Quantitative Bildgebung mittels Fraktal-Analyse zur Charakterisierung der Perfusion bei Neoplasie, Ischämie und Inflammation

Abstract

Diese Arbeit etabliert die Fraktal-Analyse der Perfusion als ein Verfahren quantitativer Bildgebung für die Beschreibung des radiologisch zu beobachtenden Perfusionsmusters und damit der zugrundliegenden Architektur der Mikrozirkulation. Die entsprechende Software ist vom Autor selbst entwickelt worden und ermöglich neben der eigentlichen Fraktal-Analyse auch die Vorverarbeitung mit Bildregistrierung und -segmentierung, sowie die Visualisierung und Auswertung der Ergebnisse. Das pathophysiologische Ziel der Fraktal-Analyse ist es, die Perfusion als ein diagnostisches Kriterium über die bloße Durchblutungsrate und ihre Derivate hinaus nutzbar zu machen. Die im Physiologischen bereits zuvor nachgewiesene fraktale Struktur von Perfusion und Gefäßarchitektur ließ sich in verschiedenen Experimenten in dieser Arbeit unter pathologischen Bedingungen sowohl in silico als auch in vivo nachvollziehen. Dabei wurde die Fraktal-Analyse bei den drei großen Gruppen der perfusionsabhängigen Pathophysiologien eingesetzt: Neoplasie, Ischämie und Inflammation. Die fraktale Dimension lieferte quantitative Informationen über das jeweilige Perfusionsmuster, woraus sich Rückschlüsse auf zugrundeliegende biologische Veränderungen ziehen lassen konnten. Als Bildgebungsmodalitäten kamen die MRT und die CT zum Einsatz. In Originalarbeiten 1 und 2 zeigte die Fraktal-Analyse der Perfusion von Prostatakarzinomen in der MRT das Potential einer nicht-invasiven Vorhersage des Tumorgradings. In Originalarbeit 3 verbesserte die Fraktal-Analyse beim duktalen Adenokarzinom des Pankreas die Tumorgrößenmessung in der CT im Vergleich zu konventionellen Messungen, indem Perfusionsunterschiede zwischen Tumorkern, -rand und tumorfreiem Pankreasparenchym in Form einer Kartierung sichtbar gemacht wurden. Die dynamische Stress-Myokardperfusion in der CT wurde in Originalarbeit 4 im Rahmen einer multizentrischen Studie untersucht, wobei die Fraktal-Analyse die diagnostische Genauigkeit zur Detektion chronischer Myokardischämie durch hämodynamisch relevante Stenosen verbesserte. Bei der Synovialitis im Rahmen verschiedener Arthritistypen ermöglichte die Fraktal-Analyse in Originalarbeit 5 eine objektive und quantitative Graduierung der Entzündungsaktivität. Insgesamt beinhalten die durchgeführten Experimente die Entwicklung einer konsistenten Hypothese zur pathophysiologischen Relevanz der Fraktal-Analyse in der Perfusionsbildgebung, die technische Umsetzung und den in silico Machbarkeitsnachweis der Fraktal-Analyse mittels vom Autor selbst entwickelter Software sowie die Anwendung in vivo an unterschiedlichen pathophysiologischen Beispielen. Die größten Limitationen sind eine bisher nicht untersuchte prospektive Evidenz und die geringe Verbreitung der Fraktal-Analyse. Die gewonnen Erkenntnisse besitzen jedoch großes Potenzial nicht nur für die Verbesserung des Verständnisses der perfusionsbezogenen Pathophysiologie einer weiten Bandbreite von Erkrankungen, sondern auch für eine Translation in die klinische Anwendung im Bereich der nicht-invasiven Gewebecharakterisierung.