positionierung der ROIs in drei verschiedenen Hirnarealen bestimmt. Für jede ROI wurden Mittelwert, Standardabweichung und Pixelanzahl bestimmt. Um die inhomogene Verteilung des Rauschens bei Einsatz paralleler Bildgebung zu berücksichtigen, wurden SNR-Verhältnisse anhand der Standardabweichung in den Differenz-Aufnahmen berechnet. Nach Normalisierung der Ergebnisse auf das SNR-Verhältnis der anisotropen 11.7-mm³ Messungen mit 8 Mittelungen bei 1.5 T, konnte ein SNR-Verhältnis von 178,2% für die gleiche Sequenz bei 3.0 T gemessen werden. Die SNR-Verhältnisse der Messungen mit 2 Mittelungen unterschieden sich deutlich mit 50,8% für Messungen bei 1,5 T bzw. 94,1% bei 3.0 T. Für Messungen bei isotroper Auflösung und 4 Mittelungen betrugen die entsprechenden Werte 49,9% bei 1,5 T und 95,2% bei 3.0 T. Die DTI-Bildgebung bei 3.0 T erzielt bessere Bildqualität bezüglich des Signal-zu-Rausch-Verhätnisses im Vergleich zu 1.5 T. Das gleiche SNR wie bei 1.5 T kann bei 3.0 T erreicht werden, hier jedoch mit erhöhter isotroper Auflösung und reduzierter Messzeit (4 Mittelungen anstelle von 8 Mittelungen). Damit sind die notwendigen Voraussetzungen gegeben, um höher aufgelöste Darstellungen von morphologisch veränderten Hirnveränderungen anzufertigen und gleichzeitig die Untersuchungszeit zu verkürzen. Desweiteren ist zu erwarten, dass auch die Darstellung von Hirnbahnen der weißen Substanz (Fibertracking) durch diese Erkenntnisse weiter verbessert werden kann. Um eine genauere Quantifizierung und eine exaktere Erfassung von Veränderungen mittels DTI zu erzielen, sollte diese Untersuchung, soweit verfügbar, bei 3 Tesla durchgeführt werden