Structural and functional magnetic resonance imaging as a diagnostic tool for evaluating neuroplastic changes in patients with brain tumors

Autor: Hense, Katharina
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: Brain tumors represent a special challenge for modern medicine and science due to their localization in the central nervous system (CNS), their often diffuse and unregulated growth as well as their heterogeneity. Therefore, it is a constant endeavor to investigate and understand this disease. In this field, especially in the last decades, research has contributed significantly to the improvement of diagnostics and treatment of patients. In addition to the discovery of molecular markers, which affect the prognosis of a patient and are the starting point for targeted and tailored forms of therapy, the establishment of preoperative fMRI for visualizing eloquent brain areas in the vicinity of the tumor has also been shown to have a positive impact on the treatment of patients. In this context, the integrity of the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal in patients with brain tumors has often been critically questioned in the literature. This can have severe consequences, especially in the clinical context, as damage to such eloquent cortex areas during surgical resection of the tumor can lead to a long-term neurological deficit. Therefore, it seems all the more important to investigate the influence of the tumor on the acquired MRI signal on the basis of patient data and thus gain a better understanding of this process. The three studies performed within the scope of this doctoral thesis are aimed to contribute to this overall goal. The first study addressed the question how the presence of a brain tumor or space-occupying brain lesion in the occipital lobe affects fMRI eccentricity mapping of the central, middle, and peripheral visual fields. Based on a sample of 19 patients (12 patients with brain tumor and 7 patients with space-occupying brain lesion) and 19 age-matched control subjects, the feasibility of retinotopic mapping of central and peripheral visual fields in such patients was investigated for the first time. The results of the study suggest that patients with brain tumor as well as with space-occupying brain lesion still show a retinotopic organization of the visual cortex despite their disease, although the extend of cortical activations appears reduced compared to a healthy control group. In addition, local region of interest analyses showed that the patients with space-occupying brain lesions had higher values of percent signal change in the calcarine fissure than the tumor patients. These values were comparable to those of the control subjects. In contrast, these patients showed a noticeable reduced pattern in the cluster size of activated voxels compared to patients with a brain tumor. Overall, the results of this study indicate that a space-occupying brain lesion seems to have less effect on the level of the BOLD signal and more on the volume of cortical activation, whereas the opposite was observed in patients with brain tumor. The second study aimed to create and evaluate a preprocessing protocol that allows three-dimensional reconstruction of T1-weighted anatomical images of patients with glioblastoma in FreeSurfer, which has so far led to erroneous results as a result of poor detection and handling of pathological changes due to the tumor. The MRI data of 27 patients with glioblastoma as well as 33 control subjects were analyzed to evaluate the feasibility of a novel preprocessing protocol developed in this study. The results showed that the modification of the T1-weighted image, in which tumor-affected areas were replaced with healthy tissue from the contralateral hemisphere, enabled the three-dimensional reconstruction in FreeSurfer. Here, the time required for reconstruction and the abortion rate did not differ from those of a healthy control group. Comparisons of the analyses of functional MRI data with the results from the established SPM12 software showed that the results during volume-based analysis of both methods yielded comparable results. In addition, the effect of modification of the T1-weighted image on the results of functional MRI analyses was shown to be marginal. It can be concluded from the results that the modification of the T1-weighted image with the preprocessing protocol presented here is an appropriate approach to use FreeSurfer for data analysis of patients with a brain tumor, while providing new potentials to analyze patient data. The third study focused on investigating structural and functional differences between glioblastoma patients with different morphological tumor growth patterns. Based on the pattern of the accumulation of contrast agent, a sample of 97 patients in total was subdivided into two groups, which have been shown to be prognostically relevant in previous studies. The results indicated structural differences within the tumor between the three different tumor compartments necrosis, contrast enhancement and edema (intra-tumor heterogeneity), but not between the two groups of patients with uniform and diffuse tumor growth pattern (inter-tumor heterogeneity). Examination of differences in the BOLD signal showed that the patients with a prognostically more favorable uniform tumor growth pattern had higher percent signal change values in most regions of interest in both language fMRI and motor fMRI, but these differences were statistically not significant. Analyzing the lateralization of cortical activation, the two groups of patients showed little difference in the language paradigms, whereas in the motor paradigms the prognostically less favorable group of patients with diffuse tumor growth pattern showed higher values of the lateralization indices. Although these differences were statistically not significant, they indicate a more pronounced shift of the normally bilateral activation in motor-relevant areas in this group toward a more unilateral activation pattern. This may represent evidence for the stronger influence of the prognostically less favorable tumor growth pattern on cortical activation. Regarding the additionally investigated functional connectivity, only minor and mostly balanced and unsystematically distributed differences between the two patient groups with uniform and diffuse tumor growth pattern were found. Overall, it can be concluded from the results that minor differences between both patient groups seem to be present on a functional level, but do not appear significant on a statistical level. Altogether, the results of the three studies of this thesis illustrate the importance of continuous research and development of new methods for the improvement of preoperative imaging in patients with brain tumors. In this context, the focus should also lie on the critical questioning of the validity of the collected data in order to maximize the benefit of these methods while minimizing the risk of postoperative deficits for the patients.
