Bedeutung der Atmung für die Dynamik des Liquor- und Venensystems – eine in-vivo Echtzeit-Phasenkontrast-MRT-Studie
Impact of respiration on the dynamics of the CSF and venous systems - an in vivo real-time phase contrast MRI study
by Lukas Enes Gürbüz-Reiß
Date of Examination:2024-06-13
Date of issue:2024-06-05
Advisor:PD Dr. Steffi Dreha-Kulaczewski
Referee:Prof. Dr. Christian Riedel
Referee:Prof. Dr. Ralf Dressel
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10517
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Abstract
English
CSF circulation disorders are still poorly understood. Studies indicate a connection to functional disorders of the venous system. Recently, respiration has been identified as the main driving force of the CSF system. The aim of this study was to investigate the interaction between the CSF and venous system during normal and forced breathing. Sixteen healthy volunteers were asked to perform a breathing protocol of normal (spontaneous) and forced breathing, while CSF and venous flows were analyzed using real-time phase-contrast MRI. The following target structures were defined: Aqueductus mesencephali, V. jugularis intera, V. cava inferior as well as subarachnoid spaces and epidural veins at the level of the third cervical and third lumbar vertebrae, respectively. During normal breathing, a low-amplitude, cardiac modulated flow pattern predominated. Forced breathing resulted in modulations in the CSF and venous system. A significant change in the average volume flow was observed in all target structures with the exception of the blood flow in the epidural veins. Forced breathing induced a correlation of the flow signals of both systems, with a negative correlation between CSF and venous flow in the large vessels. A frequency analysis demonstrated a shift in the flow signal frequencies towards the predetermined breathing frequency in the CSF and venous system. Respiration could be identified as the driving mechanism for CSF flow as well as for blood flow in the large veins. A respiratory coupling mechanism is demonstrated by the induction of negative correlation between CSF and venous flow of the large veins by forced breathing. The frequency analysis illustrates the dominance of respiration as a driving mechanism and a respiration-induced coupling of both systems. The findings may contribute to a better pathophysiological understanding of CSF circulation disorders and support the development of new therapeutic options.
Keywords: CSF; cerebrospinal fluid; CSF flow; cerebral aqueduct; epidural space; spinal canal; venous flow; epidural veins; jugular vein; vena cava; flow pattern; flow dynamics; spontaneous breathing; forced breathing; real‐time phase contrast MRI
German
Liquorzirkulationsstörungen sind pathophysiologisch unzureichend verstanden. Studien weisen zunehmend auf einen Zusammenhang zu Funktionsstörungen des Venensystems hin. Jüngst konnte die Atmung als Hauptantriebskraft des Liquorsystems ausgemacht werden. Ziel dieser Arbeit war die Interaktion zwischen Liquor- und Venensystem während normaler und forcierter Atmung zu untersuchen. Es wurden 16 gesunde Probanden angehalten ein Atemprotokoll aus normaler (spontaner) und forcierter Atmung durchzuführen, während Liquor- und Venenflüsse mittels Echtzeit-Phasenkontrast-MRT untersucht wurden. Als Zielstrukturen wurden folgende definiert: Aquäduktus mesencephali, V. jugularis intera, V. cava inferior sowie Subarachnoidalräume und Epiduralvenen auf Höhe des dritten Hals- bzw. dritten Lendenwirbelkörpers. Während normaler Atmung überwog ein niedrigamplitudiges, kardial moduliertes Flussbild. Durch forcierte Atmung zeigten sich Modulationen im Liquor- und Venensystem. Eine signifikante Änderung des durchschnittlichen Volumenstroms in allen Zielstrukturen mit Ausnahme des Blutflusses der Epiduralvenen war zu beobachten. Forcierte Atmung induzierte eine Korrelation der Flusssignale beider Systeme, wobei eine negative Korrelation zwischen Liquor- und Venenfluss in den großen Gefäßen festzustellen war. Eine Frequenzanalyse demonstrierte eine Verschiebung der Flusssignalfrequenzen hin zur vorgegebenen Atemfrequenz im Liquor- und Venensystem. Atmung konnte als Antriebsmechanismus für den Liquorfluss sowie für den Blutfluss der großen Venen ausgemacht werden. Ein respiratorischer Kopplungsmechanismus wird durch die Induktion negativer Korrelation zwischen Liquor- und Venenfluss der großen Venen durch forcierte Atmung dargelegt. Die Frequenzanalyse veranschaulicht die Dominanz der Atmung als Antriebsmechanismus und eine ateminduzierte Kopplung beider Systeme. Die gewonnenen Erkenntnisse können zu einem besseren pathophysiologischen Verständnis von Liquorzirkulationsstörungen beitragen und die Entwicklung neuer Therapieoptionen unterstützen.
Schlagwörter: Liquor; Liquorfluss; Aquaeductus mesencephali; Epiduralraum; Spinalkanal; Venenfluss; Epiduralvenen; Vena jugularis; Vena cava; Flussprofil; Flussdynamik; Spontanatmung; forcierte Atmung; Echtzeit-Phasenkontrast-MRT
