Die Entwicklung des ersten quantitativen In-vivo-Wassergehalt-Gehirnatlas bei 3T
22. Februar 2022
N. Jon Shah, Zaheer Abbas, Dominik Ridder, Markus Zimmermann and Ana-Maria Oros-Peusquens
Die Verwendung von Hirnatlanten zum Vergleich gesunder und kranker Gehirne wird in der klinischen Neurowissenschaft häufig eingesetzt, um eine Reihe von Gehirnerkrankungen und -verläufen zu beurteilen und zu verstehen. Obwohl neuartige quantitative MRT-Ansätze (qMRI) in den letzten Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen haben, sind die derzeit verfügbaren Standard-Gehirnatlanten nur in der Lage, qualitative Vergleiche anzustellen. Im Vergleich zur konventionellen (d. h. nicht-quantitativen) MRT werden bei der qMRI spezifische Sequenzen verwendet, um bestimmte Parameter von Interesse, ohne Beeinflussung durch andere Faktoren zu quantifizieren, was eine direkte Messung der physikalischen Gewebeeigenschaften ermöglicht. Dies ist wichtig, da Veränderungen der Gewebeeigenschaften häufig den strukturellen Veränderungen vorausgehen, die mit der Standard-MRT sichtbar werden, was eine frühere Diagnose einer Reihe von Krankheiten und eine genauere Überwachung der Behandlung ermöglicht.
Im Rahmen der qMRI des Gehirns wird in dieser Arbeit über die Entwicklung des ersten quantitativen Gehirnatlasses für den Wassergehalt des Gewebes bei 3T berichtet. Die Methodik zur Erstellung dieses quantitativen Atlasses des in vivo-Gehirnwassergehalts basierte auf etablierten Methoden zur schnellen und zuverlässigen Messung des absoluten Wassergehalts. Wassergehalt und T2* wurden auf der Grundlage von zwei verschiedenen Methoden kartiert: einer Zwei-Punkt-Methode mit mittlerem TR und einer Single-Scan-Methode mit langem TR. Zwanzig gesunde Probanden (Alter 25,3 ± 2,5 Jahre) wurden mit diesen quantitativen Bildgebungsprotokollen untersucht. Die Bilder wurden auf stereotaktische MNI-Koordinaten normiert, und für jede Methode wurden Wassergehaltsatlanten erstellt und verglichen. Mithilfe einer Standard-MNI-Schablone wurden interessierende Regionen erstellt, und die über die ROIs gemittelten Wassergehaltswerte wurden mit Wassergehaltswerten aus der Literatur verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die globalen Wassergehaltswerte der grauen Substanz und der weißen Substanz unabhängig von der Methode, mit der die einzelnen Wasserkarten erstellt wurden, mit einer Genauigkeit von 0,5 % übereinstimmen.
Wassergehaltskarten von Patienten mit pathologischen Veränderungen des Gehirns aufgrund von Schlaganfall, Tumor (Glioblastom) und Multipler Sklerose wurden voxelweise mit den Wassergehaltsatlanten des gesunden Gehirns verglichen. In allen Fällen wurden Regionen mit pathologisch erhöhtem Wassergehalt identifiziert.
Dies zeigt die Leistungsfähigkeit quantitativer Methoden und eröffnet die Möglichkeit, abnormale Wassergehalte im Gehirn von Patienten auf der Grundlage eines gesunden Hirnwasseratlasses zu erkennen.
Die erste Reihe (R1) in der Abbildung unten zeigt axiale Schnitte des Wassergehalt-Gehirnatlas, der von zwanzig rechtshändigen gesunden männlichen Teilnehmern aufgenommen wurde. Reihe zwei (R2) zeigt (i) axiale Schnitte eines Wassergehaltsatlas und (ii) eine Karte des freien Wassergehalts eines Glioblastom-Tumorpatienten, die mit dem Atlas ko-registriert wurde (i) unter Verwendung nicht-linearer Registrierung, (iii) zusammen mit den absoluten Differenzen zwischen beiden Karten und (iv) eine Schätzung des Hirnödems unter Verwendung eines z-Scores (eine überlagerte Karte). Die dritte (R3) und vierte Zeile (R4) zeigen die gleiche Analyse zwischen dem Wassergehaltsatlas und der Wassergehaltskarte, die bei einem Schlaganfallpatienten bzw. einem Multiple-Sklerose-Patienten aufgenommen wurde.
Die Kombination von atlasbasierten Merkmalen des Wassergehalts, T1- und T2*-Mapping mit klinischen Informationen hat das Potenzial, die Grundlage für eine multidimensionale Analyse charakteristischer Krankheitseigenschaften zu bilden, die eine viel individuellere Diagnose und die Vorhersage der zukünftigen Krankheitslast ermöglichen könnte. Um dies zu verwirklichen, sind jedoch gut organisierte und große multizentrische Studien mit großen Patientenpopulationen erforderlich.
Die künftige Arbeit wird sich nun auf die Erstellung zusätzlicher quantitativer Atlanten konzentrieren, um eine "multimodale" Charakterisierung anderer Merkmale von Hirnerkrankungen zu ermöglichen. Diese Weiterentwicklung könnte möglicherweise Licht auf Patientenkohorten werfen, wie z. B. solche mit traumatischen Hirnverletzungen, idiopathischem Normaldruckhydrozephalus usw., bei denen sich pathologische Veränderungen in Variationen der Relaxationszeiten und/oder des Gewebewassergehalts widerspiegeln.
Origionalpublikation:A Novel MRI-Based Quantitative Water Content Atlas of the Human Brain