dc.contributor.author
Scheel, Michael
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:12:21Z
dc.date.available
2014-07-17T08:12:30.858Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7548
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11747
dc.description.abstract
Diffusion Tensor Imaging (DTI) erlaubt eine nicht-invasive diffusionbasierte
Gewebe- charakterisierung und eröffnet über diesen Weg völlig neue
Möglichkeiten in der radiologischen Diagnostik. Zum einen erlaubt die Methode
eine deutlich sensitivere Detektion von pathologischen Veränderungen auf
mikrostruktureller Ebene, welche in konventionellen MRT-Methoden häufig nicht
nachweisbar sind. Zum anderen ergeben sich über die Quantifizierung und
Verlaufsbeurteilung von Diffusionsparametern (z.B. Parallele, Radiale und
Mittlere Diffusivität bzw. Fraktionelle Anisotropie – PD, RD, MD, FA) neue
Ansätze für das Therapiemonitoring bei verschiedenen Krankheitsbildern.
Darüber hinaus ist DTI - neben der primären Anwendung im Bereich der
Neuroradiologie - auch für die Untersuchung und Charakterisierung anderer
Gewebe, insbesondere quergestreifter Muskulatur sehr interessant. Alle
Arbeiten, die im Rahmen dieser Habilitation durchgeführt wurden, haben
untersucht, wie man die Methode DTI für die radiologische Diagnostik anwenden
und weiter verbessern kann. Der erste Teil, der hier vorgestellten Arbeiten
zeigt bei drei verschiedenen neuropsychiatrischen Erkrankungen (Amyotropher
Lateralsklerose, Schizophrenie, anti- NMDA-Rezeptor-Enzephalitis), dass DTI
pathologische Veränderungen detektieren kann, auch wenn die
Standardbildgebung unauffällig bleibt. Dies belegt beispielhaft die hohe
Sensitivität der Methode für mikrostrukturelle pathologische Veränderungen.
In der ersten Arbeit wird am Beispiel von ALS-Patienten gezeigt, wie die
Detektion krankheitsspezifischer Veränderungen verbessert werden kann. Die
Diagnose einer ALS beruht aktuell im Wesentlichen auf den klinischen Zeichen
und die Bildgebung dient lediglich dem Ausschluss anderer Erkrankungen, die
eine ähnliche Symptomatik hervorrufen können. Die hier vorgestellte Arbeit
belegt die zuverlässige Detektion mikrostruktureller Läsionen dieser
Erkrankung, zeigt aber auch den Einfluss verschiedener Auswertestrategien auf
die diagnostische Genauigkeit von DTI–Analysen. Die Ergebnisse demonstrieren,
wie durch eine optimierte DTI-Methodik Sensitivitäts- und Spezifitätswerte
erreicht werden, die eine zuverlässige Abklärung einer ALS-Verdachtsdiagnose
möglich machen. In der zweiten hier vorgestellten Arbeit wurden Patienten mit
einer Schizophrenie untersucht, ein Krankheitsbild, das in der Regel durch
einen unauffälligen Befund in der MR-Routinebildgebung gekennzeichnet ist. In
dieser Arbeit wurden die pathophysiologischen Ursachen einer bereits seit
längerem diskutierten Affektion frontaler und temporaler Faserbahnen bei
Patienten mit Schizophrenie untersucht. Die Arbeit hat \- 68 -nachweisen
können, dass die Reduktion von FA-Werten innerhalb der frontotemporalen
weißen Substanz auf eine Erhöhung der Diffusivität quer zur
Hauptfaserrichtung zurückzuführen ist, was wiederum auf eine gestörte
Myelinisierung dieser Faserbahnen hindeutet. In der dritten Arbeit zu diesem
Themenkomplex wurde bei Patienten mit einer anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis
nachgewiesen, dass trotz unauffälliger Standardbildgebung ausgedehnte
strukturelle Auffälligkeiten, insbesondere in den cingulären Fasertrakten
bestehen. Diese Studie lieferte damit erstmals eine neurobiologische Ursache,
für die von den Patienten häufig beklagten und auch neuropsychologisch
nachweisbaren kognitiven Defizite. Zwei weitere Arbeiten untersuchen inwieweit
sich DTI für die Therapieverlaufsbeurteilung bei Patienten mit Niemann-Pick
Typ C (NPC) unter einer medikamentöser Therapie bzw. bei Hydrocephalus
Patienten nach operativer Therapie eignet. Für Patienten mit NPC, einer
metabolisch bedingten neurodegenerativen Erkrankung, steht seit wenigen Jahren
eine medikamentöse Therapie zur Verfügung. Um frühzeitig ein Ansprechen auf
die Therapie nachweisen bzw. den Therapieverlauf genauer überwachen zu
können, sind objektive Biomarker nötig. In einer weiteren hier vorliegenden
Arbeit wurde DTI verwendet, um den Krankheitsverlauf vor bzw. nach einem Jahr
medikamentöser Therapie zu evaluieren. Die Ergebnisse zeigten bei NPC-
Patienten signifikant niedrigere FA-Werte, die sich unter Therapie aber nicht
weiter verschlechterten. Diese Arbeit demonstriert zum einen noch einmal die
hohe Sensitivität in der Beurteilung mikrostruktureller Integrität und zeigt
darüber hinaus beispielhaft wie durch lokale und globale Analysemethoden eine
DTI basiertes Therapiemonitoring möglich ist. In einer weiteren Arbeit, die
ein DTI-basiertes Monitoring evaluiert hat, wurde bei Patienten mit
Hydrocephalus überprüft, ob es bei diesen Patienten nach einer erfolgreichen
operativen Therapie wieder zu einer Normalisierung von DTI-Parametern kommt.
Dies wäre die Grundvoraussetzung, um DTI bei dieser Erkrankung als
postoperatives Therapiemonitoring einsetzen zu können. In dieser Arbeit
zeigte sich allerdings, dass die DTI-Veränderungen auch noch mehrere Wochen
postoperativ im Wesentlichen unverändert nachweisbar sind. Diese Ergebnisse
deuten darauf hin, dass DTI als Therapiemonitoring für dieses Krankheitsbild
offenbar nicht geeignet ist. Auch außerhalb des Hirngewebes bietet DTI
interessante Möglichkeiten für die radiologische Diagnostik, wie in der
letzten hier vorgestellten Arbeit gezeigt wird. In dieser Arbeit wurde die
Unterschenkelmuskulatur von gesunden Probanden mittels DTI untersucht. In
Kombination mit einer Muskelbiopsie und histologischen Aufarbeitung konnte
erstmals ein Zusammenhang zwischen der Muskelfaserzusammensetzung und DTI-
Parametern nachgewiesen werden. Eine nicht-invasive Muskelfasertypisierung
erscheint damit realisierbar. Dies eröffnet neue diagnostische Möglichkeiten
zum Beispiel bei neuromuskulären Erkrankungen aber auch für das Monitoring
von Trainingsprozessen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass DTI eine
einzigartige Methode ist, um nicht–invasiv die Gewebemikrostruktur zu
untersuchen. Hierdurch ergeben sich vielfältige neue Möglichkeiten für die
Anwendung in der Radiologie. Vor einer breiten Verwendung in der klinischen
Routine sind weitere Optimierungen und Standardisierungen im Hinblick auf die
Aufnahmeprotokolle und Auswerteverfahren nötig. Gelingt dies, wird DTI schon
bald zu den unverzichtbaren Methoden innerhalb der radiologischen Diagnostik
gehören.
