Development and application of techniques for quantitative voxel based morphometry

Ermer, Veronika; Shah, Nadim Joni

doi:HT015807258

Development and application of techniques for quantitative voxel based morphometry = Entwicklung und Anwendung von Techniken der quantitativen voxelbasierten Morphometrie

Ermer, Veronika (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Veronika Ermer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangXVIII, 116 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-11-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26236
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50512/files/Ermer_Veronika.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Neurologie (535000-2)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
NMR-Tomographie (Genormte SW) ; Entmarkungskrankheit (Genormte SW) ; Hirnforschung (Genormte SW) ; Wassergehalt (Genormte SW) ; Morphometrie (Genormte SW) ; Medizin (frei) ; quantitative MRT (frei) ; Voxel-basierte Morphometrie (frei) ; quantitative MRI (frei) ; brain (frei) ; water content (frei) ; voxelbased morphometry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Trotz der bewährten und weit verbreiteten Verwendung von Standard Gehirnatlanten, beinhaltet keiner der benutzten Atlanten, wie zum Beispiel MNI305 oder ICBM152, quantitative Informationen. Basierend auf quantitativer MR Bildgebung des menschlichen Gehirns wurde im Rahmen dieser Dissertation der erste quantitative Gehirnatlas des Gewebewassergehalts erstellt. Eine bereits vorhandene, schnelle und zuverlässige Methode zur Messung des absoluten Wassergehalts des Gehirns wurde dahingehend optimiert eine hohe Präzision und Genauigkeit der individuellen Messungen zu gewährleisten. Basierend auf einer Serie von Gradientenechobildern mit unterschiedlicher T2* - Gewichtung (QUTE) wurden der Wassergehalt, T1- und T2* simultan gemessen. Anhand dieser quantitativen Gewebekarten wurden drei Gehirnatlanten entwickelt. Diese sind repräsentativ für eine junge und gesunde Bevölkerung mit einem Durchschnittsalter von 33.5 + 12.07 Jahren. Die Daten wurden in einen gemeinsamen stereotaktischen Raum transformiert und durch eine anschließende lineare Mittelung die drei Atlanten gebildet. Um eine Validierung der entwickelten Atlanten zu ermöglichen wurden mehrere Ansätze der Atlasformation untersucht. Anschließend wurde der quantitative Atlas als Referenz im Vergleich zu Wasserkarten von Patienten mit pathologischen Änderungen des absoluten Wassergehalts des Gehirns verwendet. Voxel für Voxel wurden die Wasserkarten von Multiple Sklerose (MS) Patienten und Patienten unter Elektrokrampftherapie (EKT) mit dem neuen Wasseratlas verglichen. Unter Verwendung eines statistischen t-Tests konnten Läsionen in der weißen Substanz in den Wasserkarten der MS Patienten klar entdeckt und quantifiziert werden. Patienten unter Elektrokrampftherapie zeigten eine geringe Änderung des Wassergehalts nach vollzogener Therapie. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Dissertation der erste quantitative Wasseratlas des menschlichen Gehirns erstellt und ein voxelbasierter Vergleich mit Wasserkarten von Patienten durchgeführt. Mit den vorgestellten Ergebnissen und weiteren Verbesserungen, erlaubt die quantitative MRT in Kombination mit dem quantitativen Wasseratlas eine vorsichtige und quantitative Interpretation verschiedener Krankheitsverläufe.

The use of standard brain atlases is well established in the MR community, but none of the commonly utilised standard brains or atlases, such as MNI305 or ICBM152, provide quantitative information. Within the framework of quantitative MRI of the brain, which has gained much importance in the last few years, this work reports on the development of the first quantitative brain atlas for tissue water content. A fast and reliable method for quantitatively measuring the absolute water content of the brain, developed previously in-house, was used and sequence protocols were optimised to achieve the highest precision and accuracy of the individual measurements. Water content, T1 and T2* were simultaneously mapped based on an acquired series of spoiled gradient echo images with different T2*-weighting (QUTE). Based on the quantitative information of these maps, three brain atlases were developed, representative for a young and healthy population with an average age of 33.5 + 12.07 years. Data were transformed into a common stereotactic space and linearly averaged to form the final atlases. Several approaches for atlas formation were extensively investigated and validated. Subsequently, the quantitative water content atlas was used as reference for the comparison of patients with pathological changes in the absolute water content of the brain to healthy volunteers. A voxel-wise comparison to the atlas was performed, using quantitative water content maps of patients suffering from multiple sclerosis (MS) and patients undergoing electro-convulsive therapy (ECT). Comparing water content maps of MS patients to the reference water content atlas, using a one-sample t-test, led to clearly defined WM lesions. During the course of ECT, small changes in the water content were found. In summary, the first quantitative water content brain atlas in vivo was developed in the current work and a voxel-wise comparison of diseases related to a change in the brain water content was performed. With the results presented and further improvements, quantitative MRI in combination with a quantitative water content brain atlas allows for a careful and quantitative interpretation of disease monitoring.

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