Advanced Application of Diffusion Kurtosis Imaging

Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) zur Rekonstruktion und Visualisierung von Fasertrakten im Gehirn zählt mittlerweile zu den Standardverfahren in der klinischen Routine und der neurowissenschaftlichen Forschung. Aufgrund der vereinfachenden Annahme des zugrundliegenden Tensormodells - einer Gaußschen Verteilung der Diffusion - ist eine räumlich genaue Abbildung und Quantifizierung z.B. sich kreuzender oder tangierender Faserbahnen nicht gegeben. Eine klinisch praktikable Weiterentwicklung stellt die Diffusions-Kurtosis-Bildgebung (DKI) dar, die das DTI Modell um die Modellierung der nicht-Gaußschen Verteilung der Diffusion erweitert und so den Limitationen entgegen wirken soll. Das Potential dieser erweiterten Modellierung soll hier nun in Bezug auf die Detektion der interhemispärischen Asymmetrie der weißen Substanz gesunder Probanden (n = 20) evaluiert werden, sowie zur Analyse tumorbedingter Veränderungen von Faserbahnen bei Patienten (n = 13) mit Gliomen und deren Zusammenhang mit neurologischen Defiziten herangezogen werden. Zur Analyse der Interhemispähren-Asymmetrie wurde sowohl mittels DTI- als auch DKI-basierten Parametern eine Fasertrakt-basierte Analyse der weißen Substanz, insbesondere von neun großen Fasertrakten durchgeführt, bei Asymmetrien ein Lateralitätsindex bestimmt, sowie DTI- und DKI-basierte Ergebnisse verglichen. Bezüglich der fraktionellen Anisotropie als Marker für die Integrität von Faserbahnen zeigten sich für DTI für alle, basierend auf DKI nur für sieben der neun Trakte Asymmetrien. Für die mittlere Diffusivität fanden sich Asymmetrien für drei (DTI) bzw. zwei (DKI) komplementäre Trakte, für die mittlere Kurtosis nur für einen Trakt. Die interhemisphärische Asymmetrie variierte dabei insgesamt bzgl. der anatomischen Lokalisation als auch in ihrer Ausprägung, nur geringe Anteile der Trakte waren betroffen. Im direkten Vergleich der beiden Modelle zeigte sich eine signifikant höhere fraktionelle Anisotropie und mittlere Diffusivität basierend auf DKI im Vergleich zu DTI. Geschlecht und Händigkeit schienen keinen Einfluss zu nehmen. Für die Beurteilung tumorassoziierter Veränderungen in den Faserbahnen bei Patienten mit Gliomen insbesondere in Relation zu vorbestehenden und postoperativen neurologischen motorischen und sprachassoziierten Defiziten wurden auf Basis der DTI- und DKI-basierten Parameterkarten Referenzkarten für die Pyramidenbahn sowie den Fasciculus arcuatus erstellt. Für jeden Patienten wurden im Anschluss die Pyramidenbahn und der Fasciculus arcuatus rekonstruiert und die zugehörigen Parameterkarten auf die Schablonen projiziert. Anhand derer konnten für die Patienten Veränderungen entlang der Trakte identifiziert und quantifiziert werden. Bei Patienten traten dabei im Vergleich zu Gesundprobanden Veränderungen der Diffusionparameter entlang der Trakte auf, egal ob distant oder nähe der Läsion. Es zeigte sich eine Korrelation zwischen der räumlichen Ausdehnung der Veränderungen für die fraktionelle Anisotropie und die mittlere Kurtosis. Eine gesteigerte mittlere Diffusivität stand im Zusammenhang mit einer Veränderung der mittleren Kurtosis, eine verringerte fraktionelle Anisotropie zeigte sich korrelierend zu einer ebenfalls verringerten mittleren Kurtosis. Bei vorbestehenden neurologischen Defiziten (Hemiparese, Aphasie) fand sich in Bezug auf die Veränderungen entlang der Fasertrakte (Pyramidenbahn, Fasciculus arcuatus links) vornehmlich eine gesteigerte mittlere Diffusivtät sowie eine Veränderung der mittleren Kurtosis im Vergleich zum Referenzmodell. Die Anwendung dieser Relation ließ dabei die Vorhersage entsprechender postoperativer neurologischer Defizite mit einer Sensitivität von 75,0 % und einer Spezifität von 87,5 % im Rahmen des Patientenkollektivs zu. DKI scheint gegenüber dem vereinfachten Modell der DTI eine zum Teil spezifischere Abbildung der zugrundliegenden Mikrostruktur zu ermöglichen. Gerade die mittlere Kurtosis erscheint bei pathologischen Veränderungen dabei eine besondere Rolle zu spielen, so dass die Kombination von DTI- und DKI-basierten Informationen, insbesondere unter dem Aspekt der klinischen Umsetzbarkeit und Nutzbarkeit, Potential für die klinische Routine bietet.