Titelaufnahme

Titel
Volumetrische Auswertung des Gehirnvolumens von Katzengehirnen auf Basis von MRT-Datensätzen
Weitere Titel
Volumetric evaluation of the brain volume in the cat-brain on the basis of magnetic resonance imaging
VerfasserHartmann, Bruno
GutachterUnterhumer, Gerold
Erschienen2016
Datum der AbgabeJuni 2016
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)Volumetrische Auswertung
Schlagwörter (EN)volumetric evaluation
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Fortschritte in der Magnetresonanztomographie in den letzten 20 Jahren führten zu einem stark verbesserten räumlichen Auflösungsvermögen der Geräte. Durch diese technische Weiterentwicklung ergibt sich nun die Möglichkeit, unter zu Hilfenahme einer Auswertungssoftware, Volumina in MR-Datensätzen genauer zu erfassen. Dies kann für neuronale Fragestellungen, wie die Gehirn-Atrophie, aufschlussreiche Informationen zum Krankheitsverlauf liefern. Der Vorgang einer zerebralen Atrophie ist an sich nichts unnatürliches, da das Gehirn täglich Neuronen verliert und die Verbindungen zwischen ihnen zu Grunde gehen. Von einer krankhaften Veränderung spricht man erst, wenn die Abnahme mehr als 50.000-100.000 Neuronen am Tag beträgt. Auf lange Sicht führt die Hirnatrophie zu neurologischen Defiziten, die sich sehr differenziert äußern können, jedoch sicher zu einer Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit des betroffenen Individuums führen. Eine Linearität zwischen dem Ausmaß der atrophen Areale und den Ausfallerscheinungen des Betroffenen lassen sich jedoch nicht konstruieren. Die Atrophie kann fokal oder global ausgeprägt sein. Die globale Atrophie betrifft beide Hemisphären des Gehirns und beeinträchtigt das Bewusstsein und die freie Willensentscheidung, also die kognitiven Leistung des Gehirns.

Die Ursache ist oft bei der Rückbildung der grauen Hirnsubstanz zu finden. Sie wird dünner und die Sulci werden dadurch, dass sich die Gyri zurückziehen, dabei abflachen und undifferenzierter erscheinen, breiter und tiefer. In diesem Fall spricht man von einer kortikalen Atrophie. Wenn sich eher das Marklager, die weiße Hirnsubstanz, zurückzieht, so spricht man von einer subkortikalen Atrophie. Sie zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass sich das Ventrikelsystem weitet und auch eine Verwilderung feststellbar ist.

Daneben existieren noch verschiedene Unterarten von fokalen Atrophien, die bei den unterschiedlichsten Demenzarten beobachtbar sind.

Auslöser für die Abnahme der Hirnmasse sind vielfältig. Es können sowohl Stoffwechselerkrankungen Auslöser einer Atrophie sein, als auch chronische Infektionskrankheiten. Demenzerkrankungen vom Alzheimer-Typ, bei denen Ablagerungen von Plaques als Auslöser der Atrophie agieren, sind weitaus die häufigsten Ursachen einer Atrophie. [8][7]

Die Motivation für die Untersuchung von Katzengehirnen rührt daher, dass neurologische Pathologien, die beim Menschen auftreten, im Katzengehirn studiert werden können. Krankheitsbilder, wie Parkinson, Alzheimer oder auch Lysosomale Speicherkrankheiten

(LSK) äußern sich analog wie im menschlichen Gehirn. [3]

Um die volumetrische Auswertung durchführen zu können, werden jene Sequenzen aus dem Datensatz entnommen (laut Literaturrecherche), die den größten diagnostischen Mehrwert liefern. Diese werden in weiterer Folge herangezogen für die Konturierung und den Versuch der Volumetrische-Erfassung des Gehirnvolumens mittels des Osirix-Auswertungsprograms. Die Durchführung des Machbarkeitsnachweises soll genau dokumentiert, sowie auch die Auswahl der gewählten Sequenzen begründet werden. Die Auswahl der Sequenzen wird durch die Literaturrecherche, welche von meiner Kollegin Julia Sommer in ihrer zweiten Bachelor Arbeit genauer beleuchtet wird, fundiert werden. Dafür werden jene Sequenzen aus dem Datensatz entnommen, die, laut Literaturrecherche, jene Sequenzen sind, die den größten diagnostischen Mehrwert liefern.

