Vergleich von MR-Diffusionsbildgebung und Traktographie mit Multi-Shell Imaging und Single-Shell Imaging
Vergleich von MR-Diffusionsbildgebung und Traktographie mit Multi-Shell Imaging und Single-Shell Imaging
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Original abstract
Problem: Nervenfasern der weißen Gehirnsubstanz darzustellen kann sowohl in der Forschung als auch in der klinischen Routine dazu dienen pathologische oder kognitive Fragestellungen zu beantworten. Ein Grund für pathologische Veränderungen der Nervenfasern können entweder Tumore sein oder auch neurodegenerative Veränderungen wie z.B. Multiple Sklerose, Parkinson, Alzheimer oder Demenz. Das Diffusion Tensor Imaging (DTI) ermöglicht diese Darstellung der Nervenfasern, wodurch auch Verbindungen verschiedener Gehirnareale visualisiert und somit Rückschlüsse auf kognitiven Prozesse gemacht werden können. Die Darstellung dieser Verbindungen wird Traktographie genannt und ist eine nicht-invasive Methode für die dreidimensionale Visualisierung der Nervenfasern. Komplexe Faserkreuzungen können unter Verwendung von DTI Probleme aufwerfen, da sich dadurch das Tensormodel einer Kugel und nicht, wie bei einfachen Faserorientierungen, einem Ellipsoid annähert. Dadurch könnte der Fall eintreten, dass getrennte Nervenbahnen nicht mehr voneinander zu unterscheiden sind. Um dieses Problem zu lösen, wurde die constrained spherical deconvolution (CSD) entwickelt. Diese Technik arbeitet mit nur einer Diffusionswichtung und kann trotz der Verbesserung zu Fehlern bzw. „Misstracking“ führen, bei welchem die Nervenfaser anschließend anatomisch nicht korrekt dargestellt werden. Um diese Fehler zu minimieren, kommt eine weitere Verbesserung der CSD zum Einsatz, die Multi-Shell Multi-Tissue CSD (MSMT-CSD), bei welcher mehrere Diffusionswichtungen verwendet werden, um in weiterer Folge mehrere Gewebearten unterscheiden zu können. Fragestellung: Gibt es Unterschiede in der Diffusionsbildgebung und in der Traktographie bei der Verwendung von Multi-Shell Daten im Vergleich zu Single-Shell Daten? Methode: Für den empirischen Teil dieser Arbeit wurden bei fünf Proband:innen unterschiedliche Messungen am 3-Tesla Forschungs-MR an der Universitätsklinik Graz für Radiologie durchgeführt. Die anschließende Auswertung der MR-Rohdaten und die Erstellung der Traktographie wurde mit Programmen wie MRtrix und FSL vollzogen. Für die Literaturrecherche wurde mit den Schlagwörtern „MRI“, „DWI“, „Tractography“, „Single-Shell“ und „Multi-Shell“ in der Suchmaschine Google Scholar in den Datenbanken, wie ScienceDirect, PubMed und SpringerLink, sowie in den Bibliotheksbeständen der FH JOANNEUM gesucht. Bei den verwendeten Studien wurde darauf geachtet, dass nur deutsch- oder englischsprachige Versionen, welche zwischen 2018 und 2023 veröffentlicht wurden, in die Arbeit inkludiert werden. Ergebnisse: Unter Verwendung der Multi-Shell Daten konnte eine bessere Differenzierung der weißen und grauen Gehirnsubstanz sowie der Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit erreicht werden. Diese Unterschiede machten sich in allen Vergleichen bemerkbar, da die weiße Gehirnsubstanz aus diesem Grund viel besser von den anderen Gewebetypen abgegrenzt werden konnte. Diskussion: Die geringe Anzahl der Proband:innen verhinderte eine quantitative Auswertung, allerdings konnten die Unterschiede von Multi-Shell Daten und Single-Shell Daten in der Berechnung der Response Function und der Faserorientierungverteilung sowie in der letztendlichen Darstellung der Traktographie deutlich sichtbar gemacht werden. Schlussfolgerung: Aufgrund der besseren Differenzierung der verschiedenen Gehirnsubstanzen bei Verwendung von Multi-Shell Daten und den folglich besseren und genaueren Ergebnissen, vor allem in der Traktographie, sollte das Anwenden mehrerer Diffusionswichtungen in diesem Bereich priorisiert werden. Problem: Representing nerve fibers of the white matter of the brain can be used both in research and in clinical routine to answer pathological or cognitive questions. One reason for pathological changes in nerve fibers can be tumors or neurodegenerative changes such as multiple sclerosis, Parkinson's disease, Alzheimer's disease or dementia. Diffusion Tensor Imaging (DTI) enables this representation of nerve fibers, which also visualizes connections of different brain areas and thus allows conclusions to be drawn about cognitive processes. The representation of these connections is called tractography and is a non-invasive method for three-dimensional visualization of nerve fibers. Complex fiber crossings can cause problems with the use of DTI, since they approach the tensor model of a sphere rather than an ellipsoid as with simple fiber orientations. This could lead to a situation where separate neural pathways are indistinguishable from each other. To solve this problem, the constrained spherical deconvolution (CSD) was developed. This technique works with only one diffusion weighting and, despite the improvement, can lead to errors or “mis-tracking”, in which the nerve fibers are subsequently anatomically incorrectly represented. In order to minimise these errors, a further improvement of the CSD is used, the Multi-Shell Multi-Tissue CSD (MSMT-CSD), which uses several diffusion weights to subsequently distinguish several tissue types. Research Question: Are there differences in diffusion imaging and tractography when using multi-shell data compared to single-shell data? Method: For the empirical part of this paper, different measurements were performed on five subjects at the 3-Tesla Research MRI at the University Clinic Graz for Radiology. The subsequent evaluation of the raw MR data and the creation of the tractography was carried out with programs such as MRtrix and FSL. The literature research is carried out using the search engine Google Scholar in databases such as ScienceDirect, PubMed and SpringerLink, as well as in the library holdings of FH JOANNEUM Graz using the keywords “MRI”, “DWI”, “Tractography”, “Single-Shell” and “Multi-Shell”. In the studies used, care was taken to include only German or English language versions published between 2018 and 2023.ResultsUsing the multi-shell data, a better differentiation of white and grey brain matter as well as cerebrospinal fluid was achieved. These differences were noticeable in all comparisons, as white brain matter could therefore be distinguished much better from other tissue types. Discussion: The small number of subjects prevented a quantitative evaluation, but the differences between multi-shell data and single-shell data in the calculation of the response function and the fiber orientation distribution as well as in the final representation of the tractography were clearly visible. Conclusion: Due to the better differentiation of the different brain substances the use of multi-shell data and the consequent better and more accurate results. Especially in tractography, the application of several diffusion weights in this area should be prioritized.