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In der Diagnostik und Therapie der KHK sind das frühzeitige Erkennen und die Beurteilung funktioneller Folgen atherosklerotischer Veränderungen von großer Bedeutung. Die First-Pass MR-Bildgebung ermöglicht Aussagen über die myokardiale Perfusion und damit die hämodynamische Relevanz einer Koronarstenose. In der vorliegenden Arbeit wurden quantitative Werte für die myokardiale Durchblutung gesunder Probanden unter Adenosin-induziertem Stress und in Ruhe unter Einsatz der Präbolustechnik bestimmt. Eine exakte Darstellung der arteriellen Inputfunktion wurde durch einen Kontrastmittelbolus in niedriger Dosierung erreicht, die Verwendung höherer Kontrastmitteldosen führte dagegen zu einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Myokard. Die Absolutwerte der myokardialen Perfusion unter Stressbedingungen und in Ruhe wie auch die myokardiale Perfusionsreserve zeigten vergleichbare Mittelwerte, wiesen aber eine geringere Streubreite im Vergleich zu früheren MR Studien auf und waren vergleichbar mit in PET-Studien erzielten Ergebnissen. Weiterhin wurden unter Verwendung dieser Methode Werte für das myokardiale Verteilungsvolumen des Kontrastmittels als wichtiger Parameter in der Differenzierung von gesundem und infarziertem Herzmuskelgewebe ermittelt und die Laufzeit der Boluspassage nach Injektion in Ruhe und unter Stress bestimmt, die zur Unterscheidung von antegrad perfundiertem und von über Kollateralen versorgtem Myokard dienen kann. Mit Hilfe der MRT war es auch möglich, Unterschiede zwischen subendo- und subepimyokardialer Perfusion zu quantifizieren. Die erzielten Ergebnisse entsprechen bisher publizierten Werten, die mit anderen Modalitäten gewonnen wurden. Der Vergleich der absoluten Perfusion bei verminderter zeitlicher Auflösung mit den bei hoher zeitlicher Auflösung gemessenen Werten ergab nur geringfügige Abweichungen der Ergebnisse voneinander. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, durch die Zeitersparnis mehrere Schichten abwechselnd bei verschiedenen Herzschlägen zu messen und damit eine erweiterte Abdeckung des linksventrikulären Myokards zu erreichen. Durch die quantitative Auswertung der First-Pass MR-Perfusionsmessung stellt die beschriebene Methode eine vielversprechende Option im Bereich der nichtinvasiven Diagnostik verschiedener myokardialer Erkrankungen dar.
In this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T).
To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied.
Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to image artifacts in non-Cartesian acquisitions.
Among other reasons such as an increased reconstruction complexity, they cause the lack of spiral sequences in clinical routine compared to standard Cartesian imaging.
Therefore, the Gradient System Transfer Functions (GSTFs) of both scanners were determined and used for k-space trajectory correction in post-correction as well as in terms of a pre-emphasis.
The GSTF pre-emphasis was implemented as a fully automatic procedure, which enabled a precise correction of arbitrary gradient waveforms for double-oblique slice orientations.
Consequently, artifacts due to trajectory errors could be mitigated, which resulted in high image quality in non-Cartesian MRI.
Additionally, the GSTF correction was validated by measuring pre-emphasized spiral gradient outputs, which showed high agreement with the theoretical gradient waveforms.
Furthermore, it could be demonstrated that the performance of the GSTF correction is superior to a simple delay compensation approach.
The developed pulse sequences were applied to gated as well as real-time CMR. Special focus lied on the implementation of a spiral imaging protocol to resolve the beating heart of animals and humans in real time and free breathing.
In order to achieve real-time CMR with high spatiotemporal resolution, k-space undersampling was performed. For this reason, efficient sampling strategies were developed with the aim to facilitate compressed sensing (CS) during image reconstruction.
The applied CS approach successfully removed aliasing artifacts and yielded high-resolution cardiac image series. Image reconstruction was performed offline in all cases such that the images were not available immediately after acquisition at the scanner.
Spiral real-time CMR could be performed in free breathing, which led to an acquisition time of less than 1 minute for a whole short-axis stack.
At 3T, the results were compared to the gold standard of electrocardiogram-gated Cartesian CMR in breath hold, which revealed similar values for important cardiovascular functional and volumetric parameters.
This paves the way to an application of the developed framework in clinical routine of CMR.
In addition, the spiral real-time protocol was transferred to swallowing and speech imaging at 3T, and first images were presented.
The results were of high quality and confirm the straightforward utilization of the spiral sequence in other fields of MRI.
In general, the GSTF correction yielded high-quality images at both field strengths, 3T and 7T.
Off-resonance related blurring was mitigated by applying non-Cartesian readout gradients of short duration. At 7T, however, B1-inhomogeneity led to image artifacts in some cases.
All in all, this work demonstrated great advances in accelerating the MRI process by combining efficient, undersampled non-Cartesian k-space coverage with CS reconstruction.
Trajectory correction using the GSTF can be implemented at any scanner model and enables non-Cartesian imaging with high image quality.
Especially MRI of dynamic processes greatly benefits from the presented rapid imaging approaches.
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive medical imaging technique, that is rou- tinely used in clinical practice for detection and diagnosis of a wide range of different diseases. In MRI, no ionizing radiation is used, making even repeated application unproblematic. This is an important advantage over other common imaging methods such as X-rays and Computer To- mography. One major drawback of MRI, however, are long acquisition times and associated high costs of experiments. Since the introduction of MRI, several important technical developments have been made to successfully reduce acquisition times. In this work, novel approaches were developed to increase the efficiency of MRI acquisitions.
In Chapter 4, an improved radial turbo spin-echo (TSE) combined acquisition and reconstruction strategy was introduced. Cartesian turbo spin-echo sequences [3] are widely used especially for the detection and diagnosis of neurological pathologies, as they provide high SNR images with both clinically important proton density and T2 contrasts. TSE acquisitions combined with radial sampling are very efficient, since it is possible to obtain a number of ETL images with different contrasts from a single radial TSE measurement [56–58]. Conventionally, images with a particular contrast are obtained from both radial and Cartesian TSE acquisitions by combining data from different echo times into a single image. In the radial case, this can be achieved by employing k-space weighted image contrast (KWIC) reconstruction. In KWIC, the center region of k-space is filled exclusively with data belonging to the desired contrast while outer regions also are assembled with data acquired at other echo times. However, this data sharing leads to mixed contrast contributions to both Cartesian and radial TSE images. This is true especially for proton density weighted images and therefore may reduce their diagnostic value.
In the proposed method, an adapted golden angle reordering scheme is introduced for radial TSE acquisitions, that allows a free choice of the echo train length and provides high flexibility in image reconstruction. Unwanted contrast contaminations are greatly reduced by employing a narrow-band KWIC filter, that restricts data sharing to a small temporal window around the de- sired echo time. This corresponds to using fewer data than required for fully sampled images and consequently leads to images exhibiting aliasing artifacts. In a second step, aliasing-free images are obtained using parallel imaging. In the neurological examples presented, the CG-SENSE algorithm [42] was chosen due to its stable convergence properties and its ability to reconstruct arbitrarily sampled data. In simulations as well as in different in vivo neurological applications, no unwanted contrast contributions could be observed in radial TSE images reconstructed with the proposed method. Since this novel approach is easy to implement on today’s scanners and requires low computational power, it might be valuable for the clinical breakthrough of radial TSE acquisitions.
In Chapter 5, an auto-calibrating method was introduced to correct for stimulated echo contribu- tions to T2 estimates from a mono-exponential fit of multi spin-echo (MSE) data. Quantification of T2 is a useful tool in clinical routine for the detection and diagnosis of diseases as well as for tis- sue characterization. Due to technical imperfections, refocusing flip angles in a MSE acquisition deviate from the ideal value of 180○. This gives rise to significant stimulated echo contributions to the overall signal evolution. Therefore, T2 estimates obtained from MSE acquisitions typically are notably higher than the reference. To obtain accurate T2 estimates from MSE acquisitions, MSE signal amplitudes can be predicted using the extended phase graph (EPG, [23, 24]) algo- rithm. Subsequently, a correction factor can be obtained from the simulated EPG T2 value and applied to the MSE T2 estimates. However, EPG calculations require knowledge about refocus- ing pulse amplitudes, T2 and T1 values and the temporal spacing of subsequent echoes. While the echo spacing is known and, as shown in simulations, an approximate T1 value can be assumed for high ratios of T1/T2 without compromising accuracy of the results, the remaining two parameters are estimated from the data themselves. An estimate for the refocusing flip angle can be obtained from the signal intensity ratio of the second to the first echo using EPG. A conventional mono- exponential fit of the MSE data yields a first estimate for T2. The T2 correction is then obtained iteratively by updating the T2 value used for EPG calculations in each step. For all examples pre- sented, two iterations proved to be sufficient for convergence. In the proposed method, a mean flip angle is extracted across the slice. As shown in simulations, this assumption leads to greatly reduced deviations even for more inhomogeneous slice profiles. The accuracy of corrected T2 values was shown in experiments using a phantom consisting of bottles filled with liquids with a wide range of different T2 values. While T2 MSE estimates were shown to deviate significantly from the spin-echo reference values, this is not the case for corrected T2 values. Furthermore, applicability was demonstrated for in vivo neurological experiments.
In Chapter 6, a new auto-calibrating parallel imaging method called iterative GROG was pre- sented for the reconstruction of non-Cartesian data. A wide range of different non-Cartesian schemes have been proposed for data acquisition in MRI, that present various advantages over conventional Cartesian sampling such as faster acquisitions, improved dynamic imaging and in- trinsic motion correction. However, one drawback of non-Cartesian data is the more complicated reconstruction, which is ever more problematic for non-Cartesian parallel imaging techniques. Iterative GROG uses Calibrationless Parallel Imaging by Structured Low-Rank Matrix Completion (CPI) for data reconstruction. Since CPI requires points on a Cartesian grid, it cannot be used to directly reconstruct non-Cartesian data. Instead, Grappa Operator Gridding (GROG) is employed in a first step to move the non-Cartesian points to the nearest Cartesian grid locations. However, GROG requires a fully sampled center region of k-space for calibration. Combining both methods in an iterative scheme, accurate GROG weights can be obtained even from highly undersampled non-Cartesian data. Subsequently, CPI can be used to reconstruct either full k- space or a calibration area of arbitrary size, which can then be employed for data reconstruction with conventional parallel imaging methods.
In Chapter 7, a new 2D sampling scheme was introduced consisting of multiple oscillating effi- cient trajectories (MOET), that is optimized for Compressed Sensing (CS) reconstructions. For successful CS reconstruction of a particular data set, some requirements have to be met. First, ev- ery data sample has to carry information about the whole object, which is automatically fulfilled for the Fourier sampling employed in MRI. Additionally, the image to be reconstructed has to be sparse in an arbitrary domain, which is true for a number of different applications. Last, data sam- pling has to be performed in an incoherent fashion. For 2D imaging, this important requirement of CS is difficult to achieve with conventional Cartesian and non-Cartesian sampling schemes. Ra- dial sampling is often used for CS reconstructions of dynamic data despite the streaking present in undersampled images. To obtain incoherent aliasing artifacts in undersampled images while at the same time preserving the advantages of radial sampling for dynamic imaging, MOET com- bines radial spokes with oscillating gradients of varying amplitude and alternating orientation orthogonal to the readout direction. The advantage of MOET over radial sampling in CS re- constructions was demonstrated in simulations and in in vivo cardiac imaging. MOET provides superior results especially when used in CS reconstructions with a sparsity constraint directly in image space. Here, accurate results could be obtained even from few MOET projections, while the coherent streaking artifacts present in the case of radial sampling prevent image recovery even for smaller acceleration factors. For CS reconstructions of dynamic data with sparsity constraint in xf-space, the advantage of MOET is smaller since the temporal reordering is responsible for an important part of incoherency. However, as was shown in simulations of a moving phantom and in the reconstruction of ungated cardiac data, the additional spatial incoherency provided by MOET still leads to improved results with higher accuracy and may allow reconstructions with higher acceleration factors.
In dieser experimentellen Studie wurde der Einfluss einer moderaten Hypothermie nach Induktion einer epiduralen, extraaxialen Raumforderung auf das neurologische Outcome, auf histopathologische Veränderungen und mittels bildgebender Methoden untersucht. Der Hauptaugenmerk wurde dabei eindeutig auf die neurologischen Verlaufsuntersuchungen mit Hilfe einer neuropsychologischen Testbatterie gelegt.Damit konnte in etwa die Hauptphase der klinischen Rekonvaleszens nach Trauma abgedeckt werden.Zudem hatten die meisten experimentellen Arbeiten bereits nach wesentlich kürzeren Zeiträumen ihre Nachuntersuchungen abgeschlossen.Die Gesamtmortalität betrug bei den normotherm behandelten Tieren 55% und bei den hypotherm behandelten Tieren 45%. Der Unterschied betrug damit nur 10% und war nicht signifikant. Betrachtet man aber die Mortalitätsraten differenzierter, so zeigt sich bezüglich der rein schädigungsbedingten Mortalität als Folge von schweren neurologischen Defiziten wie Hemiparese, Inaktivität und damit verbundenen dramatischen Gewichtsverlust eine Mortalität von 5% für die Hypothermiegruppe und 30% in der Normothermiegruppe. Dies findet seine Bestätigung auch in anderen experimentellen Untersuchungen. Für die Anwendung von Hypothermie bei Schädel – Hirn –Traumen und zerebralen Ischämien in klinischen Studien ist die Datenlage bisher noch widersprüchlich. Die bisher größte Multicenterstudie in den USA von 1994 -1998 musste bei 392 Patienten mit SHT abgebrochen werden, nachdem kein therapeutischer Effekt unter Hypothermie festzustellen war (Clifton et al., 2001¹). Nähere Analysen zeigten jedoch eine Verbesserung des Outcomes bei Patienten unter 45 Jahren welche bei Aufnahme bereits hypothermen Bedingungen ausgesetzt waren. Damit stellt sich natürlich die Frage nach dem optimalen Zeitfenster für den Beginn einer hypothermen Behandlung. Als therapeutische Konsequenz erscheint damit unter Umständen ein sofortiger Beginn der Hypothermiebehandlung mit Eintreffen des Notarztes als wirkungsvoller. Zusätzlich konnten wiederum neueste Untersuchungen bei Patienten mit zerebraler Ischämie nach Herz- und Kreislaufstillstand einen protektiven Effekt einer moderater Hypothermie auf das neurologische Outcome aufzeigen (Bernard et al., 2002; Holzer et al., 2002).In unserer Studie sollte aber auf keinen Fall der nur geringe Unterschied in der Gesamtmortalität mit 55 % in der normothermen und 45 % in der hypothermen Gruppe vernachlässigt werden. Die Annäherung der Gesamtmortalität war hierbei auf eine deutlich erhöhte Rate systemischer oder lokaler Infektionen unter den hypothermen Tieren zurückzuführen.In klinischen Studien mehren sich allerdings die Hinweise auf eine durch Hypothermie bedingte Immunsuppression und damit verbundenen erhöhten Infektionsneigung. So konnten erhöhte Pneumonieraten (Schwab et al., 1998; 2001 ; Shiozaki et al., 2001) aber auch ein vermehrtes Auftreten von Meningitiden (Shiozaki et al.,2001) beobachtet werden. Shiozaki konnte zudem signifikant erhöhte Raten von Leuko- und Thrombozytopenien sowie Elektrolytentgleisungen im hypothermen Kollektiv finden (Shiozaki et al., 2001). Schwab fand in einer eigens zur Überprüfung der Nebenwirkungen von Hypothermie bei Patienten mit zerebraler Ischämie aufgelegten Studie erhöhte Raten an Pneumonien (48%), Thrombozytopenien (70%) und Bradykardien (62%) (Schwab et al.,2001). Prospektive Studien von Patienten mit kolorektalen Eingriffen wiesen ebenso unter milder Hypothermie signifikant vermehrt Wundheilungsstörungen (Kurz et al., 1996) und eine geringere Lymphozytenaktivität auf (Beilin et al., 1998). Angewandt auf unsere Studie zeigte sich ebenfalls eine erhöhte Rate von Wundheilungsstörungen unter Hypothermie, ohne dabeijedoch zu einer Beeinflussung der Ergebnisse in den neuropsychologischen Testreihen zu führen.Abschließend kann festgehalten werden, dass in dieser Studie die Induktion einer moderaten Hypothermie nach epiduraler, extraaxialer Raumforderung, zu einer Verbesserung neurologischer Defizite und damit zu einer Besserung der Lebensqualität jener Versuchstiere führte, die den Beobachtungszeitraum überlebten. Eine Verringerung der Gesamtmortalität konnte nicht erreicht werden.
