Titelaufnahme

Titel
Analysis of circulation dynamics in cerebrovascular networks with respect to extra- and intracranial factors using dynamic susceptibility contrast enhanced magnetic resonance imaging. / submitted by Dr.med.univ. Christian Nasel
Verfasser / VerfasserinNasel, Christian
Betreuer / BetreuerinMoser, Ewald
ErschienenWien, 08 / 08 / 2016
Umfangxiii, 84 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeOktober 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Medizinische_Physik / Magnetresonanztomographie / MRT / MRI / Dynamischer Suszeptibilitätskontrast / Perfusions_MRT / Gehirndurchblutung / zerebraler_Blutfluss
Schlagwörter (EN)Medical_Physics / Magnetic_Resonance_Imaging / MRT / MRI / Dynamic_Susceptibility_Contrast / Perfusion_MRI / Cerebral_Perfusion / Cerebral_Blood_ Flow
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-10183 Persistent Identifier (URN)
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Analysis of circulation dynamics in cerebrovascular networks with respect to extra- and intracranial factors using dynamic susceptibility contrast enhanced magnetic resonance imaging. [13.43 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Basierend auf dem dynamischen Suszeptibilitätskontrast eines paramagnetischen Kontrastmittels ist die DSC- Magnetresonanztomographie (MRT) gegenwärtig eine der geeignetsten Methoden um Aspekte der zerebralen Durchblutung, sive: Perfusion, mittels MRT zu messen. Obwohl die Notwendigkeit intravenös Kontrastmittel verabreichen zu müssen nachteilig erscheint, stellt diese Methode dennoch den höchsten Kontrast bei gleichzeitig bestem Verhältnis zwischen örtlicher und zeitlicher Auflösung in der MRT bereit. Ein tatsächlicher Nachteil dieser Methode, ist andererseits die weitgehend fehlende Möglichkeit, reproduzierbare und auch verlässliche absolute regionale zerebrale Blutflusswerte (engl.: rCBF) berechnen zu können. Zahlreiche Ansätze wurden vorgeschlagen, welche im klinischen Einsatz bei der Auswertung zerebraler Durchblutungsstörungen letztlich nicht überzeugen konnten. Ungeachtet dessen, ist aber die Quantifizierung der zerebralen Perfusion mittels DSC-MRT von höchstem Interesse etwa bei der Beurteilung von zerebrovaskulären Erkrankungen, wie der zerebralem Mikroangiopathie oder dem ischämischen Schlaganfall.

Unter Berücksichtigung der hohen Zeitauflösung in der DSC-MRT wurden Messparameter eingeführt, welche zerebrale Perfusionsdefizite abhängig von der zerebralen Bolustransitzeit anzeigen können. Dennoch leiden alle diese Parameter unter methodischen Unzulänglichkeiten, die zu relevanten Schwankungen der berechneten Ergebnisse führen, sogar wenn diese vom selben MRT-Datensatz berechnet wurden. Nachdem dies potenziell Raum für klinische Fehlentscheidungen lässt, wurde in dieser Dissertation nach einer Formulierung einer neuen Methode zur Auswertung von DSC-MRT Untersuchungen gesucht, welche nur eine einzige Lösung der gegebenen Berechnungen ohne der Möglichkeit einer Einflussnahme von Anwendern auf die Ergebnisse erlaubt. Darüber hinaus sollte der gesuchte Ansatz vollständig aus dem vorliegenden MRT-Datensatz ableitbar sein und, zusätzlich, weitgehend auf Grundannahmen und a priori-Definitionen verzichten.