Gemeinsam mit der Veterinärmedizinischen Universität Wien, die die untersuchten Datensätze zur Verfügung stellte, wurde an der Forschungsfrage gearbeitet. Zweck dieser Arbeit ist herauszufinden, ob die zur Anwendung gedachte Software, Osirix, zu diesem Zweck eingesetzt werden kann und ausreichend genaue Daten liefert. Die Software eignet sich für die Darstellung und Bearbeitung von DICOM-Bilddatensätze unterschiedlichster radiologischer Modalitäten. Der zugrunde liegende Source-Code der Software ist GPL lizenziert und gilt als Open-Source-Software, die freizugänglich ist. Sie ist nur lauffähig unter Mac OS X, einem auf Unix basierendem Betriebssystem. Die Datensätze werden in weiterer Folge herangezogen für die Konturierung und den Versuch der Volumetrische-Erfassung des Gehirnvolumens.

Die lukrierten Werte der vier unterschiedlichen Sequenzen überraschen durch geringe Standardabweichung zueinander, was nicht zu erwarten war. Aber diese eigentlich erfreulichen Ergebnisse werden durch die Tatsache, dass eine Verifikation der Messergebnisse nicht möglich war, geschmälert. Es waren keine Datensätze einer Phantommessung verfügbar.

Zusammenfassung (Englisch)

Advances in Magnetic Resonance Tomography made in the last 20 years have led to a dramatic increase in the spatial resolution of the scanners. Using these technologies it is now possible, using specialized software, to very accurately measure volumes in MR-Datasets. This can be used in neurological questions like brain atrophy to gain significant insights in regards to the progression of the illness. The process of cerebral atrophy is in itself nothing unnatural because the brain already looses neurons and the links between them every day. We talk about a pathology if the neurons decrease by more than 50.000 – 100.000 a day. In the long term cerebral atrophy leads to neurological deficits from a broad range, in any case resulting in cognitive impairment of the patient. A linear relationship between the size of the atrophied areas and the effects on the patient can however not be established. The Atrophy can be focal or global in nature. Global atrophy affects both hemispheres and impairs consciousness and free will, that is to say the cognitive power of the brain.

The cause is often a degeneration in the gray brain matter. It gets thinner and, because the Gyri pull back, the Suci flatten and seem undifferentiated, broader and deeper. In this case we talk about a cortical atrophy. If on the other hand the medullary layer, the white brain matter, is pulling back we talk about a subcortical atrophy. This is distinguished by an expansion of the ventricular system. There also are numerous subtypes of focal atrophy that can be seen in the different types of dementia.

Triggers for the reduction of brain matter are varied, both metabolic diseases and chronic infections are possible, with dementia of the alzheimer-type, where plaque deposits serve as a catalyst, being by far the most common. [8][7]

The motivation for studying cat´s brains stems from fact the neurological pathologies in humans can be studied in the brains of cats. Illnesses like Parkinson, Alzheimers or Lysosomal Storage Disease progress analogously to the human brain. [3]

To perform the volumetric evaluation the sequences we select those with the, per research in relevant literature, highest diagnostic value. These are then used for building a volumetric model with the goal to evaluate brain volume using the Osirix software. The proof-of-concept will be extensively documented in this paper, the selection process will be justified by my colleague Julia Sommer in her second bachelor thesis.

In conjunction with the Vet-Med Vienna, who kindly supplied the datasets, the research question was examined. The goal of this paper is to assert the capability of the Osirix software to perform this task within the desired precision. The software is well suited to view and edit DICOM-data from different radiological modalities. Osirix is licensed unter the GPL and thus free software and runs only on Mac OS X, a Unix-based operating system.

The results of the 4 different sequences surprise with a low standard deviation. This, usually positive, results are dampened by the fact that the measurements could not be verified becuase no datasets of a phantom measurement were available.