In der vorliegenden prospektiven experimentellen Studie wurden jeweils 18 Probanden sowie Patienten, die unter einer genetisch gesicherten Friedrich-Ataxie leiden, mit der Tissue-Phase‐Mapping (TPM) Sequenz im MRT untersucht. Mit der erwähnten Sequenz ist es möglich, die Geschwindigkeit der Herzwandbewegung über einen Herzzyklus zeitlich hoch aufgelöst (13,8 ms) darzustellen. Es wurde in der Vergangenheit gezeigt, dass die Daten der TPM‐Messung reproduzierbar sowie mit denen aus einer Ultraschalluntersuchung gewonnenen Daten vergleichbar sind. Die Aufnahme erfolgt unter freier Atmung in Navigatortechnik. Dadurch ist diese Untersuchung auch bei Patienten möglich, die aufgrund Ihrer Erkrankung sonst nicht ausreichend lange die Luft anhalten könnten. Die Friedreich‐Ataxie ist die häufigste aller Ataxien in der Adoleszenzphase und wird autosomal-rezessiv vererbt. Neben neurologischen Ausfällen kann es auch zu einer kardialen Beteiligung kommen. Dabei zeigt sich bei einem großen Teil der Patienten eine Kardiomyopathie mit asymmetrischer septaler Hypertrophie sowie einer dynamischen linksventrikulären Ausflussobstruktion. Die American Heart Association klassifiziert dieses Krankeitsbild als sekundäre Kardiomyopathie neuromuskulären Ursprungs. Es wurde in der Vergangenheit bereits gezeigt, dass es unter einer Therapie mit dem Medikament Idebenone zu einer Verbesserung der kardialen Funktion kommen kann. Im Zusammenhang mit einer groß angelegten, multizentrischen Phase III Studie (MICONOS-Studie) kamen diese Patienten nach Würzburg für eine MRT-Untersuchung. Im Rahmen dessen erfolgte dann auf freiwilliger Basis eine Untersuchung mit der TPM-Sequenz. Diese Substudie wurde von der lokalen Ethikkommission genehmigt und die Patienten wie auch Probanden haben selbst oder durch Erziehungsberechtigte der Untersuchung zugestimmt. Es konnte durch diese Arbeit gezeigt werden, dass zum einen die Methode des Tissue-Phase‐Mappings erfolgreich am Institut für Röntgendiagnostik des Universitätsklinikums Würzburg eingeführt werden konnte. Zum anderen, dass die Ergebnisse der herzgesunden Probanden mit anderen, in der Vergangenheit durchgeführten Studien, ähnlich und vergleichbar sind. Zudem konnten teilweise signifikante Unterschiede der systolischen wie auch der diastolischen Geschwindigkeiten zwischen Probanden und Patienten der MICONOS Studie in einigen ROIs bzw. global nachgewiesen werden. Dies bedeutet, dass das hier vorgestellte Verfahren in der Lage ist, Unterschiede in den Geschwindigkeiten der regionalen wie auch globalen Herzwandbewegung in allen drei Bewegungsachsen zwischen verschiedenen Kollektiven zu detektieren. Diese Differenzen können ein Frühzeichen für eine pathologische Herzmuskelerkrankung sein und somit helfen, dass frühzeitig eine entsprechende Therapie begonnen wird. Aufgrund der Ergebnisse dieser Dissertation werden weitere Studien folgen, die helfen werden, dass das Tissue-Phase‐Mapping Verfahren Einzug in die klinische Routine erhalten wird.
Ziel dieser Arbeit war es, die Aussagefähigkeit der Kernspintomographie mit der der Histologie und der Sonographie im Hinblick auf Umbauvorgänge im Muskel in einem Patientenkollektiv mit Myopathien verschiedener Ätiologie zu vergleichen. Weiterhin sollte überprüft werden, ob die MRT-Untersuchung mittels fettsupprimierter TIRM-Sequenz und T1-gewichteter Sequenz nach Kontrastmittelgabe eine zusätzliche Hilfe bei der Diagnosefindung darstellt. Hierzu wurden über den Zeitraum von zwei Jahren 26 Patienten, die in der Neurologischen Universitätsklinik Würzburg mit einer Myopathie aufgenommen wurden, nach einem standardisierten Protokoll klinisch, laborchemisch, sonographisch (n=16) sowie kernspintomographisch untersucht. Außerdem erfolgte zur histologischen Diagnostik nach Aufklärung des Patienten eine Muskelbiopsie. Die kernspintomographische Untersuchung umfasste eine konventionelle T1-gewichtete Sequenz, eine fettunterdrückte TIRM-Sequenz und eine T1-gewichtete Sequenz nach der Gabe von Gadolinium-DTPA. Das Patientenkollektiv wurde für die statistische Auswertung in drei klinische Diagnosegruppen aufgeteilt: nicht-entzündliche, degenerative Myopathien (Gruppe A1), nicht-entzündliche, nicht-degenerative Myopathien (Gruppe A2) und entzündliche Myopathien (Gruppe B). Die T1-gewichtete Spinechosequenz zeigte sich in diesen Untersuchungen wie in vorangegangenen Arbeiten im Bezug auf fett- und bindegewebigen Umbauvorgänge des Muskelparenchyms am sensitivsten. Muskuläre Veränderungen in der T1-gewichteten Sequenz korrelieren mit der Schwere des Muskelumbaus in der Histologie und dem MRC-Kraftgrad als funktionellen Parameter. Pathologische Befunde in der ödemsensitiven TIRM-Sequenz fanden sich bei entzündlichen und nicht-entzündlichen Myopathien etwa gleich häufig. Unsere Ergebnisse legen also nahe, dass eine Ödementstehung nicht zwangsläufig an eine entzündliche Genese gebunden ist. Eine Korrelation des histologischen Entzündungsscores mit der TIRM-Sequenz konnte in keiner der Diagnosegruppen nachgewiesen werden. Hieraus ist abzuleiten, dass zur genauen Lokalisation der Muskelbiopsie eine MRT-Diagnostik vor allem bei entzündlichen Myopathien sehr zu empfehlen ist. In dieser Arbeit fanden sich in der Patientengruppe mit einer degenerativen Myopathie häufiger als bisher beschrieben pathologische Auffälligkeiten (46 % der Patienten) in der T1-Sequenz nach Kontrastmittelgabe. Die Kontrastmittelanreicherung entspricht nicht in jedem Fall einer in der TIRM-Sequenz festgestellten Ödemausbreitung. Bei den entzündlichen Myopathien zeigte sich eine Korrelation der CK-Aktivität mit der T1-gewichteten Sequenz nach Kontrastmittelgabe, jedoch nicht mit den beiden anderen MRT-Sequenzen. An Hand der vorliegenden Befunde lässt sich vermuten, dass Kontrastmittelanreicherung ein Ausdruck aktiver muskulärer Umbauprozesse im Rahmen entzündlicher und degenerativer Myopathien ist. Damit scheint unter dem Aspekt der Erfassung der Aktivität einer Myopathie eine Kontrastmittelgabe bei der MRT-Diagnostik auch bei degenerativen neuromuskulären Erkrankungen sinnvoll. Die Befunde der Sonographie korrelieren mit den Befunden aus der T1-gewichteten MRT- Sequenz, mit der Schwere des Muskelumbaus in der Histologie und dem MRC-Kraftgrad. Diese Ergebnisse zeigen die gute Nachweisrate von muskulären Veränderungen durch die Sonographie. Alle drei zu vergleichenden Untersuchungsmethoden eignen sich für die Diagnostik von Myopathien. Eine spezifische Diagnose der Muskelerkrankungen auf Grund der MRT allein, ist, auch bei der hier untersuchten Anwendung von zusätzlicher Kontrastmittelgabe, noch nicht möglich. Die Diagnosestellung erfolgt letztendlich aus der Anamnese und der Gesamtheit aller Befunde. Welche apparativen und bildgebenden Verfahren hierbei zum Einsatz kommen, muss individuell entschieden werden, da die Untersuchungsverfahren unterschiedliche Aspekte der Erkrankung beleuchten. Die vorliegenden Ergebnisse könnten hierbei eine Entscheidungshilfe sein.
Purpose
The AMADEUS (Area Measurement And DEpth and Underlying Structures) scoring and grading system has been proposed for the MRI based evaluation of untreated focal chondral defects around the knee. The clinical practicability, its correlation with arthroscopically assessed grading systems (ICRS – International Cartilage Repair Society) and thereby its clinical value in terms of decision making and guiding prognosis was yet to determine.
Methods
From 2008 to 2019 a total of 89 individuals were indicated for high tibial valgus osteotomy (HTO) due to tibial varus deformity and concomitant chondral defects of the medial compartment of the knee. All patients received a preoperative MRI (1.5 Tesla or 3.0 Tesla) and pre-osteotomy diagnostic arthroscopy. Chondral defects of the medial compartment were scored and graded with the MRI based AMADEUS by three independent raters and compared to arthroscopic defect grading by the ICRS system. Interrater and intrarater reliability as well as correlation analysis with the ICRS classification system were assessed.
