Investigation on the optimization approaches of diffusion weighted imaging

The corticospinal tract is important in the guidance of neurosurgery. Therefore precise tractography in the pre-operative plan is necessary. However, the inherent drawback of DWI in image acquisition makes it easy to be affected by bulk motion and pulsatile motion and also to produce image distortio...

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Main Author: Yang, Jia
Contributors: Nimsky, Christopher (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
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Die maximal ausgedehnte Tumorvolumenreduktion bei gleichzeitigem Erhalt der neurologischen Funktion wird heute im mikrochirurgischen Behandlungskonzept von Hirntumoren als positiv prädiktiver Faktor für das Überleben der Patienten angesehen. Eine möglichst präzise und reliable Darstellung der Faserbahnsysteme ist dabei für die maximal sichere Tumorvolumenreduktion unerlässlich. Die diffusionsgewichtete Bildgebung ist sensitiv gegenüber der Gefäßpulsation, die zu Bewegungsartefakten insbesondere im Bereich des Hirnstamms und der Basalganglien führt und somit vermeintlich Einfluss auf die Darstellung der Pyramidenbahnen nehmen kann. Bislang gibt es jedoch noch keinen Konsens über die Auswirkungen der Gefäßpulsation auf Diffusionstensorparameter und die Faserbahndarstellung an sich. Inwieweit eine pulsgetriggerte Datenakquisition dem entgegenwirkt ist ebenso noch weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurde daher der Einfluss der Gefäßpulsation und der pulsgetriggerten Datenakquisition in Bezug auf die Qualität der diffusionsgewichteten Bilddaten, der daraus resultierenden Diffusions-Tensor-Daten und Faserbahndarstellungen der Pyramidenbahnen analysiert. Dabei zeigten sich offensichtliche Signalabschwächungen im Bereich des Hirnstamms und des Kleinhirns und eine Überschätzung der fraktionellen Anisotropie und Unterschätzung der mittleren Diffusivität, wobei die pulsgetriggerte Datenakquisition den Einfluss auf die Diffusionstensorparameter reduzierte. Obwohl die Gefäßpulsation zu Bewegungsartefakten führte, die Diffusionstensorparameter beeinflusste und es zu einer Abweichung des ersten Eigenvektors kam, der für die Faserbahnrekonstruktion maßgeblich ist, zeigten sich auf Ebene der Faserbahndarstellung keine Unterschiede in Faserbahnvolumen und der räumlichen Lage der Pyramidenbahndarstellungen. Vermutlich trägt die heutige Datenakquisition mit hoher Winkelauflösung zur Stabilität der Faserbahndarstellung bei, so dass die pulsgetriggerte Datenakquisition zwar auf die Bewegungskorrektur in den diffusionsgewichteten Bilddaten selbst und die Diffusionstensorparameter einen Einfluss nimmt, jedoch für die Faserbahndarstellung keine deutliche Verbesserung zeigt. Eine Schwäche der diffusionsgewichteten Bildgebung ist das niedrige Signal-zu-Rausch Verhältnis, die ebenso zu Veränderungen in der Modellierung des Diffusionsverhaltens und der Faserbahndarstellung führen kann. Um dies zu kompensieren und die Bildqualität der Ausgangsdaten zu erhöhen stehen verschiedenste Ansätze zur Verfügung. In der klinischen Bildgebung wird dabei häufig auf Messwiederholungen zurückgegriffen, was jedoch mit einem Vielfachen der Akquisitionszeit einhergeht. Eine alternative strukturerhaltende Glättung, das sogenannte position-orientation adaptive smoothing (POAS), kann bereits auf einem einzelnen Datensatz (ohne Messwiederholung) zur Reduktion des Bildrauschens angewendet werden. In dieser Arbeit wurden nun sowohl die Originaldaten als auch die gemittelten Daten aus fünf Messwiederholungen sowie die mittels POAS verarbeiteten Daten miteinander verglichen. Bereits in den diffusionsgewichteten Bilddaten zeigte sich für die Anwendung von POAS eine unmittelbare Reduzierung es Rauschens und eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnis, ebenso eine verringerte Variabilität der Diffusions-Tensor-Parameter. Für die Rekonstruktion der Pyramidenbahnen fand sich ein deutlich erhöhtes Faserbahnvolumen sowie eine höhere Stabilität der Rekonstruktionsergebnisse. Insbesondere aufgrund der Auswirkungen auf die Faserbahnrekonstruktion sollte in zukünftigen Studien auch die Anwendung bei Patienten mit Hirntumoren systematisch analysiert werden, um den klinischen Nutzen weiter zu verifizieren. In den Neurowissenschaften werden Parameter verschiedensten Verarbeitungsschritte diffusionsgewichteter Bilddaten für Forschungszwecke herangezogen, Parameter der diffusionsgewichteten Bildgebung selbst, der Diffusion-Tensor-Modellierung sowie der Faserbahnrekonstruktionen und Faserbahneigenschaften. Die zugrundeliegende Bildqualität spielt dahingehend eine essentielle und womöglich entscheidende Rolle. Beide in dieser Arbeit untersuchten Ansätze können zur Optimierung der Bilddaten beitragen wobei insbesondere die strukturerhaltene Glättung mittels POAS Potential in Hinblick auf eine zuverlässigere und reliable Darstellung von Faserbahnen für die intraoperative Anwendung in der Neurochirurgie bietet.