Introduction Microstructural tissue damage in neurological disorders is typically measured using advanced magnetic resonance imaging (MRI) techniques, such as diffusion-based or quantitative imaging, that require additional scan time and expertise in post-processing, limiting their feasibility in the clinical routine. The ratio of T1-weighted to T2-weighted images (T1w/T2w ratio) was proposed as an alternative to measure tissue microstructure, as it uses scans typically acquired in clinical routine and has simple post-processing. This dissertation investigates the feasibility of a standardized T1w/T2w ratio method and its sensitivity to microstructural tissue damage in multiple sclerosis (MS) and multiple system atrophy (MSA).
Methods In Study I, the standardized and conventional T1w/T2w ratios in the gray and white matter were compared between 47 MS patients and healthy controls (matched for age and sex) and clinical correlates (e.g. lesion load, disease severity) were investigated. Study II investigated longitudinal changes in standardized T1w/T2w ratio in the white matter from the first clinical presentation of 102 MS patients and evaluated its association with cortical thickness and disease activity, defined using the No Evidence of Disease Activity (NEDA-3) criteria. Study III investigated whether standardized T1w/T2w ratio values in the middle cerebellar peduncle differed between 28 MSA patients and healthy controls matched for age and sex.
Results The standardized T1w/T2w ratio was shown to reduce variability of white matter values and enhance sensitivity to normal-appearing white matter (NAWM) damage in MS patients (Study I). We showed that NAWM standardized T1w/T2w ratio values did not significantly differ from controls in early MS at first clinical presentation but that these values were significantly associated with increasing lesion volume and decreasing cortical thickness over time, mediated by disease activity (Study II). In MSA we showed that the middle cerebellar peduncle standardized T1w/T2w ratio had a high sensitivity and specificity to classify MSA patients compared to controls (Study III).
Conclusions This dissertation demonstrates that the standardized T1w/T2w ratio is a valid and more sensitive marker of microstructural tissue damage compared to the conventional T1w/T2w ratio. Furthermore, the standardized T1w/T2w ratio can be used to investigate microstructural damage in neurological disorders such as MS and MSA, corroborating and expanding on findings from more established measures of microstructural damage, such as diffusion tensor imaging. The standardized T1w/T2w ratio represents an important and promising measure of microstructural damage in settings where additional scan time is limited or for retrospective studies where quantitative or diffusion-based MRI data are not available.
Mikrostrukturelle Gewebeschäden bei neurologischen Erkrankungen werden typischerweise mit fortschrittlichen Magnetresonanztomographie-Techniken (MRT) wie diffusionsbasierte oder quantitative Verfahren gemessen, die zusätzliche Scan-Zeit und Expertise in der Nachbearbeitung erfordern, was ihre Durchführbarkeit in der klinischen Routine einschränkt. Das Verhältnis von T1-gewichteten zu T2-gewichteten Bildern (T1w/T2w-Verhältnis) wurde als Alternative zur Messung der Gewebemikrostruktur vorgeschlagen, da es Scans verwendet, die im klinischen Alltag aufgenommen werden und eine einfache Nachbearbeitung ermöglichen. Diese Dissertation untersucht die Durchführbarkeit einer standardisierten T1w/T2w-Ratio-Methode und ihre Sensitivität für mikrostrukturelle Schäden bei Multipler Sklerose (MS) und Multipler Systematrophie (MSA). Methoden In Studie I wurden die standardisierten und konventionellen T1w/T2w-Verhältniswerte in der grauen und weißen Substanz zwischen 47 MS Patienten und gematchten gesunden Kontrollen (gematcht für Alter und Geschlecht) verglichen sowie klinische Korrelate (wie z.B. Läsionslast, Krankheitsschwere) untersucht. Studie II untersuchte longitudinale Veränderungen des standardisierten T1w/T2w-Verhältnisses in der weißen Substanz ab der ersten klinischen Präsentation von 102 MS Patienten und bewertete ihre Assoziation mit der kortikalen Dicke und der Krankheitsaktivität, definiert anhand der “No Evidence of Disease Activity” (keine Hinweise auf Krankheitsaktivität; NEDA-3) Kriterien. In Studie III wurde untersucht, ob sich die standardisierten T1w/T2w-Verhältniswerte im mittleren Kleinhirnstiel zwischen 28 MSA Patienten und für Alter und Geschlecht gematchten gesunden Kontrollen unterscheiden. Ergebnisse Es wurde gezeigt, dass das standardisierte T1w/T2w-Verhältnis die Variabilität der Werte der weißen Substanz reduziert und die Sensitivität für normal erscheinende Schäden der weißen Substanz bei MS Patienten erhöht (Studie I). Wir konnten zeigen, dass sich die Werte des standardisierten T1w/T2w-Verhältnisses der normal erscheinenden weißen Substanz bei der ersten klinischen Präsentation der MS nicht signifikant von denen der Kontrollgruppe unterscheiden, dass diese Werte jedoch signifikant mit dem zunehmenden Läsionsvolumen und der abnehmenden kortikalen Dicke im Laufe der Zeit verbunden sind, was durch die Krankheitsaktivität vermittelt wird (Studie II). Bei MSA zeigten wir, dass das standardisierte T1w/T2w-Verhältnis des mittleren Kleinhirnstiels eine hohe Sensitivität und Spezifität zur Klassifizierung von MSA Patienten im Vergleich zu Kontrollen aufweist (Studie III). Schlussfolgerungen Diese Dissertation zeigt, dass das standardisierte T1w/T2w-Verhältnis ein valider und sensitiverer Marker für mikrostrukturelle Schäden im Vergleich zum konventionellen T1w/T2w-Verhältnis ist. Darüber hinaus kann das standardisierte T1w/T2w-Verhältnis zur Untersuchung mikrostruktureller Schäden bei neurologischen Erkrankungen (MS und MSA) verwendet werden und bestätigt und erweitert die Ergebnisse etablierter Maße für mikrostrukturelle Schäden wie diffusionsbasierte MRT Verfahren. Das standardisierte T1w/T2w-Verhältnis stellt ein wichtiges und vielversprechendes Maß für mikrostrukturelle Gewebeschäden in Situationen dar, in denen zusätzliche Scan-Zeit begrenzt ist oder für retrospektive Studien, in denen quantitative oder diffusionsbasierte MRT-Daten nicht verfügbar sind.
