Untersuchung der mikroskopischen Struktur weißer Substanz mit Doppel-Wellenvektor-Diffusionsgewichteter MRT-Bildgebung

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen von Methoden der Doppel- Wellenvektor-Diffusionsgewichteten MRT-Bildgebung, welche Informationen über die mikroskopische Struktur der weißen Substanz zugänglich machen. Dabei wurden zunächst modellfreie Verfahren betrachtet, mit welchen die geometrische Struktur einer Diffusionsbeschränkenden Pore direkt aus dem Messsignal rekonstruiert werden kann. Es zeigte sich, dass diese Verfahren aus physikalischen und technischen Gründen nicht direkt am menschlichen Gewebe eingesetzt werden können. Im weiteren Verlauf wurde darum eine Methode entwickelt welche ein Gewebemodell der weißen Substanz zugrundelegt und ein spezielles Messverfahren verwendet. Die Untersuchung dieser Methode erfolgte an simulierten Modellsystemen sowie anhand von in vivo Messungen an gesunden Probanden. Es zeigte sich dabei, dass die Gewebeparameter der Modellsysteme mit sehr hoher Präzision bestimmt werden können und die Ergebnisse der Messungen am menschlichen Gewebe reproduzierbar, stabil und plausibel sowie in guter Übereinstimmung mit der Literatur sind. Es konnte somit ein Verfahren entwickelt werden, welches Zugang zu mikroskopischen Eigenschaften der weißen Substanz wie dem mittleren Axondurchmesser in einem Faserbündel, der Orientierung des Faserbündels und dessen Volumenanteil, die mittlere Größe und den Volumenanteil von Zellkörpern sowie den freien Diffusionskoeffizienten im Extrazellularraum verschafft. Aufbauend darauf kann nun in neurowissenschaftlichen und klinischen Studien untersucht werden, welcher Erkenntnisgewinn aus den hier zugänglich gemachten Gewebeparametern für die klinische Diagnostik und neurowissenschaftliche Forschung gezogen werden kann.

The topic of the presented work is the study of the microstructure of white matter using Diffusion-Weighted Double Wavevector MR Imaging. In order to do so at first model-free methods have been considered using which the geometric structure of a diffusion-limiting pore may be reconstructed directly. It turned out, however, that these methods are not directly applicable to human tissue due to physical and technical limitations. Therefore, in the further course of the work, a method which uses specific tissue models of white matter and a particular measurement protocol has been developed. The investigation of this method has been carried out with both simulated model systems and in vivo measurements of healthy volunteers. It is shown that the tissue parameters of the model system can be determined with very high precision and that the results of the measurements with human tissue are reproducible, stable, plausible and in good agreement with literature. Hence a method has been designed which proviedes access to the microscopic properties of white matter like the mean axon diameter in a fiber bundle, the orientation of the fibre bundle and its volume fraction, the mean size and volume fraction of cell bodies as well as the coefficient of free diffusion in the extracellular space. Based on these results neuroscientific and clinical studies can now be performed to determine which insights for clinical diagnostics and neuroscientific research may be gained from the tissue parameters made accessible.