Summary

Konstruktion und Anwendung eines zerebralen funktionellen regionenbasierten zerebralen Blutflussatlas unter Verwendung von Magnetresonanztomographie-Arterienspinmarkierung

Published: May 31, 2024
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Summary

Diese Studie integrierte Magnetresonanztomographie – arterielle Spin-Markierungsbilder, um einen zerebralen Blutflussatlas (CBF) für zerebrale Funktionsregionen abzuleiten. Der Vergleich typischer gesunder und chronischer zerebraler Ischämie-CBF-Atlanten ergab signifikante Unterschiede in den regionalen CBF-Verteilungen, die eine schnelle, nicht-invasive Beurteilung der funktionellen CBF ermöglichten, um die Diagnose und Bewertung von Therapeutika zu unterstützen.

Abstract

Hirnerkrankungen erfordern oft eine präzise Diagnose und Überwachung, die fortschrittliche bildgebende Verfahren erforderlich macht. Die derzeitigen Modalitäten können frühe Anzeichen einer reversiblen Gewebeschädigung möglicherweise nicht ausreichend erkennen, was den Bedarf an innovativen Diagnoseinstrumenten unterstreicht, die Veränderungen des zerebralen Blutflusses (CBF) mit hoher Spezifität und Sensitivität quantifizieren können. Diese Studie integriert die dreidimensionale arterielle Spin-Markierung (3D-ASL) mit struktureller MRT, um umfassende CBF-Atlanten zu entwickeln, die alle wichtigen funktionellen Regionen des Gehirns abdecken. Diese innovative Methode der Magnetresonanztomographie – arterielle Spinmarkierung (MRT-ASL) bietet eine schnelle und nicht-invasive Möglichkeit zur Quantifizierung von regionenspezifischer CBF und bietet einen detaillierten Überblick über die CBF-Spiegel in verschiedenen funktionellen Regionen. Der Vergleich zwischen Patienten mit chronischer zerebraler Ischämie (CCI) und gesunden Probanden ergab in den konstruierten CBF-Atlanten für erstere eine signifikant verminderte CBF in den zerebralen Funktionsregionen. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur die effiziente Identifizierung des CCI durch die Analyse gleichzeitiger Abnahmen des CBF in kritischen Bereichen im Vergleich zu gesunden Verteilungen, sondern ermöglicht auch die Verfolgung des Behandlungsansprechens und des Rehabilitationsfortschritts durch longitudinale CBF-Atlanten. Der mit der MRT-ASL-Technik entwickelte CBF-Atlas stellt einen neuen Fortschritt auf dem Gebiet der zerebralen Diagnostik und Patientenversorgung dar. Durch den Vergleich regionaler CBF-Spiegel mit normativen Standards verbessert diese Methode die diagnostischen Fähigkeiten und ermöglicht es Klinikern, Patienten mit zerebralen Erkrankungen individuell zu versorgen.

Introduction

Im Bereich der Neurobildgebung ist die Suche nach präzisen, nicht-invasiven Instrumenten zur Beurteilung der Gehirnfunktion und der Pathologie nach wie vor von größter Bedeutung. Unter diesen ist der zerebrale Blutfluss (CBF) ein wichtiger Indikator, der die metabolischen Anforderungen und den Gesundheitszustand des Hirngewebes widerspiegelt1. Traditionelle Ansätze beinhalten oft empirische Beurteilungen, die sich stark auf die Expertise von Klinikern stützen, um Bilder zu interpretieren und pathologische Veränderungen zu erkennen2. Fortschritte in der Magnetresonanztomographie (MRT), insbesondere bei der arteriellen Spinmarkierung (ASL)3, bieten jedoch einen vielversprechenden Weg zur Quantifizierung von CBF mit größerer Genauigkeit und Objektivität 4,5.

Diese Studie stellt eine bahnbrechende Methodik vor, die dreidimensionale ASL (3D-ASL) mit struktureller MRT integriert, um einen umfassenden CBF-Atlas über zerebrale Funktionsregionen hinweg zu erstellen6. Durch die Nutzung dieses neuartigen Ansatzes können Ärzte nicht nur eine globale Perspektive der CBF erhalten, sondern auch in bestimmte Funktionsbereiche eintauchen, was ein nuanciertes Verständnis der zerebralen Perfusionsmuster ermöglicht 7,8. Diese Verbesserung der Auflösung ist ein direktes Ergebnis des technologischen Fortschritts bei bildgebenden Geräten und nicht der Verwendung interpolierter Voxel. Es ist erwähnenswert, dass die meisten der heute auf dem Markt erhältlichen Mainstream-MRT-Geräte in der Regel eine Bildgenauigkeit von mehr als 1,5 mm bieten9. Diese Fortschritte in der Bildgebungstechnologie haben den Weg für detailliertere und genauere CBF-Bewertungen geebnet. Dies stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber der konventionellen Bildgebung dar, bei der es oft an der Auflösung mangelt, um subtile Veränderungen der CBF im Zusammenhang mit Pathologien im Frühstadium zu erkennen10.

Die Genese dieser Methodik liegt in der Notwendigkeit, die diagnostischen Herausforderungen anzugehen, die sich aus zerebralen Erkrankungen ergeben, einschließlich chronischer zerebraler Ischämie (CCI) und anderer neurologischer Erkrankungen11,12. Diese Bedingungen erfordern genaue und rechtzeitige Beurteilungen, um therapeutische Interventionen effektiv zu steuern13,14. Durch den Vergleich von CBF-Atlanten zwischen gesunden Personen und Patienten mit CCI deckt diese Studie signifikante Unterschiede in der regionalen CBF-Verteilung auf und bietet Einblicke in die Krankheitspathologie und mögliche Behandlungsmöglichkeiten.

Der Nutzen dieses MRT-ASL-Ansatzes geht über die Diagnose hinaus und umfasst die therapeutische Bewertung und Überwachung des Krankheitsverlaufs15. CBF-Längsschnittatlanten sind vielversprechend bei der Verfolgung von Behandlungsreaktionen und Rehabilitationsergebnissen und bieten Klinikern unschätzbare Werkzeuge für ein personalisiertes Patientenmanagement. Darüber hinaus kann die Fähigkeit, subtile CBF-Veränderungen zu erkennen, als früher Biomarker für drohende Gewebeanomalien dienen und proaktive Interventionen zur Milderung neurologischer Schäden ermöglichen, bevor sie irreversibel werden16.

Obwohl diese Methodik ein fortschrittliches Instrument darstellt, sollten mehrere Möglichkeiten zur Verfeinerung und Erweiterung in Betracht gezogen werden. Die Standardisierung von Scanprotokollen, CBF-Normalisierungstechniken und die Erstellung gesunder CBF-Atlanten für mehrere Personen sind entscheidende Schritte zur Verbesserung der diagnostischen Genauigkeit und des klinischen Nutzens. Gemeinsame Anstrengungen über verschiedene zerebrale Pathologien hinweg sind unerlässlich, um diesen Ansatz für eine breite klinische Anwendung zu validieren und zu verfeinern.

Diese Studie stellt einen neuartigen Ansatz vor, bei dem MRT-abgeleitete CBF-Atlanten Klinikern tiefe Einblicke in die Gehirnfunktion und -pathologie bieten. Durch die Überbrückung der Lücke zwischen der Bildgebungsgruppe und der klinischen Interpretation hat diese Methodik das Potenzial, die Diagnose und Behandlung einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen zu revolutionieren und eine Zukunft der Präzisionsmedizin einzuläuten, die auf die individuellen Bedürfnisse jedes Patienten zugeschnitten ist.

Protocol

Diese Studie wurde vom Institutional Review Board des Beijing Dongzhimen Hospital, Peking, China, genehmigt. Es wurde ein MRT-Scanner mit gepulster ASL (PASL)-Sequenz auf Basis des Turbogradienten-Spin-Echos (TGSE) für die arterielle Spinmarkierung in 3D (3D-ASL) mit folgenden Parametern verwendet: TR 4000 ms, TE 25 ms, Bolusdauer 700 ms, Inversionszeit 1990 ms. Die in dieser Studie verwendeten Softwaretools sind in der Materialtabelle aufgeführt. 1. Datenerhebung und …

Representative Results

Diese Untersuchung verwendet tatsächliche Patientendaten, die mit einem 1,5-T-MRT-Scanner erfasst wurden, um die Quantifizierung des zerebralen Blutflusses (CBF) und die Methodik der Atlaskonstruktion zu validieren. Die Vorverarbeitungsschritte umfassten FLAIR-Strukturbilder (Abbildung 1), CBF-Bilder (Abbildung 2) und triplanare fusionierte Bilder (Abbildung 3 und Abbildung 4). <p class="jove_conte…

Discussion

Die Schlüsselschritte (Abschnitte 3 und 4) bilden die Grundlage für die Erstellung des CBF-Atlas, der die CBF-Verteilung in den zerebralen Funktionsregionen quantifiziert. Schritt 4.2 beschreibt explizit die CBF-Spiegel für jeden Gehirnbereich und leistet damit Pionierarbeit für eine neue Technik. Damit erhalten Ärzte nicht nur einen globalen Überblick über die CBF von Patienten, sondern auch quantitative Messungen einzelner Funktionsregionen. Schritt 5.1 zeigt, dass der CBF-Atlas einen erheblichen klinisch-diagno…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie erhielt erhebliche Unterstützung und Modellierungshilfe von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd., Peking, China.

Materials

CBF Atlas Intelligent Entropy CBF Atlas V1.0 Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.
Modeling for Thyroid Disease
MATLAB MathWorks 2023B Computing and visualization
MRI Device Siemens Amria 1.5 T MRI scanner

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Diesen Artikel zitieren
Tan, Z., Xing, F., Zhang, L. Construction and Application of Cerebral Functional Region-Based Cerebral Blood Flow Atlas Using Magnetic Resonance Imaging-Arterial Spin Labeling. J. Vis. Exp. (207), e66853, doi:10.3791/66853 (2024).

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