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Klinik für Neurologie und Neurophysiologie

Neurovaskuläre Bildgebung

Beispiele der Darstellung und Quantifizierung der Blutströmung beim Menschen mittels 4D Fluss MRT:
A: Blutrückfluss zum Zeitpunkt der Diastole von einer Plaqueebene der Aorta descendens in den Aortenbogen.
B: Analyseebenen entlang der thorakalen Aorta zur späteren Berechnung der Pulswellengeschwindigkeit.
C: 3D Strömungsmuster in der Karotisbifurkation einer Probandin.
D und E: Analyseebenen zur Erfassung des 3D Geschwindigkeitprofils und zur Berechnung der Wandscherkräfte

Hintergrund

  • Bei 25% der Schlaganfallpatienten ist die Schlaganfallursache unklar, so dass sie nicht optimal vor einem weiteren Ereignis geschützt werden können. Plaques der Aorta descendens sind eine bislang unterschätzte neue Ursache. Um ihre Bedeutung genauer zu erforschen, sind zeitaufwändige Methoden nötig.
  • Andere Patienten haben Einengungen der A. carotis interna mit/ohne Schlaganfallsymptome. Es ist momentan unklar, wie sie am besten behandelt werden, wenn die Einengung nur 50-70% beträgt. Eine Therapieentscheidung im Einzelfall durch Bestimmung der Zusammensetzung der Plaque ist bisher aber nicht etabliert.
  • Thrombosen der Hirnvenen können vor allem bei jungen Menschen zu schweren Schlaganfällen führen. Da der Blutfluss in den Hirnvenen schwierig zu messen ist, sind Kenntnisse darüber begrenzt, wie sie sich im Verlauf entwickeln, die Prognose bestimmen und welche Faktoren für Folgeerkrankungen wie dem sogenannten Pseudotumor cerebri prädisponieren.

Ziele

  • Untersuchung neuer Schlaganfallursachen mit Hilfe moderner MRT-Bildgebung, beschleunigte und automatisierte Auswertung von Plaquemorphologie und Embolisierungswegen der Aorta und Etablierung im klinischen Alltag.
  • Erforschung der pathophysiologischen Zusammenhänge zwischen lokaler Blutströmung, Fortschreiten und Ruptur von Plaques der Karotiden.
  • Identifizierung von Hochrisikopatienten für Schlaganfälle anhand neuer Biomarker wie Wandscherkräften, Pulswellengeschwindigkeit und Plaquezusammensetzung.
  • Erkennung der Pathophysiologie von Erkrankungen der Hirnvenen und des N. opticus.

Hauptforschungsgebiete

  • 3D Darstellung und Messung der Blutströmung in der Aorta, in den Karotiden und Hirnvenen im Hochfeld-MRT. Erfassung von Wandscherkräften, der Pulswellengeschwindigkeit und der Embolisierungswege mit spezieller Software-Analyse. Integration der Ergebnisse der transösophagealen Echokardographie.
  • Plaquedetektion und –charakterisierung in der Aorta bzw. in den Karotiden mittels Hochfeld-MRT bzw. Kombination mit 2D Duplexsonographie.
  • Messung des Venenflusses mittels 4D Fluss-MRT und der Weite der Optikusscheiden mittels MRT und transbulbärem Ultraschall.

Aktuelle Projekte

#1 MRT der Aorta

Darstellung des Blutflusses mit Hilfe sogenannter „Particle Traces“, die den tatsächlichen Blutstrom des Patienten zeitaufgelöst und dreidimensional darstellen. Bei diesem Patienten findet sich in der späten Diastole ein Blutrückstrom in den Aortenbogen von einer Hochrisikoplaque in der proximalen Aorta descendens, die somit eine potentielle Schlaganfallursache darstellt. (Details siehe bei Harloff A et al. Der Nervenarzt 2009;80:929-40: Diagnostik von Schlaganfallursachen - Morphologische und funktionelle MRT-Darstellung der Aorta und der Karotiden)

Bei akuten Schlaganfallpatienten konnten wir zeigen, dass Plaques der thorakalen Aorta mit Hilfe moderner MRT-Protokolle bei 3 Tesla zuverlässiger entdeckt werden als mit der transösophagealen Echokardiographie (TEE). Außerdem fand sich fast immer ein Rückstrom von Plaques der proximalen Aorta descendens in den Aortenbogen, so dass diese sehr wahrscheinlich eine wichtige und bislang unberücksichtigte Schlaganfallursache darstellen (siehe Video). Ziel ist die Entwicklung eines 3D Multikontrast-MRT-Protokolls zur optimalen Plaquedetektion, die Quantifizierung der 3D Embolisierungswege von der Plaque in das betroffene Hirnareal und die unmittelbare klinische Anwendung. Durch die Korrelation der aortale Wandschubspannung und Pulswellengeschwindigkeit mit der Plaquelokalisation sollen Parameter identifiziert werden, die für die Entstehung und das Fortschreiten der Arteriosklerose in der Aorta verantwortlich sind.

