Diffusionstensor-Bildgebung als diagnostisches Verfahren mit Schwerpunkt auf Amyotropher Lateralsklerose

Abstract

Einleitung: Es ist unter Umständen schwierig, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) allein auf Grund klinischer Symptome zu diagnostizieren. Als eine zusätzliche diagnostische Methode wurde hier die Diffusionstensor-Bildgebung (DTI) – ein spezielles Magnetresonanztomographie-Verfahren – vorgeschlagen: Abnorme DTI- Parameter wurden insbesondere im corticospinalen Trakt (CST), der bei ALS- Patienten hauptsächlich betroffenen Struktur, in unterschiedlichen Untersuchungen gezeigt. Eine kürzlich erschienene Meta-Analyse fand allerdings nur eine mäßige Sensitivität und Spezifität und stellte damit den Wert dieser Methode als Bestätigungstest bei einzelnen ALS-Verdachtsfällen in Frage. Im Rahmen dieser Promotion wurde deshalb untersucht, wie methodische Unterschiede in der CST-Markierung die Sensitivität und Spezifität der Methode zur Diagnostik von ALS beeinflussen. Neben diesem Hauptprojekt war ich bei der Auswertung der DTI-Daten und dem Verfassen des Manuskripts bei einem Projekt mit Schizophrenie-Patienten beteiligt und bei einem weiteren Projekt für die Auswertung der DTI-Daten von Muskelgewebe gesunder Probanden verantwortlich. Methodik: DTI-Daten wurden bei 13 ALS-Patienten und einer alters-gematchten Kontrollgruppe erhoben. Kurven zur receiver operation characteristic (ROC) von vier verschiedenen Analysemethoden wurden miteinander verglichen. Diese Methoden unterschieden sich in der Art und Weise, wie der CST als region of interest (ROI) festgelegt wurde: a) manuelle ROI, b) Kombination der manuellen ROI mit tract-based spatial statistics (TBSS), c) atlas-basierte ROI, d) Kombination der atlas-basierten ROI mit TBSS. Ergebnisse: Die neuartige Analysemethode, die atlas-basierte ROIs mit TBSS kombinierte, erbrachte eine area under the curve (AUC) von 0,936, eine Sensitivität von 100 % und eine Spezifität von 91,67 %. Dies sind die besten Ergebnisse unter den vier untersuchten Analysemethoden: manuelle ROIs (AUC = 0,846, Sensitivität: 69,23 %, Spezifität: 91,67 %), atlas-basierte ROIs (AUC = 0,917, Sensitivität: 76,92 %, Spezifität: 91,67 %), manuelle ROIs in Kombination mit TBSS (AUC = 0,885, Sensitivität: 76,92 %, Spezifität: 91,67 %). Schlussfolgerung: Sensitivität und Spezifität von DTI bei ALS-Patienten hängen stark vom Ansatz zur Markierung des CST ab. Die in dieser Studie vorgeschlagene Kombination einer atlas-basierten ROI mit TBSS ist eine vielversprechende vollautomatische Methode mit erhöhter Sensitivität und Spezifität im Vergleich zu den anderen Ansätzen und könnte in Zukunft als Bestätigungstest bei einzelnen ALS- Verdachtsfällen Verwendung finden.

Introduction: Diagnosis of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) can be difficult from clinical symptoms alone. Diffusion tensor imaging (DTI) as a specialized magnetic resonance imaging method has been suggested as an adjunct diagnostic technique. DTI parameter changes in ALS patients have been repeatedly demonstrated, especially in the corticospinal tract (CST) as the predominantly affected structure. However, a recent meta-analysis reported only a modest discriminatory capability, questioning the value of this method as a confirmatory test in single subjects with suspected ALS. In this doctoral thesis, the influence of methodological differences in CST delineation on discriminatory capability in ALS diagnostics was investigated. Apart from this main project, I participated in the processing of DTI data and drafting of the manuscript of one project concerning schizophrenia patients, and I was responsible for processing the muscle DTI data of healthy subjects in another project. Methods: DTI data were acquired in 13 ALS patients and an aged- matched healthy control group. Receiver operation characteristic (ROC) curves of four different analysis methods were compared. These methods differed in the approach used to delineate the CST as the region of interest (ROI): a) manual ROI, b) combination of the manual ROI with tract-based spatial statistics (TBSS), c) atlas-based ROI, d) combination of the atlas-based ROI with TBSS. Results: The newly proposed analysis method combining atlas-based ROIs with TBSS yielded an area under the curve (AUC) of 0.936, a sensitivity of 100 % and specificity of 91.67 %. These are the best results among the four analysis methods evaluated: manual ROIs (AUC = 0.846, sensitivity: 69.23 %, specificity: 91.67 %), atlas-based ROIs (AUC = 0.917, sensitivity: 76.92 %, specificity: 91.67 %), manual ROIs in combination with TBSS (AUC = 0.885, sensitivity: 76.92 %, specificity: 91.67 %). Conclusions: Sensitivity and specificity of DTI in ALS patients strongly depend on the CST delineation approach. The method proposed in this study, a combination of an atlas-based ROI with TBSS, is a promising fully automatic method with improved discriminatory capability compared to other approaches. It could ultimately serve as a confirmatory test in single ALS patients.