Results
Intraclass correlation coefficients for the various subscores of the AMADEUS showed an overall good to excellent interrater agreement (min: 0.26, max: 0.80). Intrarater agreement turned out to be substantially inferior (min: 0.08, max: 0.53). Spearman correlation revealed an overall moderate correlative association of the AMADEUS subscores with the ICRS classification system, apart from the defect area subscore. Sensitivity of the AMADEUS to accurately identify defect severity according to the ICRS was 0.7 (0.69 for 3.0 Tesla MRI, 0.67 for 1.5 Tesla MRI). The mean AMADEUS grade was 2.60 ± 0.81 and the mean ICRS score 2.90 ± 0.63.
Conclusions
Overall, the AMADEUS with all its subscores shows moderate correlation with the arthroscopic chondral grading system according to ICRS. This suggests that chondral defect grading by means of the MRI based AMADEUS is well capable of influencing and guiding treatment decisions. Interrater reliability shows overall good agreement.
Within this thesis, three main approaches for the assessment and investigation of altered hemodynamics like wall shear stress, oscillatory shear index and the arterial pulse wave velocity in atherosclerosis development and progression were conducted:
1. The establishment of a fast method for the simultaneous assessment of 3D WSS and PWV in the complete murine aortic arch via high-resolution 4D-flow MRI
2. The utilization of serial in vivo measurements in atherosclerotic mouse models using high-resolution 4D-flow MRI, which were divided into studies describing altered hemodynamics in late and early atherosclerosis
3. The development of tissue-engineered artery models for the controllable application and variation of hemodynamic and biologic parameters, divided in native artery models and biofabricated artery models, aiming for the investigation of the relationship between atherogenesis and hemodynamics
Chapter 2 describes the establishment of a method for the simultaneous measurement of 3D WSS and PWV in the murine aortic arch at, using ultra high-field MRI at 17.6T [16], based on the previously published method for fast, self-navigated wall shear stress measurements in the murine aortic arch using radial 4D-phase contrast MRI at 17.6 T [4]. This work is based on the collective work of Dr. Patrick Winter, who developed the method and the author of this thesis, Kristina Andelovic, who performed the experiments and statistical analyses. As the method described in this chapter is basis for the following in vivo studies and undividable into the sub-parts of the contributors without losing important information, this chapter was not split into the single parts to provide fundamental information about the measurement and analysis methods and therefore better understandability for the following studies. The main challenge in this chapter was to overcome the issue of the need for a high spatial resolution to determine the velocity gradients at the vascular wall for the WSS quantification and a high temporal resolution for the assessment of the PWV without prolonging the acquisition time due to the need for two separate measurements. Moreover, for a full coverage of the hemodynamics in the murine aortic arch, a 3D measurement is needed, which was achieved by utilization of retrospective navigation and radial trajectories, enabling a highly flexible reconstruction framework to either reconstruct images at lower spatial resolution and higher frame rates for the acquisition of the PWV or higher spatial resolution and lower frame rates for the acquisition of the 3D WSS in a reasonable measurement time of only 35 minutes. This enabled the in vivo assessment of all relevant hemodynamic parameters related to atherosclerosis development and progression in one experimental session. This method was validated in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice, indicating no differences in robustness between pathological and healthy mice.
The heterogeneous distribution of plaque development and arterial stiffening in atherosclerosis [10, 12], however, points out the importance of local PWV measurements. Therefore, future studies should focus on the 3D acquisition of the local PWV in the murine aortic arch based on the presented method, in order to enable spatially resolved correlations of local arterial stiffness with other hemodynamic parameters and plaque composition.
In Chapter 3, the previously established methods were used for the investigation of changing aortic hemodynamics during ageing and atherosclerosis in healthy wild type and atherosclerotic Apoe-/- mice using the previously established methods [4, 16] based on high-resolution 4D-flow MRI. In this work, serial measurements of healthy and atherosclerotic mice were conducted to track all changes in hemodynamics in the complete aortic arch over time. Moreover, spatially resolved 2D projection maps of WSS and OSI of the complete aortic arch were generated. This important feature allowed for the pixel-wise statistical analysis of inter- and intragroup hemodynamic changes over time and most importantly – at a glance. The study revealed converse differences of local hemodynamic profiles in healthy WT and atherosclerotic Apoe−/− mice, with decreasing longWSS and increasing OSI, while showing constant PWV in healthy mice and increasing longWSS and decreasing OSI, while showing increased PWV in diseased mice. Moreover, spatially resolved correlations between WSS, PWV, plaque and vessel wall characteristics were enabled, giving detailed insights into coherences between hemodynamics and plaque composition. Here, the circWSS was identified as a potential marker of plaque size and composition in advanced atherosclerosis. Moreover, correlations with PWV values identified the maximum radStrain could serve as a potential marker for vascular elasticity. This study demonstrated the feasibility and utility of high-resolution 4D flow MRI to spatially resolve, visualize and analyze statistical differences in all relevant hemodynamic parameters over time and between healthy and diseased mice, which could significantly improve our understanding of plaque progression towards vulnerability. In future studies the relation of vascular elasticity and radial strain should be further investigated and validated with local PWV measurements and CFD.
Moreover, the 2D histological datasets were not reflecting the 3D properties and regional characteristics of the atherosclerotic plaques. Therefore, future studies will include 3D plaque volume and composition analysis like morphological measurements with MRI or light-sheet microscopy to further improve the analysis of the relationship between hemodynamics and atherosclerosis.
Chapter 4 aimed at the description and investigation of hemodynamics in early stages of atherosclerosis. Moreover, this study included measurements of hemodynamics at baseline levels in healthy WT and atherosclerotic mouse models. Due to the lack of hemodynamic-related studies in Ldlr-/- mice, which are the most used mouse models in atherosclerosis research together with the Apoe-/- mouse model, this model was included in this study to describe changing hemodynamics in the aortic arch at baseline levels and during early atherosclerosis development and progression for the first time. In this study, distinct differences in aortic geometries of these mouse models at baseline levels were described for the first time, which result in significantly different flow- and WSS profiles in the Ldlr-/- mouse model. Further basal characterization of different parameters revealed only characteristic differences in lipid profiles, proving that the geometry is highly influencing the local WSS in these models. Most interestingly, calculation of the atherogenic index of plasma revealed a significantly higher risk in Ldlr-/- mice with ongoing atherosclerosis development, but significantly greater plaque areas in the aortic arch of Apoe-/- mice. Due to the given basal WSS and OSI profile in these two mouse models – two parameters highly influencing plaque development and progression – there is evidence that the regional plaque development differs between these mouse models during very early atherogenesis.
Therefore, future studies should focus on the spatiotemporal evaluation of plaque development and composition in the three defined aortic regions using morphological measurements with MRI or 3D histological analyses like LSFM. Moreover, this study offers an excellent basis for future studies incorporating CFD simulations, analyzing the different measured parameter combinations (e.g., aortic geometry of the Ldlr-/- mouse with the lipid profile of the Apoe-/- mouse), simulating the resulting plaque development and composition. This could help to understand the complex interplay between altered hemodynamics, serum lipids and atherosclerosis and significantly improve our basic understanding of key factors initiating atherosclerosis development.
Chapter 5 describes the establishment of a tissue-engineered artery model, which is based on native, decellularized porcine carotid artery scaffolds, cultured in a MRI-suitable bioreactor-system [23] for the investigation of hemodynamic-related atherosclerosis development in a controllable manner, using the previously established methods for WSS and PWV assessment [4, 16]. This in vitro artery model aimed for the reduction of animal experiments, while simultaneously offering a simplified, but completely controllable physical and biological environment. For this, a very fast and gentle decellularization protocol was established in a first step, which resulted in porcine carotid artery scaffolds showing complete acellularity while maintaining the extracellular matrix composition, overall ultrastructure and mechanical strength of native arteries. Moreover, a good cellular adhesion and proliferation was achieved, which was evaluated with isolated human blood outgrowth endothelial cells. Most importantly, an MRI-suitable artery chamber was designed for the simultaneous cultivation and assessment of high-resolution 4D hemodynamics in the described artery models. Using high-resolution 4D-flow MRI, the bioreactor system was proven to be suitable to quantify the volume flow, the two components of the WSS and the radStrain as well as the PWV in artery models, with obtained values being comparable to values found in literature for in vivo measurements. Moreover, the identification of first atherosclerotic processes like intimal thickening is achievable by three-dimensional assessment of the vessel wall morphology in the in vitro models. However, one limitation is the lack of a medial smooth muscle cell layer due to the dense ECM. Here, the utilization of the laser-cutting technology for the generation of holes and / or pits on a microscale, eventually enabling seeding of the media with SMCs showed promising results in a first try and should be further investigated in future studies. Therefore, the proposed artery model possesses all relevant components for the extension to an atherosclerosis model which may pave the way towards a significant improvement of our understanding of the key mechanisms in atherogenesis.