de
dc.description.abstract
Diffusion Tensor Imaging (DTI) allows a non-invasive diffusion-based tissue
characterization and thus offers completely new possibilities in the field of
diagnostic radiology. On the one hand, this method allows an improved
detection of pathological changes at the microstructural level, which are
frequently not detectable in conventional MRI methods. On the other hand new
strategies for therapy monitoring are feasible by quantification of diffusion
parameters (e.g., Parallel, Radial and Mean Diffusivity and Fractional
Anisotropy - PD, RD, MD, FA). In addition to the primary application in the
field of neuroradiology DTI is also suitable for the investigation and
characterization of other biological tissues, especially striated muscle. All
experiments and studies presented here have investigated how DTI can be used
and improved in the field of diagnostic radiology. In the first part of the
work presented here we will show in 3 different neuropsychiatric diseases
(amyotrophic lateral sclerosis, schizophrenia, anti-NMDA receptor
encephalitis) that DTI can detect pathological changes, even if the standard
imaging remains normal. This is one example of the high sensitivity of the
method for pathological microstructural changes. In the first paper it is
investigated how the detection of disease-specific changes can be improved. in
a cohort of ALS patients. The diagnosis of ALS is currently based mainly on
the clinical signs and imaging is performed merely for the exclusion of other
disorders that can cause similar symptoms. The work presented here
demonstrates the reliable detection of microstructural lesions of this
disease, but also shows the influence on the diagnostic accuracy using
different DTI evaluation strategies. The results reveal how sensitivity and
specificity values can be optimized to a level that makes an imaging based ALS
diagnosis possible. In the second study presented here, patients suffering
from schizophrenia were investigated. in Routine MR imaging in patients with
schizophrenia is usually unremarkable. However previous DTI studies have
demonstrated an affection of frontal and temporal fibre tracts reflected by a
decrease of FA values. Our study was able to demonstrate that the reduction of
FA values within the frontotemporal white matter is based on an increase in
radial diffusivity, which suggests an impaired myelination of fibre tracts. In
the third study presented here we could show in patients with anti-NMDA
receptor encephalitis that despite unremarkable standard imaging extensive
structural abnormalities exists, particularly in the cingulate fibre tracts.
For the first time the study provided a neurobiological explanation for the
neuropsychological cognitive deficits in this patient group. Two further
studies examined to which extent DTI is suitable as a therapy monitoring tool
in patients with Niemann-Pick type C (NPC) or in hydrocephalus patients after
surgical therapy. NPC is a metabolically related neurodegenerative disease and
since few years a drug therapy for patients is available. In order to monitor
the therapy objective biomarkers are needed. We used DTI to evaluate the
course of disease before or after one year of drug treatment. The results
showed significantly lower FA values compared to healthy controls, but not
further deteriorated under therapy. This demonstrates again the high
sensitivity in the assessment of microstructural integrity and also shows an
example of how local and global analysis of DTI parameters makes treatment
monitoring possible. In the second work, that has evaluated a DTI-based
therapy monitoring we examined patients with hydrocephalus. We investigated
whether DTI parameters normalize after successful surgical treatment in these
patients. This would be the basic requirement in order to use DTI as a
postoperative treatment monitoring tool. However our results showed that the
DTI parameters do not significantly change even several weeks after surgery.
This suggests that DTI is obviously not suitable as a therapeutic monitoring
for this disease. Also outside of brain tissue DTI offers interesting
possibilities, as shown in the last work presented here. In this study the
lower leg muscles of healthy volunteers was examined with DTI. In combination
with a muscle biopsy and histological examination a correlation between muscle
fibre composition and DTI parameters were demonstrated. A non-invasive muscle
fibre typing thus appears feasible. This opens up new diagnostic
possibilities, including neuromuscular disorders but also for the monitoring
of training processes. In summary it can be concluded that the DTI is a unique
method to non-invasively examine tissue microstructure. This results in a wide
range of new possibilities for the application in field of diagnostic
radiology. However before a widespread use in clinical routine can be achieved
further optimization and standardization with respect to imaging protocols and
evaluation methods are needed. If this succeeds, DTI will soon belong to the
essential methods in diagnostic radiology.
en
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
diffusion tensor imaging
dc.subject
diagnostic radiology
dc.subject
tissue microstructure
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Mikrostrukturelle Gewebecharakterisierung durch Diffusion Tensor Imaging
dc.contributor.contact
michael.scheel@charite.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Olav Jansen
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Dr. Johannes Bernarding
dc.date.accepted
2014-06-23
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000096980-6
dc.title.subtitle
neue Möglichkeiten in der radiologischen Diagnostik
dc.title.translated
Microstructural tissue characterization with diffusion tensor imaging
en
dc.title.translatedsubtitle
new possibilities in diagnostic radiology
en
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000096980
refubium.mycore.derivateId
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open access