Development and application of cerebral magnetic resonance elastography (MRE)
for the mechanical characterisation of brain parenchyma in the context of
neurodegenerative processes
Neurodegenerative Prozesse umfassen eine Vielzahl von Umbauvorgängen
neuronalen Gewebes auf zellulärer und extrazellulärer Ebene. Neben typischen
neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Morbus Alzheimer oder der
Multisystematrophie finden sich neurodegenerative Prozesse auch als
Begleiterscheinung entzündlicher ZNS-Erkrankungen sowie als inhärentes Merkmal
physiologischen Alterns. Eine Früherkennung mittels klinischer oder
bildmorphologischer Parameter gelingt jedoch häufig nicht. Die Magnetresonanz-
Elastographie (MRE) stellt eine struktursensitive Methode dar, deren Ziel die
Analyse der viskoelastischen Eigenschaften des lebenden Gewebes ist.
Pilotstudien haben eine hohe Sensitivität der MRE gegenüber neurodegenerativen
Prozessen im gesunden alternden Gehirn sowie bei der schubförmig-
remittierenden Multiplen Sklerose (rr-MS) gezeigt. Ziel dieser Arbeit war die
systematische Untersuchung der Korrelation der viskoelastischen Eigenschaften
des menschlichen Gehirns mit dem Alter, klinischen Parametern sowie
bildmorphologischen Kenngrößen von Patienten mit chronisch progredienter MS
(pp+sp-MS) und Normaldruckhydrozephalus (NPH) gegenüber gesunden
Kontrollgruppen. Methodische Grundlage hierfür stellte die Mehrfrequenz-MRE
dar, mit deren Hilfe zwei gewebemechanische Kenngrößen ermittelt wurden: (1)
die Elastizität (μ) sowie (2) der viskoelastische Interpolationskoeffizient
(α)- ein sensitiver Parameter für die Geometrie des mechanischen Netzwerkes.
Ferner wurde die volumensensitive MRT zur Abgrenzung hirngeometrischer
Veränderungen angewandt. Bezogen auf das Gesamthirn wurde eine signifikante
altersabhängige Abnahme der Elastizität μ in einer Größenordnung von 0,75 %
pro Jahr (P <0,001) gemessen, während die jährliche Volumenreduktion lediglich
0,23 % betrug. Weiterhin zeigte sich eine Abnahme der Elastizität um 20,5 % (P
<0,001) bei pp+sp-MS sowie um 20,0 % (P <0,001) bei NPH im Vergleich zu
altersentsprechenden Kontrollen. Demgegenüber fand sich in der
alterskorrelierten Studie eine im Vergleich geringer erscheinende Reduktion
des Interpolationsparameters α. Eine deutlichere Abnahme von α wurde bei
Patienten mit pp+sp-MS (-6.1 % (P <0,001)) sowie bei NPH (-9 % (P <0,01))
beobachtet. Eine Shunt-Therapie bei NPH führte zu einem signifikanten Anstieg
von α (P <0,001). Insgesamt stellen μ und α zwei unabhängige viskoelastische
Materialparameter dar, welche aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber
mechanischen Veränderungen der Gewebematrix des Gehirns zur Charakterisierung
und Quantifizierung neurodegenerativer Prozesse geeignet erscheinen. Weitere
Studien zur MRE bei neurodegenerativen Erkrankungen sind notwendig um den
diagnostischen Wert der zerebralen MRE zu verifizieren.Neurodegeneration involves diverse tissue alterations on a cellular and
extracellular level given by cell-loss, cell-shrinkage, neuronal remodeling
and changes in the extracellular matrix. Apart from typical neurodegenerative
diseases such as Alzheimer´s disease or multisystematrophy, chronic
inflammatory diseases such as multiple sclerosis or even physiological aging
can involve neurodegenerative processes. The detection of these processes by
clinical and morphological image parameters especially at early stages is
limited. Magnetic resonance elastography (MRE) represents a structure
sensitive method based on the analysis of viscoelastic properties of
biological tissue. Its reproducibility and high sensitivity towards
neurodegenerative processes has been previously demonstrated in pilot studies.
The aim of this thesis was the systematic analysis of the viscoelastic
properties of the human brain and the correlation of mechanical parameters
with age, clinical parameters and morphological image based markers of
patients with chronic progressive multiple sclerosis (pp+sp-MS) and normal
pressure hydrocephalus (NPH) compared to a healthy control group. Using
multifrequency MRE two mechanical parameters can be acquired: (1) the
elasticity (μ) and the powerlaw exponent (α)- a parameter sensitive towards
the geometry of the mechanical network. The analysis of the brain´s volume was
performed using standardized volume-sensitive MRI. An age-dependent reduction
of elasticity by an annual decrease of 0.75 % (P <0.001) was observed while
the annual decrease in brain volume was 0.23 % (P <0.001). The elasticity was
reduced by 20.5 % (P <0.001) for patients with pp+sp-MS as well as 20.0 % (P
<0.001) for patients with NPH in comparison to an age-matched control group.
Interestingly, a significantly lower age-related reduction of the powerlaw
exponent was observed, whereas pronounced decrease in α was found for patients
with pp+sp-MS (-6.1 % (P <0.001)) and NPH (-9 % (P <0.001)). Approximately 90
days after shunt-treatment of NPH Patients α re-increased to unsymptomatic or
physiological values. In conclusion, μ and α represent two independant
viscoelastic parameters highly sensitive to structural changes of the mechanic
tissue matrix. Therefore, cerebral MRE allows the non-invasive
characterisation and quantification of neurodegenerative processes in vivo
using MRE. Further studies for the verification of its diagnostic value are
necessary