Chapter 6 describes the development of an easy-to-prepare, low cost and fully customizable artery model based on biomaterials. Here, thermoresponsive sacrificial scaffolds, processed with the technique of MEW were used for the creation of variable, biomimetic shapes to mimic the geometric properties of the aortic arch, consisting of both, bifurcations and curvatures. After embedding the sacrificial scaffold into a gelatin-hydrogel containing SMCs, it was crosslinked with bacterial transglutaminase before dissolution and flushing of the sacrificial scaffold. The hereby generated channel was subsequently seeded with ECs, resulting in an easy-to-prepare, fast and low-cost artery model. In contrast to the native artery model, this model is therefore more variable in size and shape and offers the possibility to include smooth muscle cells from the beginning. Moreover, a custom-built and highly adaptable perfusion chamber was designed specifically for the scaffold structure, which enabled a one-step creation and simultaneously offering the possibility for dynamic cultivation of the artery models, making it an excellent basis for the development of in vitro disease test systems for e.g., flow-related atherosclerosis research. Due to time constraints, the extension to an atherosclerosis model could not be achieved within the scope of this thesis. Therefore, future studies will focus on the development and validation of an in vitro atherosclerosis model based on the proposed bi- and three-layered artery models.
In conclusion, this thesis paved the way for a fast acquisition and detailed analyses of changing hemodynamics during atherosclerosis development and progression, including spatially resolved analyses of all relevant hemodynamic parameters over time and in between different groups. Moreover, to reduce animal experiments, while gaining control over various parameters influencing atherosclerosis development, promising artery models were established, which have the potential to serve as a new platform for basic atherosclerosis research.
Objective
Growing interest in measuring the cochlear duct length (CDL) has emerged, since it can influence the selection of cochlear implant electrodes. Currently the measurements are performed with ionized radiation imaging. Only a few studies have explored CDL measurements in magnetic resonance imaging (MRI). Therefore, the presented study aims to fill this gap by estimating CDL in MRI and comparing it with multislice computed tomography (CT).
Study Design
Retrospective data analyses of 42 cochleae.
Setting
Tertiary care medical center.
Methods
Diameter (A value) and width (B value) of the cochlea were measured in HOROS software. The CDL and the 2-turn length were determined by the elliptic circular approximation (ECA). In addition, the CDL, the 2-turn length, and the angular length were determined via HOROS software by the multiplanar reconstruction (MPR) method.
Results
CDL values were significantly shorter in MRI by MPR (d = 1.38 mm, P < .001) but not by ECA. Similar 2-turn length measurements were significantly lower in MRI by MPR (d = 1.67 mm) and ECA (d = 1.19 mm, both P < .001). In contrast, angular length was significantly higher in MRI (d = 26.79°, P < .001). When the values were set in relation to the frequencies of the cochlea, no clinically relevant differences were estimated (58 Hz at 28-mm CDL).
Conclusion
In the presented study, CDL was investigated in CT and MRI by using different approaches. Since no clinically relevant differences were found, diagnostics with radiation may be omitted prior to cochlear implantation; thus, a concept of radiation-free cochlear implantation could be established.
Background
The Goutallier Classification is a semi quantitative classification system to determine the amount of fatty degeneration in rotator cuff muscles. Although initially proposed for axial computer tomography scans it is currently applied to magnet-resonance-imaging-scans. The role for its clinical use is controversial, as the reliability of the classification has been shown to be inconsistent. The purpose of this study was to compare the semi quantitative MRI-based Goutallier Classification applied by 5 different raters to experimental MR spectroscopic quantitative fat measurement in order to determine the correlation between this classification system and the true extent of fatty degeneration shown by spectroscopy.
Methods
MRI-scans of 42 patients with rotator cuff tears were examined by 5 shoulder surgeons and were graduated according to the MRI-based Goutallier Classification proposed by Fuchs et al. Additionally the fat/water ratio was measured with MR spectroscopy using the experimental SPLASH technique. The semi quantitative grading according to the Goutallier Classification was statistically correlated with the quantitative measured fat/water ratio using Spearman’s rank correlation.
Results
Statistical analysis of the data revealed only fair correlation of the Goutallier Classification system and the quantitative fat/water ratio with R = 0.35 (p < 0.05). By dichotomizing the scale the correlation was 0.72. The interobserver and intraobserver reliabilities were substantial with R = 0.62 and R = 0.74 (p < 0.01).
Conclusion
The correlation between the semi quantitative MRI based Goutallier Classification system and MR spectroscopic fat measurement is weak. As an adequate estimation of fatty degeneration based on standard MRI may not be possible, quantitative methods need to be considered in order to increase diagnostic safety and thus provide patients with ideal care in regard to the amount of fatty degeneration. Spectroscopic MR measurement may increase the accuracy of the Goutallier classification and thus improve the prediction of clinical results after rotator cuff repair. However, these techniques are currently only available in an experimental setting.
Background
Functional lung MRI techniques are usually associated with time-consuming post-processing, where manual lung segmentation represents the most cumbersome part. The aim of this study was to investigate whether deep learning-based segmentation of lung images which were scanned by a fast UTE sequence exploiting the stack-of-spirals trajectory can provide sufficiently good accuracy for the calculation of functional parameters.
Methods
In this study, lung images were acquired in 20 patients suffering from cystic fibrosis (CF) and 33 healthy volunteers, by a fast UTE sequence with a stack-of-spirals trajectory and a minimum echo-time of 0.05 ms. A convolutional neural network was then trained for semantic lung segmentation using 17,713 2D coronal slices, each paired with a label obtained from manual segmentation. Subsequently, the network was applied to 4920 independent 2D test images and results were compared to a manual segmentation using the Sørensen–Dice similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff distance (HD). Obtained lung volumes and fractional ventilation values calculated from both segmentations were compared using Pearson’s correlation coefficient and Bland Altman analysis.
To investigate generalizability to patients outside the CF collective, in particular to those exhibiting larger consolidations inside the lung, the network was additionally applied to UTE images from four patients with pneumonia and one with lung cancer.
Results
The overall DSC for lung tissue was 0.967 ± 0.076 (mean ± standard deviation) and HD was 4.1 ± 4.4 mm. Lung volumes derived from manual and deep learning based segmentations as well as values for fractional ventilation exhibited a high overall correlation (Pearson’s correlation coefficent = 0.99 and 1.00). For the additional cohort with unseen pathologies / consolidations, mean DSC was 0.930 ± 0.083, HD = 12.9 ± 16.2 mm and the mean difference in lung volume was 0.032 ± 0.048 L.
Conclusions
Deep learning-based image segmentation in stack-of-spirals based lung MRI allows for accurate estimation of lung volumes and fractional ventilation values and promises to replace the time-consuming step of manual image segmentation in the future.
Der Morbus Fabry ist eine X-chromosomal rezessive lysosomale Speicherkrankheit, es resultiert eine verminderte Aktivität des Enzyms alpha-Galaktosidase-A. Diese führt zu einer Einlagerung von Globotriaosylceramiden in verschiedenen Organsystemen. Neben Niere und Nervensystem ist das Herz einer der Hauptmanifestationsorte der Erkrankung. Der Morbus Fabry führt unbehandelt zu einer ventrikulären Hypertrophie, verminderten linksventrikulären Funktion und schließlich zu einer myokardialen Fibrosierung. Viele Patienten sterben aufgrund einer progredienten Herzinsuffizienz. Seit 2001 steht mit der Enzymersatztherapie (ERT), die alpha-Galaktosidase substituiert, eine kausale Behandlung des Enzymdefekts zur Verfügung. Erste, auf einen kurzen Zeitraum (bis zu 12 Monate) angelegte, klinische Studien bei Patienten mit Morbus Fabry haben positive Effekte in Hinblick auf die Funktion und Morphologie des Herzens bei Fabry-Patienten gezeigt. Jedoch zeigten die untersuchten Patienten untereinander oft deutlich unterschiedliche Therapieeffekte. Die Langzeiteffekte einer Enzymersatztherapie, insbesondere in Hinblick auf eine zunehmende Fibrosierung des Herzens als Prognose-Parameter im Laufe der Erkrankung, wurden bisher nicht untersucht. Auch fehlen Daten für eine Aussage über den frühestnötigen Therapiezeitpunkt. Diese Untersuchungen erfolgen zum ersten Mal im Rahmen dieser Studie. Es wurden 30 Patienten (42±7 Jahre) mit genetisch gesichertem Morbus Fabry vor Therapie und nach 1, 2 und 3 Jahren unter Enzymersatztherapie untersucht. Behandelt wurde mit 1.0 mg/kg Körpergewicht rekombinanter alpha-Galaktosidase A (agalsidase ß, Fabrazyme®). Es erfolgten Magnetresonanztomographie- und echokardiographische Untersuchungen. Die echokardiographischen Untersuchungsergebnisse wurden mit einer Kohorte von 20 Herzgesunden verglichen. Neben der Bestimmung echokardiographischer Standardwerte wie der Septum- und Hinterwandstärke und der diastolischen Funktion erfolgte eine Evaluierung der regionalen myokardialen Funktion mittels Gewebedoppler (Strain und Strain Rate Imaging sowie Double Peak-Technik). Im Magnetresonanztomographen (MRT) erfolgte die Detektion eines eventuellen Late Enhancements als Marker für myokardiale Fibrose. Die Patienten wurden anhand des Late Enhancements im MRT in drei Gruppen eingeteilt: Keine Fibrose (n=12), Fibrose in einer (n=9) und Fibrose in mehreren Regionen (n=9). Nur die Gruppe, die Baseline keine Fibrose aufwies zeigte unter dreijähriger ERT eine Normalisierung der Wanddicke und eine funktionelle Normalisierung der regionalen Herzfunktion (Strain Rate radial: von 2,3±0,4s-1 auf 2,9±0,7s-1; p<0,05; Vergleichskollektiv: 2,8±0,5s-1). Die anderen beiden Gruppen zeigten zwar einen Rückgang der Hypertrophie, hinsichtlich der Herzfunktion konnten sie jedoch bei bereits deutlich erniedrigten Funktionswerten zum Baseline-Zeitpunkt lediglich stabilisiert werden. Bei rechtzeitigem Therapiebeginn scheint die Enzymersatztherapie eine effektive Behandlung des Herzens bei Morbus Fabry zu ermöglichen. Diese Langzeitstudie zur Enzymersatztherapie bei Morbus Fabry über 3 Jahre zeigt jedoch deutlich, dass dies nur bei noch nicht fibrotisch verändertem Herzen gilt. Die Indikation zur Enzymersatztherapie sollte daher aus kardiologischer Sicht frühzeitig gestellt werden.
AimIn PET imaging, the different types of radiotracers and accumulations, as well as the diversity of disease patterns, make the analysis of molecular imaging data acquired in vivo challenging. Here, we evaluate and validate a semi-automated MRI template-based data analysis tool that allows preclinical PET images to be aligned to a self-created PET template. Based on the user-defined volume-of-interest (VOI), image data can then be evaluated using three different semi-quantitative parameters: normalized activity, standardized uptake value, and uptake ratio.
Materials and MethodsThe nuclear medicine Data Processing Analysis tool (NU_DPA) was implemented in Matlab. Testing and validation of the tool was performed using two types of radiotracers in different kinds of stroke-related brain diseases in rat models. The radiotracers used are 2-[\(^{18}\)F]fluoro-2-deoxyglucose ([\(^{18}\)F]FDG), a metabol\(^{68}\)Ga]Ga-Fucoidan, a target-selective radioligand specifically binding to p-selectin. After manual image import, the NU_DPA tool automatically creates an averaged PET template out of the acquired PET images, to which all PET images are then aligned onto. The added MRI template-based information, resized to the lower PET resolution, defines the VOI and also allows a precise subdivision of the VOI into individual sub-regions. The aligned PET images can then be evaluated semi-quantitatively for all regions defined in the MRI atlas. In addition, a statistical analysis and evaluation of the semi-quantitative parameters can then be performed in the NU_DPA tool.
ResultsUsing ischemic stroke data in Wistar rats as an example, the statistical analysis of the tool should be demonstrated. In this [\(^{18}\)F]FDG-PET experiment, three different experimental states were compared: healthy control state, ischemic stroke without electrical stimulation, ischemic stroke with electrical stimulation. Thereby, statistical data evaluation using the NU_DPA tool showed that the glucose metabolism in a photothrombotic lesion can be influenced by electrical stimulation.
ConclusionOur NU_DPA tool allows a very flexible data evaluation of small animal PET data in vivo including statistical data evaluation. Using the radiotracers [\(^{18}\)F]FDG and [\(^{68}\)Ga]Ga-Fucoidan, it was shown that the semi-automatic MRI-template based data analysis of the NU_DPA tool is potentially suitable for both metabolic radiotracers as well as target-selective radiotracers.
Magnetic resonance imaging (MRI) is a medical imaging method that involves no ionizing radiation and can be used non-invasively. Another important - if not the most important - reason for the widespread and increasing use of MRI in clinical practice is its interesting and highly flexible image contrast, especially of biological tissue. The main disadvantages of MRI, compared to other widespread imaging modalities like computed tomography (CT), are long measurement times and the directly resulting high costs. In the first part of this work, a new technique for accelerated MRI parameter mapping using a radial IR TrueFISP sequence is presented. IR TrueFISP is a very fast method for the simultaneous quantification of proton density, the longitudinal relaxation time T1, and the transverse relaxation time T2. Chapter 2 presents speed improvements to the original IR TrueFISP method. Using a radial view-sharing technique, it was possible to obtain a full set of relaxometry data in under 6 s per slice. Furthermore, chapter 3 presents the investigation and correction of two major sources of error of the IR TrueFISP method, namely magnetization transfer and imperfect slice profiles. In the second part of this work, a new MRI thermometry method is presented that can be used in MRI-safety investigations of medical implants, e.g. cardiac pacemakers and implantable cardioverter-defibrillators (ICDs). One of the major safety risks associated with MRI examinations of pacemaker and ICD patients is RF induced heating of the pacing electrodes. The design of MRI-safe (or MRI-conditional) pacing electrodes requires elaborate testing. In a first step, many different electrode shapes, electrode positions and sequence parameters are tested in a gel phantom with its geometry and conductivity matched to a human body. The resulting temperature increase is typically observed using temperature probes that are placed at various positions in the gel phantom. An alternative to this local thermometry approach is to use MRI for the temperature measurement. Chapter 5 describes a new approach for MRI thermometry that allows MRI thermometry during RF heating caused by the MRI sequence itself. Specifically, a proton resonance frequency (PRF) shift MRI thermometry method was combined with an MR heating sequence. The method was validated in a gel phantom, with a copper wire serving as a simple model for a medical implant.
Die hier vorliegende Arbeit hatte in einem ersten Schritt das Ziel, die physiologische Beanspruchung ausgewählter Muskeln des Hals-, Nacken – und Schulterbereiches unter positiven Beschleunigungskräften zu ermitteln und den Einfluss unterschiedlicher Helmsysteme sowie Bewegungen des Kopfes zu analysieren. Dafür wurde die Methode der Oberflächenelektromyographie genutzt, eine Technik, welche myoelektrische Signale, die Muskeln bei ihren Kontraktionsvorgängen erzeugen, erfassen kann. Im Speziellen wurde die Normalisierungsmethode der maximalen Willkürkontraktion (MVC-Normalisierung) gewählt, bei der das mikrovoltbasierte Signal zu einer vorher durchgeführten Maximalkontraktion der zu messenden Muskulatur (Referenzwert = 100%) in Relation gesetzt wird. Somit wird ein prozentualer, quantifizierbarer Wert generiert. In der Humanzentrifuge der Bundeswehr, die am Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe in Königsbrück bei Dresden steht, wurden 18 Probanden unterschiedlich hohen Beschleunigungsexpositionen ausgesetzt. Dabei wurden die muskulären Aktivitäten bilateral des M. sternocleidomastoideus, des M. trapezius Pars descendens und des M. erector spinae ermittelt. Im Anschluss daran wurden die Daten mit vorhandener Literatur im flugmedizinischen Kontext verglichen. Weiterhin wurde das subjektive Belastungsempfinden der Probanden während der Beschleunigungsexpositionen erhoben.
Diese Studie zeigt, dass die muskuläre Beanspruchung der HWS-Muskulatur, während positiver Beschleunigung, im Wesentlichen durch die Beschleunigung selbst und durch Kopfbewegungen beeinflusst wird. Weiterhin erhöhen zusätzliche Helmsysteme in Verbindung mit Beschleunigung und Bewegung die muskuläre Beanspruchung signifikant. Auch das subjektive Belastungsempfinden nahm mit zunehmender Beschleunigung und Gewichtszunahme durch die Helmsysteme zu und war im Nackenbereich am höchsten.
Insgesamt erwies sich die Methode der Oberflächenelektromyographie als valide Messmethode zur Bestimmung der physiologischen Beanspruchung der Muskulatur unter Beschleunigungskräften, allerdings nur, sofern sich die Halswirbelsäule in einer neutralen Position befand.
In einem weiteren Schritt, sollte nun überprüft werden, ob die physiologische Beanspruchung im Bereich der Halswirbelsäule unter positiven Beschleunigungskräften durch ein -
speziell für das Umfeld der Jet-Fliegerei konzipiertes - Trainingsprogramm verringert werden kann. Dafür wurden die 18 Probanden in eine Trainings- (12 Personen) und Kontrollgruppe (6 Personen) unterteilt und mit Hilfe unterschiedlicher Validierungskriterien wurde ein 12-wöchiges funktionelles Ganzkörpertraining - mit Schwerpunkt des Muskelaufbaus im Hals-, Nacken- und Schulterbereich - in einem Pre-Posttest-Design überprüft.
Die Validierungskriterien setzten sich sowohl aus qualitativen als auch quantitativen Methoden zusammen. Es wurden grundsätzliche anthropometrische Daten erhoben, Fragebögen erarbeitet als auch Maximalkraftmessungen in allen Bewegungsrichtungen der Halswirbelsäule durchgeführt. Zusätzlich zu den „gängigen“ Methoden wurden die schon beschriebenen Oberflächenelektromyographiemessungen in der Humanzentrifuge angewandt, um zu analysieren, ob objektiv nachgewiesen werden kann, dass ein Training einen positiven Einfluss auf die physiologische Beanspruchung der Muskulatur unter positiven Beschleunigungskräften haben kann. Diese Validierungsmethode wurde in der gesichteten Literatur im flugmedizinischen Kontext in diesem Umfang noch nicht angewandt. Weiterhin wurden die analysierten Muskeln vor als auch nach der Interventionsphase mit Hilfe der Magnetresonanztomographie volumetriert. Somit konnte auch die autochthone schwer zu analysierende Nackenmuskulatur untersucht werden.
Insgesamt konnte mit allen gewählten Methoden nachgewiesen werden, dass durch das Training die physiologische Beanspruchung der Muskulatur subjektiv als auch objektiv verringert wurde. Speziell unter Beschleunigung wurden in der Trainingsgruppe - während die Probanden einen Helm trugen - signifikante Abnahmen der muskulären Aktivität im Posttest festgestellt. Auch das Muskelvolumen nahm in der Trainingsgruppe bei allen untersuchten Muskeln signifikant zu.
Die hier vorliegende Studie stellt eine validierte Möglichkeit dar, die Gesunderhaltung des fliegenden Personals nachweislich zu unterstützen und leistet einen Beitrag in der komplexen Thematik zur Verringerung von Wirbelsäulenbeschwerden bei Luftfahrzeugbesatzungen.
Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Entwicklung und Umsetzung von Verfahren, mit denen die Durchblutung des menschlichen Herzmuskels quantitativ bestimmt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dazu zwei Ansätze verfolgt, das kontrastmittelfreie Spin-Labeling Verfahren und die kontrastmittelgestützte First-Pass Messung
Rotatorenmanschettenrupturen stellen ein häufig auftretendes Krankheitsbild in der Bevölkerungsgruppe der „Über-40-Jährigen“ dar. Die führenden Methoden in der Diagnostik der Rotatorenmanschette sind neben der klinischen Untersuchung die Kernspintomographie und die Sonographie. Die Aussagekraft beider Methoden wurde im Rahmen von Untersuchungen an präoperativen und postoperativen Patienten verglichen. Die Ergebnisse zeigten eine ausgezeichnete Sensitivität (92,9%) und Spezifität (84,2%) der Sonographie in der Erkennung von Rupturen der Rotatorenmanschette, jedoch eine Abnahme der Sensitivität (71,4%) bei Differenzierung der Läsionen in partielle und komplette Rupturen. Bei der Beurteilung der postoperativen Rotatorenmanschette blieben kleine Läsionen aufgrund der Inhomogenität des Echomusters unerkannt, größere Rerupturen wurden in allen Fällen diagnostiziert. Die Treffsicherheit der Kernspintomographie ergab eine Sensitivität von 78.6% (64,3% bei Differenzierung, s.o.), eine Spezifität von 89,5%, wobei die Untersuchungen an einem Niederfeldgerät (0,2 Tesla) mit im Vergleich zu den in der Schulterdiagnostik standardmäßig eingesetzten Kernspintomographen geringerer Auflösung und verminderter Bildqualität durchgeführt wurden. Innerhalb des ersten postoperativen Jahres erschweren Artefakte die Diagnostik der rekonstruierten Rotatorenmanschette, danach erweist sich die Kernspintomographie als ein überaus spezifisches Verfahren, mit welchem auch kleine Läsionen dargestellt werden. Des Weiteren untersucht vorliegende Arbeit anhand von Patienten- und Probandenkollektiven mit rupturierten und intakten Rotatorenmanschetten, inwieweit sich bei unterschiedlichen Ausmaßen von Rotatorenmanschettenrupturen während einer passiven oder aktiven Abduktion des Armes eine Änderung der Biomechanik feststellen läßt. Bei Untersuchungen an einem offenen Kernspintomographen wurden erstmals Verhältnisse geschaffen, welche die aktive und passive Abduktion des Armes ohne und mit Belastung möglichst realitätsnah simulierten. Die Ergebnisse der dynamischen Untersuchung zeigen, daß Rupturen des M.supraspinatus alleine zu keiner signifikanten Veränderung des Bewegungsablaufs führen. Eine zusätzliche Beteiligung des M.infraspinatus dagegen verursachte sowohl im prä- als auch im postoperativen Kollektiv eine signifikante Verringerung des Subakromialraumes, bei zusätzlicher Belastung in den jeweiligen Abduktionsstellungen zeigte sich keine weitere signifikante Translation. Dies verdeutlicht die Rolle des M.infraspinatus, dessen Funktionsdefizit ein permanentes Höhertreten des Humeruskopfes zur Folge hat. Anhand vorliegender Ergebnisse besteht kein Hinweis auf die Bestätigung der These, biomechanische Veränderungen würden zeitlich vor morphologischen Sehnenläsionen auftreten. Sowohl in der präoperativen Diagnostik als auch in der Beurteilung postoperativer Rotatorenmanschetten besitzt die Kernspintomographie einen herausragenden Stellenwert. Durch die dynamische Untersuchung konnte die oft vernachlässigte Bedeutung des M.infraspinatus hervorgehoben werden, dessen Rekonstruktion bzw. Stärkung anzustreben ist, bevor es zu einer weiteren Störung der Biomechanik kommt. Die dynamische Kernspintomographie stellt somit eine wertvolle Methode zur Untersuchung physiologischer und pathologischer Bewegungsabläufe der Schulter dar.
