Vergleich von Diffusion Tensor Imaging und Diffusion Kurtosis Imaging basiertem Fibertracking neurochirurgisch relevanter Faserbahnsysteme

Die Traktographie stellt ein wichtiges Element der präoperativen Planung in der Neurochirurgie dar, um eine Vorhersage über den anatomischen Verlauf von relevanten Fasertrakten, deren Ausdehnung und Nähe zu Gehirntumoren treffen zu können. Hierbei ist es von vorrangiger Bedeutung, dass eine maximal...

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Main Author: Emde, Julia
Contributors: Nimsky, Christopher (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2021
Subjects:
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Description
Summary:Die Traktographie stellt ein wichtiges Element der präoperativen Planung in der Neurochirurgie dar, um eine Vorhersage über den anatomischen Verlauf von relevanten Fasertrakten, deren Ausdehnung und Nähe zu Gehirntumoren treffen zu können. Hierbei ist es von vorrangiger Bedeutung, dass eine maximal sichere Tumorresektion unter Bewahrung der umliegenden Risikostrukturen, wie der Pyramidenbahn, der sprachassoziierten Bahnen und der Sehbahn, gewährleistet werden kann. Die klinische Standardmethode der Faserbahnrekonstruktion, das Diffusion Tensor Imaging (DTI), ist jedoch aufgrund des zugrunde liegenden Tensormodells nur eingeschränkt in der Lage, diese Aspekte zu erfüllen und bedarf einiger Optimierungen. Das Modell beruht auf der Annahme, dass die Richtung der Diffusion im Gewebe Gauß-verteilt ist, was jedoch in der Realität auf die Diffusion in komplexen Strukturen wie Neuronen nicht zutrifft. Durch diese starke Vereinfachung können Faserbahnkreuzungen und Auffächerungen nicht adäquat dargestellt werden und die Ausdehnung der Faserbündelvolumina wird durch das Verfahren unterschätzt. Gerade Letzteres birgt Risiken hinsichtlich postoperativer Defizite aufgrund zu gering bemessener Sicherheitsabstände bei der Resektion. Der Ansatz des Diffusion Kustosis Imagings (DKI), der in dieser Arbeit mit dem DTI-basierten Fibertracking verglichen wird, modelliert auch die nicht-Gauß‘sche Verteilung der Wasserdiffusion und hat somit das Potential einigen Limitationen des DTI-Modells beizukommen. Darüber hinaus benötigt das DKI, im Gegensatz zu vielen Alternativmodellen, nur eine geringfügig längere Datenakquisitionszeit, die hinsichtlich der klinischen Umsetzbarkeit und Patientencompliance möglichst kurz sein sollte. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Vorteile und Anwendbarkeit des DKI-basierten Fibertrackings zur Darstellung von Risikostrukturen in der präoperativen Planung für die Gliomresektion zu zeigen und dem DTI-basierten gegenüberzustellen. Es wurden Pyramidenbahn (CST), Sehstrahlung (OR) und Fasciculus arcuatus (AF) beider Hemisphären für N = 19 gesunde Probanden und N = 16 Patienten mit Gliomen unterschiedlichen Grades und Lokalisation mittels DTI- und DKI-basierten Fibertracking rekonstruiert. Die Volumina und ergänzend die Faserdichte innerhalb eines definierten Querschnitts wurden statistisch verglichen und die Bilddaten qualitativ bewertet. Das Ergebnis für den CST zeigte in beiden Gruppen sowohl ein signifikant größeres Volumen (Probanden: links p < 0,001, rechts p < 0,001; Patienten: links p <0,001, rechts p < 0,001) als auch eine signifikant höhere Faserdichte (Probanden: links p = 0,001, rechts p = 0,002; Patienten: links p < 0,001, rechts p < 0,001) zugunsten der DKI-Rekonstruktion. Bei der OR ergab sich bezüglich der rechtshemisphärischen Volumina der Patientenkohorte kein signifikanter Unterschied (p = 0,389), während ansonsten die DKI-basierten Volumina signifikant größer waren (Probanden: links p < 0,001, rechts p = 0,005; Patienten: links p = 0,021). Eine signifikant höhere Faserdichte im DKI zeigte sich nur für die Probanden (links p = 0,005, rechts p = 0,025), nicht für die Patienten (links p = 0,638, rechts p = 0,183). Für die Volumina des AF der Probanden ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen DKI und DTI (links p = 0,101, rechts p = 0,044). Im Patientenkollektiv lieferte sogar die DTI-basierte Rekonstruktion signifikant größere Volumina (links p = 0,023, rechts p = 0,010) wie auch eine signifikant höhere Faserdichte im Fall der linken Hemisphäre (p = 0,010). Im Übrigen blieb die unterschiedliche Faserdichte ohne Signifikanz (Probanden: links p < 0,163, rechts p = 0,205; Patienten: rechts p = 0,823). Der qualitative Vergleich bestätigte die statistischen Ergebnisse und zeigte in vielen Fällen eine bessere Auflösung von kortikalen Auffächerungen für den OR und CST, gerade auch von Fasern zum lateralen somatomotorischen Kortex in der DKI-Rekonstruktion. In einigen Fällen konnten hierdurch ebenso mehr Fasern in Tumornähe dargestellt werden. Die Betrachtung des AF erbrachte in beiden Gruppen die anatomisch plausiblere Darstellung mittels DTI, während viele DKI-getrackte Fasern vorzeitig abbrachen. Die Annahme, dass die DKI-basierte Fasertraktographie den Limitationen des DTIs größtenteils beikommt und größere Faserbahnvolumina erzielt, kann durch die vorliegende Arbeit nur teilweise bestätigt werden. Die Rekonstruktion des CST unterstützt diese Hypothese, wie schon die Ergebnisse anderer Studien. Eine Schwierigkeit bereitet das Ergebnis der DKI-basierten AF-Rekonstruktion, da diese der DTI-basierten vielmehr unterlegen zu sein scheint. Eine anatomisch plausible Darstellung dieses Trakts misslang. In Ermangelung direkt vergleichbarer Studien zur DKI-Rekonstruktion dieser Faserbahn fällt eine plausible Begründung dieses unerwarteten Resultats schwer. Erklärungsansätze beinhalten die direktionalen und Diffusionseigenschaften des AF selbst sowie Einschränkungen der DKI-Technik bezüglich starker Krümmungen einer Faserbahn und zu kleiner Winkel zwischen untersuchter Bahn und vieler schneidender Trakte. Eine weiterführende Untersuchung der zugrundeliegenden Ursachen wäre demnach aufschlussreich für die weitere Verbesserung der DKI-Fasertraktographie. Hinsichtlich der erfolgreichen Ergebnisse bei der CST-Rekonstruktion wäre eine weiterführende intraoperative Validierung des Verfahrens wünschenswert. Auch wenn eine Beschränkung der Anwendbarkeit des DKI-basierten Fibertrackings auf bestimmte Traktebesteht, soll doch abschließend das große klinische Potential dieses Verfahrens für die Verbesserung der präoperativen Darstellung von wichtigen Risikostrukturen hervorgehoben werden.
Physical Description:113 Pages
DOI:https://doi.org/10.17192/z2022.0016