#2 MRT der Karotis

Darstellung des dreidimensionalen und zeitaufgelösten 3D Blutflusses in der linken Karotisbifurkation einer gesunden Probandin mittels „Particle Traces“. Hier ist der physiologische, helikale Fluss, der durch die proximale Dilatation der A. carotis interna (rechts) im Gegensatz zur A. carotis externa entsteht (links), gut sichtbar (für Details siehe z.B. Harloff A et al. Der Nervenarzt 2009;80:929-40: Diagnostik von Schlaganfallursachen - Morphologische und funktionelle MRT-Darstellung der Aorta und der Karotiden)

Im Gegensatz zu klinischen Standardmethoden kann mit der Fluss-sensitiven 4D MRT gleichzeitig die Morphologie und Strömung bei Stenosen der Arteria carotis interna erfasst werden. So lässt sich erstmals in-vivo die komplexe 3D Blutströmung darstellen (siehe Video). Die gewonnenen Daten ermöglichen die genaue Quantifizierung der Scherkräfte entlang der Gefäßwand, so dass Areale in der Karotisbifurkation mit niedriger oder oszillierender Wandschubspannung und somit wahrscheinlich erhöhtem Risiko der Atherogenese in-vivo identifiziert werden können. Gegenwärtig analysieren wir den Einfluss der Hämodynamik auf die regionale Enstehung aber auch auf die morphologische Zusammensetzung von Plaques der Arteria carotis interna.

#3 Automatisierte ex-vivo Plaqueanalyse

3D Darstellung einer resezierten Karotisplaque eines Patienten mit hochgradiger Stenose der ACI. In der hochaufgelösten 3D T1-Messung wurden die Daten pixelbasiert mit der hochaufgelösten CT fusioniert. Areale der Plaque, die aus Kalk bestehen und mit der CT optimal erfasst werden, wurden hier automatisch rot kodiert. Bild: Dr. Anja Hennemuth, Fraunhofer MEVIS Bremen

Da neben dem Stenosegrad auch die Plaquekomposition in der Arteria carotis interna (ACI) darüber entscheidet, wann eine Plaque rupturiert und zu einem Schlaganfall führt, arbeiten wir an einer optimalen und nicht-invasiven Darstellung dieser Atherome. Die ex-vivo Analyse resezierter Karotisplaques ermöglicht vorbereitend die Erprobung und Testung verschiedener Sequenzen in der 3D MRT- und CT-Mikroskopie mit hoher räumlicher Auflösung (100um3). Durch die digitale Fusionierung der Verfahren, die Gewebeerkennung mittels spezieller Auswerte-Software sowie die histopathologischen Referenzbefunde soll die individuelle Plaquekomposition in 3D nach den Kriterien der American Heart Association automatisch klassifiziert und mit der 3D Strömungsanalyse aus Projekt #2 direkt kombiniert werden. Mittelfristig sollen diese Prinzipien bei Patienten eingesetzt werden, um diejenigen mit vulnerablen Plaques der Karotiden und hohem Embolierisiko rechtzeitig zu erkennen.

#4 MRT der Venen bei Probanden und Hirnvenenthrombosen

Ziel dieses Projektes ist die 3D Darstellung und die Messung des Blutflusses der Hirnvenen inklusiver der oberflächlichen Brückenvenen und des Sinus sagittalis superior mit Hilfe der 4D Fluss-MRT. Neben der Erhebung von Normwerten soll die Genauigkeit der MRT-Methode untersucht und der Verlauf der Blutströmung bei Patienten mit Hirnvenenthrombosen verfolgt werden. Zudem sollen assoziierte Pathologien wie der Pseudotumor cerebri, der bei einem Teil der Patienten durch eine venöse Abflussstörung entsteht, besser verstanden und im Verlauf untersucht werden. Die Messung des N. opticus bei Beginn und im Verlauf einer Sub-Studie erfolgt dabei mittels Dünnschicht-MRT der Augenhöhle und transbulbärem B-Mode Ultraschall.

Team
Name Gebiet
Dr. Julius Dragonu DFG-Projekt # HA 5399/3-1
Dr. Thomas Wehrum DFG-Projekt # HA 5399/3-1
Adriana Komancsek, MTRA DFG-Projekt # HA 5399/3-1
Dr. med. Florian Schuchardt MRT Venen
Dr. med. Christoph Strecker MRT Karotis
Paul Hagenlocher, Thomas Lodemann,
Miriam Kams, Andrea Nußbaumer
MRT Aorta
Kristin Huang, Laure Schroeder MRT Venen
Nikolay Pavlov ex vivo Plaque
Alexander Fuchs, Sarah Wendel TEE Aorta
Kooperationen

Universitätsklinikum Freiburg

 Deutschland

International

  • Prof. Dr. Michael Markl, Director Cardiovascular MR Research, Dr. Alex J. Barker, Department of Radiology and Biomedical Engineering, Northwestern University, Chicago, USA

Eingeworbene Drittmittel

  • Hauptantragsteller: Sachmittelbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG): Plaques der Aorta als Emboliequelle für Schlaganfälle - MRT basierte morphologische und funktionelle Analyse der Aorta, Neurologische Klinik, Uniklinik Freiburg
  • Mitantragsteller: Sachmittelbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG): Plaques der Aorta als Emboliequelle für Schlaganfälle - MRT basierte morphologische und funktionelle Analyse der Aorta, Fraunhofer MeVis, Bremen
  • Mitantragsteller: Sachmittelbeihilfe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG): Morphologische und funktionelle MRT-Analyse der Aorta bei Schlaganfallpatienten, Allgemeine Radiologie – MR-Physik, Uniklinik Freiburg

Leiter der Arbeitsgruppe

Die AG Neurovaskuläre Bildgebung wird unterstützt von der DFG