Stroke, after myocardial infarction and cancer is the third most common cause of death worldwide and 1/6th of all human beings will suffer at least one stroke in their lives. Furthermore, it is the leading cause for adult disability with approximately one third of patients who survive for the next 6 months are dependent on others. Because of its huge socioeconomic burden absorbing 6% of all health care budgets and with the fact that life expectancy increases globally, one can assume that stroke is already, and will continue to be, the most challenging disease. Ischemic stroke accounts for approximately 80% of all strokes and results from a thrombotic or embolic occlusion of a major cerebral artery (most often the middle cerebral artery, MCA) or its branches Following acute ischemic stroke, the most worrisome outcome is the rapidly increasing intra-cranial pressure due to the formation of space-occupying vasogenic oedema which can have lethal consequences. Permeability changes at the Blood-Brain Barrier (BBB) usually accompanies the oedematous development and their time course can provide invaluable insight into the nature of the insult, activation of compensatory mechanisms followed by long term repair. Rodent models of focal cerebral ischemia have been developed and optimized to mimic human stroke conditions and serve as indispensable tools in the field of stroke research. The presented work constituting of three separate but complete works by themselves are sequential, where, the first part was dedicated to the establishment of non-invasive small animal imaging strategies on a 3 tesla clinical magnetic resonance scanner. This facilitated the longitudinal monitoring of pathological outcomes following stroke where identical animals can serve as its own control. Tissue relaxometric estimations were carried out initially to derive the transverse (T2), longitudinal (T1) and the transverse relaxation time due to magnetic susceptibility effects (T2*) at the cortical and striatal regions of the rodent brain. Statistically significant differences in T2*-values could be found between the cortex and striatal regions of the rodent brain. The derived tissue relaxation values were considered to modify the existing imaging protocols to facilitate the study of the rodent model of ischemic stroke. The modified sequence protocols adequately characterized all the clinically relevant sequels following acute ischemic stroke, like, the altered perfusion and diffusion characteristics. Subsequent to this, serial magnetic resonance imaging was performed to investigate the temporal and spatial relationship between the biphasic nature of BBB opening and, in parallel, the oedema formation after I/R injury in rats. T2-relaxometry for oedema assessment was performed at 1 h after ischemia, immediately following reperfusion, and at 4, 24 and 48 hours post reperfusion. Post-contrast T1-weighted imaging was performed at the last three time points to assess BBB integrity. The biphasic course of BBB opening with significant reduction in BBB permeability at 24 hours after reperfusion was associated with a progressive expansion of leaky BBB volume, accompanied by a peak ipsilateral oedema formation. At 48 hours, the reduction in T2-value indicated oedema resorption accompanied by a second phase of BBB opening. In addition, at 4 hours after reperfusion, oedema formation could also be detected at the contralateral striatum which persisted to varying degrees throughout the study, indicative of widespread effects of I/R injury. The observations of this study may indicate a dynamic temporal shift in the mechanisms responsible for biphasic BBB permeability changes, with non-linear relations to oedema formation. Two growth factor peptides namely pigment epithelium derived factor (PEDF) and epidermal growth factor (EGF) with widely different trophic properties were considered for their beneficial effects, if any, in the established rodent model of I/R injury and studied up to one week employing magnetic resonance imaging. Both the selected, trophic factors demonstrated significant neuroprotection as demonstrated by a reduction in infarct volume, even though PEDF was found to be the most potent one. PEDF also demonstrated significant attenuation of oedema formation in comparison to both the control and EGF groups, even though EGF could also demonstrate oedema suppression. In the present work, we noticed that interventions with macromolecule protein/peptides by itself could mediate remote oedema at distant sites even though the significance of such an observation is not clear at present. Susceptibility (T2*) weighted tissue relaxometric estimations were considered at the infarct region to detect any metabolic changes arising out of any neuroprotection and/or cellular proliferation / neurogenesis. PEDF group demonstrated a striking reduction of the T2*-values, which is indicative of an increased metabolic activity. Moreover, all the groups (Control, EGF and PEDF) demonstrated significantly elevated T2*-values at the contralateral striatum, which is indicative of widespread metabolic suppression usually associated with a variety of traumatic brain conditions. Moreover, as expected from the properties of PEDF, it demonstrated an extended BBB permeability suppression throughout the duration of the study. This study underlines the merits of considering non-invasive imaging strategies without which it was not possible to study the required parameters in a longitudinal fashion. All the observations are adequately supported by reasonably well defined mechanisms and needs to be further verified and confirmed by an immunohistochemical study. These results also need to be complemented by a functional study to evaluate the behavioural outcome of animals following these treatments. These studies are progressing at our laboratory and the results will be duly published afterwards.
Direct cooling of the catheter tip increases safety for CMR-guided electrophysiological procedures
(2012)
Background: One of the safety concerns when performing electrophysiological (EP) procedures under magnetic resonance (MR) guidance is the risk of passive tissue heating due to the EP catheter being exposed to the radiofrequency (RF) field of the RF transmitting body coil. Ablation procedures that use catheters with irrigated tips are well established therapeutic options for the treatment of cardiac arrhythmias and when used in a modified mode might offer an additional system for suppressing passive catheter heating.
Methods: A two-step approach was chosen. Firstly, tests on passive catheter heating were performed in a 1.5 T Avanto system (Siemens Healthcare Sector, Erlangen, Germany) using a ASTM Phantom in order to determine a possible maximum temperature rise. Secondly, a phantom was designed for simulation of the interface between blood and the vascular wall. The MR-RF induced temperature rise was simulated by catheter tip heating via a standard ablation generator. Power levels from 1 to 6 W were selected. Ablation duration was 120 s with no tip irrigation during the first 60 s and irrigation at rates from 2 ml/min to 35 ml/min for the remaining 60 s (Biotronik Qiona Pump, Berlin, Germany). The temperature was measured with fluoroscopic sensors (Luxtron, Santa Barbara, CA, USA) at a distance of 0 mm, 2 mm, 4 mm, and 6 mm from the catheter tip. Results: A maximum temperature rise of 22.4 degrees C at the catheter tip was documented in the MR scanner. This temperature rise is equivalent to the heating effect of an ablator's power output of 6 W at a contact force of the weight of 90 g (0.883 N). The catheter tip irrigation was able to limit the temperature rise to less than 2 degrees C for the majority of examined power levels, and for all examined power levels the residual temperature rise was less than 8 degrees C.
Conclusion: Up to a maximum of 22.4 degrees C, the temperature rise at the tissue surface can be entirely suppressed by using the catheter's own irrigation system. The irrigated tip system can be used to increase MR safety of EP catheters by suppressing the effects of unwanted passive catheter heating due to RF exposure from the MR scanner.
Intrazerebrale stereotaktische Eingriffe werden zu einem großen Teil ohne direkte Sichtkontrolle durchgeführt. Ein Operateur muss sich deshalb bei der räumlichen Festlegung von Strukturen und beim Anfahren dieser Strukturen auf Hilfsmittel wie stereotaktische Geräte und auf Atlanten, über welche die stereotaktischen Geräte gesteuert werden, verlassen. Trotz großer Fortschritte bei den bildgebenden Verfahren während der letzten dreißig Jahre, ist es gegenwärtig noch nicht möglich, zuverlässig alle subkortikalen Strukturen mit computertomographischen (CT) oder magnetresonanztomographischen (MRT) zu identifizieren oder begrenzen. Eine ganze Reihe zytoarchitektonischer beziehungsweise immunhistochemischer Atlanten wurde veröffentlicht. Dennoch ist es nicht gelungen, die Ergebnisse und Abbildungen dieser Atlanten mit bildgebenden Verfahren bis in die gewünschten Details zu kombinieren, um auf diese Weise das immer noch geringe Auflösungsvermögen radiologischer Methoden zu erhöhen. Deformationen bei der Gewebsentnahme des Gehirns, bei der anschließenden Einbettung, bei der alkoholischen Dehydrierung des Gewebes, Verformungen beim Schneiden und Färben der Schnitte überfordern selbst hoch komplexe mathematische Verfahren und Algorithmen beim Versuch, zytoarchitektonische und immunhistochemische Schnitte mit der gewünschten Präzision den radiologischen Ergebnissen und Bildern und damit indirekt auch den Verhältnissen in vivo anzupassen. Als Alternative verwendeten wir ungewöhnlich dicke (350 – 440 µm) Gallozyanin- (Nissl) gefärbte Serienschnitte durch die Gehirne (ZNS) von drei Personen im Alter von 56, 68 und 36 Jahren. Bei einem Fall wurde das ZNS post mortem mit einem Kernspintomographen vor der Entnahme gescannt. Die Serienschnitte durch dieses Gehirn und das eines zweiten und dritten nicht-gescannten Falles wurden mit Gallozyanin gefärbt, die zytoarchitektonischen Grenzen des Thalamuskomplexes und seiner Unterkerne wurden nach Hassler (1982) identifiziert, jede ihrer Grenzen mit dem Cursor eines Graphiktabletts umfahren und die Gestalt des Thalamuskomplexes und seiner Unterkerne mit Hilfe von Photoshop CS5® und eines computergestützten 3D-Rekonstruktionsprogramms (Amira®) dargestellt. Im Fall 3 ließen sich nach Dunkelfeldbeleuchten die Verteilung markhaltiger Fasern studieren und die zytoarchitektonischen mit myeloarchitektonischen Befunden erweitern und ergänzen. Zusätzlich konnten im Fall 1 die histologischen Serienschnitte und ihre 3D Rekonstruktion mit dem post mortem in cranio MRT registriert werden. Insgesamt kann dieser methodische Ansatz als eine robuste und relativ einfache wenn auch mit umfangreicherer manueller Tätigkeit verbundene Technik zur sehr detailreichen unverformten Korrelation zytoarchitektonischer und kernspinotomographsicher Darstellung des Thalamuskomplexus und seiner Unterkerne angesehen werden. Sie könnte als Grundlage für die Herausgabe eines multimedialen 3D stereotaktischen Atlas des menschlichen Gehirns dienen.