Hirntumore stellen aufgrund ihrer Lokalisation im Zentralnervensystem (ZNS), ihres oft diffusen und unkontrollierten Wachstums sowie ihrer Heterogenität eine besondere Herausforderung für die moderne Medizin und Wissenschaft dar. Daher ist es ein ständiges Bestreben, diese Krankheit zu erforschen und zu verstehen. Auf diesem Gebiet hat die Forschung vor allem in den letzten Jahrzehnten erheblich zur Verbesserung der Diagnostik und Behandlung der Patienten beigetragen. Neben der Entdeckung molekularer Marker, die die Prognose eines Patienten beeinflussen und Ausgangspunkt für gezielte und personalisierte Therapieansätze sind, hat sich auch die Etablierung der präoperativen fMRT zur Visualisierung eloquenter Hirnareale in der Nähe des Tumors positiv auf die Behandlung der Patienten ausgewirkt. In diesem Zusammenhang wird jedoch die Integrität des BOLD-Signals (blood oxygenation level dependent) bei Patienten mit Hirntumoren in der Literatur häufig kritisch hinterfragt. Dieser Aspekt kann vor allem im klinischen Kontext schwerwiegende Folgen haben, da die Schädigung solcher eloquenter Kortexareale bei der chirurgischen Resektion des Tumors zu einem dauerhaften neurologischen Defizit führen kann. Umso wichtiger erscheint es, den Einfluss des Tumors auf das aufgenommene MRT-Signal anhand von Patientendaten zu untersuchen und so ein besseres Verständnis dieses Prozesses zu gewinnen. Die drei Studien, die im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt wurden, sollen einen Anteil zu diesem übergeordneten Ziel beitragen. Die erste Studie beschäftigte sich mit der Frage, wie sich das Vorliegen eines Hirntumors oder einer raumfordernden Hirnläsion im Okzipitallappen auf die fMRT-Exzentrizitätskartierung des zentralen, mittleren und peripheren Gesichtsfeldes auswirkt. Anhand einer Stichprobe von 19 Patienten (12 Patienten mit Hirntumor und 7 Patienten mit raumfordernder Hirnläsion) und 19 altersangepassten Kontrollprobanden wurde zum ersten Mal die Durchführbarkeit der retinotopen Kartierung zentraler und peripherer Gesichtsfelder bei solchen Patienten untersucht. Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass sowohl bei Patienten mit Hirntumor als auch mit raumfordernder Hirnläsion trotz ihrer Erkrankung die retinotope Organisation des visuellen Kortex erhalten ist, obwohl das Ausmaß der kortikalen Aktivierungen im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe reduziert waren. Darüber hinaus zeigten lokale Region-of-Interest-Analysen, dass die Patienten mit raumfordernden Hirnläsionen höhere Werte in der prozentualen Signalveränderung in der Fissura calcarina aufwiesen als die Tumorpatienten. Diese Werte waren mit denen der Kontrollprobanden vergleichbar. Im Gegensatz dazu zeigten diese Patienten eine deutlich geringere Ausprägung in der Clustergröße der aktivierten Voxel im Vergleich zu den Patienten mit Hirntumor. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass eine raumfordernde Hirnläsion geringere Auswirkungen auf die Höhe des BOLD-Signals, sondern vielmehr auf das Volumen der kortikalen Aktivierung zu haben scheint, während bei Patienten mit Hirntumor das Gegenteil beobachtet wurde. Die zweite Studie verfolgte das Ziel, ein Vorverarbeitungsprotokoll zu erstellen und zu evaluieren, welches die dreidimensionale Rekonstruktion von T1-gewichteten anatomischen Bildern von Patienten mit Glioblastom in FreeSurfer ermöglicht, was bisher aufgrund einer mangelhaften Identifikation und Verarbeitung von pathologischen Veränderungen durch den Tumor zu fehlerbehafteten Ergebnissen geführt hat. Die MRT-Daten von 27 Patienten mit Glioblastom sowie 33 Kontrollprobanden wurden analysiert, um die Durchführbarkeit eines in dieser Studie entwickelten neuen Vorverarbeitungsprotokolls zu evaluieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Modifikation