4D Magnetresonanzangiographie bei zerebralen arteriovenösen Malformationen - Untersuchungen zu Hämodynamik und Gewebemarkern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Planung einer invasiven Therapie für Patienten mit arteriovenösen Gefäßfehlbildungen (AVMs) des Gehirns ist die Abschätzung des individuellen natürlichen Blutungsrisikos von entscheidender Bedeutung. Eine Hirnblutung erfolgt am Ort einer Gefäßwandschwäche, wo eine hohe Belastung durch den erhöhten Blutfluss herrscht. Ob diese Bedingung erfüllt ist, kann mit den derzeit klinisch verfügbaren Methoden nicht ausreichend sicher nachgewiesen werden. In einer monozentrischen prospektiven Studie sollten Messungen an verschiedenen Lokalisationen der AVM-Anatomie vorgenommen werden, um mögliche Risikofaktoren für eine Blutung zu identifizieren. Die Hypothese war hierbei, dass das die Flussverhältnisse mit dem Blutungsrisiko korreliert. Die Methode zur Datennachverarbeitung sollte im Rahmen des Projektes so weiterentwickelt werden, so dass nach Abschluss eine Anwendung in großen multizentrischen Studien möglich wird. Langfristig kann so ein leistungsfähiges prädiktives Modell für das natürliche Blutungsrisiko und die Therapieplanung entwickelt werden. Im Bereich der Detektion des zerebralen Gefäßsystems in den Magnetresonanzangiographiebildern konnte durch das neue vierstufige Segmentierungsverfahren unter Einbeziehung von Form- und Intensitätsinformationen eine deutliche Verbesserung gegenüber etablierten Verfahren erreicht werden. Für die zeitaufgelöste Magnetresonanzangiographie (TWIST/TREAT) wurde ein neues Verfahren der referenzbasierten Kurvenanpassung zur robusten Quantifizierung der Hämodynamik auf Basis von 4D-MRA-Bildsequenzen mit hoher Genauigkeit entwickelt. Im Rahmen einer Monte Carlo Simulation konnte gezeigt werden, dass die Präzision des neuen Verfahrens gegenüber den etablierten Verfahren um 59% gesteigert und dabei die Laufzeit um 33% reduziert werden konnte. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens ist die implizite Berücksichtigung der individuellen physiologischen Charakteristika durch die Verwendung einer Referenzkurve. Insgesamt wurden innerhalb des Projektes mehr als 50 Patienten mit der TWIST/TREAT untersucht und die Daten mittels der hier der entwickelten Software analysiert. Zunächst wurde der Zusammenhang zwischen den makrovaskulären Fluss und der mikrovaskulären Perfusion um den Nidus herum untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sprechen für zwei Ebenen der Perfusionsbeeinträchtigung: eine makrovaskulär-territoriale und eine mikrovaskulär-lokale Ebene. Diese Ergebnisse körmten helfen, den Steal als pathophysiologische Grundlage für klinische Phänomene zu verstehen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich AVMs mit hohem und niedrigem Blutungsrisiko hinsichtlich ihrer hämodynamischen Parameter unterscheiden. Hierbei zeigte sich statistisch robust, dass hohe arterielle Einflussgeschwindigkeiten einen Risikofaktor für eine AVM-Blutung darstellen. Das visuelle Rating und der Vergleich mit der konventionellen Angiographie sind abgeschlossen. Hierbei zeigte sich, dass die dreidimensionale flusskodierte Sichtweise auf die Daten erhebliche Vorteile bietet. Es wurden drei intranidale Flussmuster identifiziert: homogen, unidirektional und heterogen. Die im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Verfahren und deren Implementierung in ein benutzerfreundliches Auswertetool bilden bereits jetzt die Grundlage für diverse weitere Forschungsarbeiten, insbesondere auf dem Gebiet der Himgefäßaneurysmen. Die methodischen Arbeiten aus der Medizinischen Informatik wurden mit 3 Preisen prämiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Closing of interrupted vascular segmentations: an automatic approach based on shortest paths and level sets. Vol. 7623: SPIE, p. 76233G
Forkert ND, Schmidt-Richberg A, Säring D, Illies T, Fiehler J, Handels H
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Direction-dependent level set segmentation of cerebrovascular structures. Vol. 7962: SPIE, p. 79623S
Forkert ND, Säring D, Illies T, Fiehler J, Ehrhardt J, Handels H, Schmidt-Richberg A
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Evaluation of methods for bolus arrival time determination using a four-dimensional MRA flow phantom. Studies in Health Technology & Informatics 160 (Pt 2): 1263-7
Säring D, Forkert ND, Illies T, Fiehler J, Handels H
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Territorial and microvascular perfusion impairment in brain arteriovenous malformations. AJNR Am J Neuroradiol 30 (2): 356-61, 2009
Fiehler J, Illies T, Piening M, Säring D, Forkert N, Regelsberger J, Grzyska U, Handels H, Byrne JV
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Combination of 3D and 4D MRA Image Sequences for Improved Quantitative and Visual Rating of Cerebrovascular Malformations. In: Annual Meeting of the Radiological Society of North America Chicago, 2010
Forkert ND, Ries T, Illies T, Fiehler J, Handels H, Säring D
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Perfusion Analysis in Cerebral Arteriovenous Malformations combining pASL and TOF Image Sequences. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 5 (Supp. 1): 337-338, 2010
Forkert N, Illies T, Piening M, Fiehler J, Handels H, Säring D
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Fuzzy-based Vascular Structure Enhancement in Time-of-Flight MRA Images for Improved Segmentation. Methods of Information in Medicine, 50, 1, 74-83, 2011
N. D. Forkert, A. Schmidt-Richberg, J. Fiehler, T. Illies, D. Möller, H. Handels, D. Säring
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Intranidal Flow and Morphological Characteristcs of Brain AVMs Evaluated By Colour-Coded 4D-MRA. In: NeuroRAD, Cologne, 2011
Illies T, Forkert ND, Ries T, Fiehler J
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Quantification of recurrence volumes after endovascular treatment of cerebral aneurysm as surrogate endpoint for treatment stability. Neuroradiology 53 (8): 593-8, 2011
Ries T, Wegscheider K, Wulff A, Radelfahr K, Säring D, Forkert ND, Fiehler J
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Reference-based linear curve fitting for bolus arrival time estimation in 4D MRA and MR perfusion-weighted image sequences. Magnetic Resonance in Medicine 65 (1): 289-94, 2011
Forkert ND, Fiehler J, Ries T, Illies T, Möller D, Handels H, Säring D
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Unexpected kink in aneurysm recurrence volume distribution is associated with retreatment decision. Neuroradiology 52 (7): 657-8, 2011
Ries T, Wulff A, Wegscheider K, Fiehler J
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Variability in visual assessment of cerebral aneurysms could be reduced by quantification of recurrence volumes. AJNR Am J Neuroradiol 32 (8): E163-4, 2011
Groth M, Fiehler J, Forkert ND