Um diesen Anforderungen zu entsprechen, wurde eine neue Methode entwickelt, die die hämodynamischen Eigenschaften der zerebralen Perfusion durch Modellierung der Hauptspitze, danach Bolusspitzenzeitverteilungskurve (engl.: TDC) genannt, des Histogramms aller Bolusspitzenzeitwerte (engl.: TTP) einer DSC-MRT-Messung beschreiben und quantifizieren kann. Die grundlegende Überlegung der präsentierten Methode beruht auf einer kaskadenhaften Füllung der einzelnen zerebralen Gefäßabschnitte, d.h. Arterien-Parenchym-Venen, dargestellt im TTP-Histogramm. Die Validität dieses Ansatzes konnte in einer Stichprobe von 61 Patienten gezeigt werden, wobei sich eine mittlere Korrelation von 0.967 (Pearson Rangkorrelations-koeffizient) für die Übereinstimmung von originalen MRT-Messungen mit dem angenommenen Modell zeigte. Der erfolgreiche Einsatz dieses Modells konnte danach in einer Stichprobe von 106 Patienten getestet werden. Hier ergaben sich statistisch bedeutende Reduktionen der, aus dem Modell abgeleiteten, Bolusverteilungsgeschwindigkeit v(f) in Abhängigkeit vom Ausmaß der messbaren Läsionen in der zerebralen weißen Substanz in T2-gewichteten MR-Sequenzen, die als Ausdruck einer zerebralen Mikroangiopathie angesehen werden. Darüber hinaus zeigten Vergleiche zwischen etablierten hämodynamischen Parametern und der neu eingeführten direkten Auswertung des TTP-Histogramms eine gute Übereinstimmung.

Im Vergleich zu etablierten Methoden fand sich stets eine eindeutige Lösung für die Perfusionsauswertung und der Anwendereinfluss konnte weitgehendst ausgeschaltet werden. Nachdem auch alle in das Modell eingeschlossen Grundannahmen direkt aus dem gegebenen MRT-Datensatz abgeleitet wurden, und die Berechnungen sehr schnell (real-time) erfolgen, könnte das neue Verfahren klinische Relevanz bei der Beurteilung der zerebralen Mikroangiopathie und beim ischämischen Schlaganfall erlangen.

Zusammenfassung (Englisch)

Dynamic susceptibility contrast (DSC) magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most elaborated methods to measure cerebral perfusion aspects using MRI. Though the necessity to administer contrast medium intravenously might appear as a disadvantage, this method provides the highest contrast at the best trade-off between spatial and temporal resolution in MRI measurements. A serious disadvantage, on the other hand, is the lack of a reproducible and reliable way to calculate quantitative regional cerebral blood flow (rCBF) values. Although several approaches were proposed in the past, all are failing to convincingly reach clinical routine assessment of cerebral perfusion disturbances. However, quantification of cerebral perfusion using DSC-MRI is of high interest in the assessment of cerebrovascular disease, like cerebral small vessel disease (cSVD) or ischemic stroke.

Considering the high temporal resolution achievable in DSC-MRI cerebral bolus transit time related parameters were introduced, which could be shown to successfully depict ischemia. Nevertheless, all of these suffer from methodical shortcomings, which lead to relevant variations of the calculated results even when computed from the same DSC-MRI data set. As this potentially leaves too much room for clinical decisions and potential treatment errors, in this thesis a novel method evaluating DSC-MRI with only one distinct solution of the calculations, and without the possibility of an operator introduced bias, was developed. Moreover, this approach is to be driven by the available MRI data only, whereas any additional assumptions or definitions should be avoided.

In order to meet these requirements a novel method was established describing and quantifying hemodynamic aspects of cerebral perfusion by modelling relevant parts, namely the main-peak, called time-to-peak (TTP) distribution curve (TDC), of the TTP-histogram of the respective DSC-MRI examination. The basic assumption of the presented method considers the cascaded filling of the various vessel segments of the brain over time. The validity of this approach could be demonstrated in this thesis in a sample of 61 patients, where a correlation between the proposed model and DSC-MRI measurement data showed a mean correlation of 0.967 (Pearson rank correlation coefficient). Further, the successful application of this model was demonstrated in a sample of 106 patients suffering from various stages of cSVD, where a significant reduction of the bolus spread velocity v(f) was found in patients with a high load of cerebral white matter lesions considered to represent tissue damage in cSVD. Additionally, first comparisons between established hemodynamic parameters and the newly introduced direct assessment of the TTP-histogram showed a good agreement between the various methods.

In comparison to other established methods, the direct analysis of the TDC allows only one distinct solution of the DSC-MRI calculations and is largely free from user bias. Since, additionally, all assumptions included in the proposed model are derived directly from the given DSC-MRI data, this novel and fast (real-time) method could potentially also gain clinical importance in the assessment of cSVD and ischemic stroke.