des T1-gewichteten Bildes, bei der vom Tumor betroffene Bereiche durch gesundes Gewebe der kontralateralen Hemisphäre ersetzt wurden, die dreidimensionale Rekonstruktion in FreeSurfer ermöglichte. Dabei unterschieden sich die für die Rekonstruktion benötigte Zeit sowie die Abbruchrate nicht von denen einer gesunden Kontrollgruppe. Vergleiche der Analysen von funktionellen MRT-Daten mit den Ergebnissen, die mit der etablierten SPM12 Software berechnet wurden, weisen darauf hin, dass die volumenbasierte Auswertung vergleichbare Ergebnisse für beide Methoden lieferte. Darüber hinaus zeigte sich, dass der Einfluss der Modifikation des T1-gewichteten Bildes auf die Ergebnisse der funktionellen MRT-Analysen marginal ist. Daraus lässt sich schließen, dass die Modifikation des T1-gewichteten Bildes mit dem hier vorgestellten Vorverarbeitungsprotokoll eine geeignete Herangehensweise ist, um FreeSurfer für die Auswertung von Daten von Patienten mit einem Hirntumor zu nutzen, und gleichzeitig neue Möglichkeiten zur Analyse von Patientendaten bietet. In der dritten Studie lag der Fokus auf der Untersuchung struktureller und funktioneller Unterschiede zwischen von Patienten mit Glioblastom. Anhand des Musters der Kontrastmittelanreicherung wurde eine Stichprobe von insgesamt 97 Patienten in zwei Gruppen aufgeteilt, welche sich in vorherigen Studien als prognostisch relevant erwiesen haben. Dabei ergaben sich strukturelle Unterschiede innerhalb des Tumors zwischen den drei verschiedenen Tumorkompartimenten Nekrose, Kontrastmittelanreicherung und Ödem (Intra-Tumor-Heterogenität), nicht aber zwischen den beiden Patientengruppen mit uniformem und diffusem Tumorwachstumsmuster (Inter-Tumor-Heterogenität). Die Untersuchung der Unterschiede im BOLD-Signal zeigte, dass die Patienten mit einem prognostisch günstigeren uniformen Tumorwachstumsmuster eine höhere prozentuale Signalveränderung in den meisten Regions of Interest sowohl im Sprach- als auch im Motorik-fMRT aufwiesen, diese Unterschiede jedoch statistisch nicht signifikant waren. Bei der Auswertung der Lateralisierung der kortikalen Aktivierung zeigten sich in den Sprach-Paradigmen kaum Unterschiede zwischen den beiden Patientengruppen, während sich in den Motorik-Paradigmen höhere Werte der Lateralisierungsindizes in der prognostisch ungünstigeren Gruppe der Patienten mit diffusem Tumorwachstumsmuster zeigten. Obwohl diese Unterschiede statistisch nicht signifikant waren, deuten sie auf eine stärkere Verschiebung der sonst bilateral ausgeprägten kortikalen Aktivierung in motorisch relevanten Arealen in dieser Gruppe zu einem eher unilateralen Aktivierungsmuster hin. Dies könnte ein Hinweis auf den stärkeren Einfluss des prognostisch ungünstigeren Tumorwachstumsmusters auf die kortikale Aktivierung sein. Hinsichtlich der zudem untersuchten funktionellen Konnektivität zeigten sich nur geringe und meist ausgeglichene und unsystematisch verteilte Unterschiede zwischen den beiden Patientengruppen mit uniformem und diffusem Tumorwachstumsmuster. Insgesamt kann aus den Ergebnissen gefolgert werden, dass auf funktioneller Ebene geringfügige Unterschiede zwischen den beiden Patientengruppen vorhanden zu sein scheinen, die jedoch auf statistischer Ebene nicht signifikant sind. Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse der drei Studien dieser Doktorarbeit, wie wichtig eine kontinuierliche Forschung und Entwicklung neuer Methoden zur Verbesserung der präoperativen Bildgebung bei Patienten mit Hirntumoren ist. Dabei sollte der Fokus auch auf der kritischen Hinterfragung der Validität der erhobenen Daten liegen, um den Nutzen dieser Methoden zu maximieren und gleichzeitig das Risiko von postoperativen Defiziten für die Patienten zu minimieren.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: