In vivo-Studie zur Flussdynamik von Hirnwasser in Kindern und Jugendlichen mit Liquorzirkulationsstörungen – erste klinische Anwendung von Echtzeit- Phasenkontrast-MRT

In vivo study on the flow dynamics of cerebrospinal fluid in children and adolescents with cerebrospinal fluid circulation disorders - first clinical application of real-time phase contrast MRI

by Ben Ellebracht
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-01-17
Date of issue:2025-01-07
Advisor:PD Dr. Steffi Dreha-Kulaczewski
Referee:Prof. Dr. Hans-Christoph Ludwig
Referee:Prof. Dr. Ralf Dressel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10961

 

 

Files in this item

Name:In vivo-Studie zur Flussdynamik von Hirnwass...pdf
Size:4.40Mb
Format:PDF

This file will be freely accessible after 2025-02-14.

Abstract

English

In recent years, the use of real-time phase-contrast MRI has led to an enormous increase in knowledge regarding the flow dynamics of cerebrospinal fluid (CSF). Decades of prevailing doctrine, which assumed a unilateral flow of CSF from the cerebral ventricles into the subarachnoid space (bulk-flow theory), have been called into question by the identification of respiration as the main driver of a cranially directed CSF flow. The method also offers the possibility of a more precise investigation of cerebrospinal fluid circulation disorders that were previously only incompletely understood and that already manifest themselves in childhood. In this study, for the first time, in-vivo measurements of CSF and blood flow were performed in children and adolescents with CSF circulation disorders using flow-sensitive real-time phase-contrast MRI and the results of the flow measurements were compared with those of healthy children and adolescents. The measurements were performed in the pre- and postoperative course after a neurosurgical procedure. Quantitative flow and frequency measurements were performed in 3 patients with hydrocephalus, 4 patients with spinal pathologies and partially resulting syringomyelia and 13 healthy children and adolescents. The region-of-interest flow measurements were placed at different locations in the inner and outer CSF spaces depending on the underlying pathology. Due to the high temporal and spatial resolution and independence from physiological gating, the flow measurements could be performed and analyzed taking into account several physiological factors, especially respiration. Contrary to the bulk-flow theory, cranial CSF flow in the cervical subarachnoid space and in the aqueductus mesencepahli could also be detected in children and adolescents for the first time. CSF flows in a cranial direction both in the examined patient group and in healthy children and adolescents, especially during forced breathing. In addition to the heartbeat, breathing had a measurable influence on the flow of CSF. At the same time, a direct influence of respiration on the venous, spinal blood flow could also be demonstrated and quantitatively measured in the patient and volunteer groups. Postoperative changes in CSF flow dynamics were measurable in all patients. The results show that disease- and patient-specific changes in the flow dynamics in the outer and inner CSF spaces occur after the neurosurgical procedures performed, which can be detected and quantified by real-time phase-contrast MRI. In this study, these changes did not correlate with a clinical improvement in symptoms in all cases. With regard to possible pathophysiological explanations, a significantly increased CSF flow in the mesencephalic aqueduct was detected, particularly in the patients with communicating hydrocephalus. Compared to the volunteer group, the flow was twice as high 67 The hyperdynamic bilateral CSF flow, which was measured twice as high as in the volunteer group, offers possible explanations beyond the still widespread doctrines. The insights gained into the dynamics of CSF and blood flow in healthy subjects as well as in children and adolescents with CSF circulation disorders may provide new insights into possible pathophysiological explanations in the future and form the basis for the development of personalized therapy methods.
Keywords: CSF; Real-time-MRI; Hydrocephalus; Syringomyelia

German

Durch den Einsatz von Echtzeit-Phasenkontrast-MRT konnte in den letzten Jahren ein enormer Zuwachs an Wissen hinsichtlich der Flussdynamik von Liquor-cerebrospinalis (CSF) gewonnen werden. Jahrzehntelange vorherrschende Lehrmeinungen, die von einem unilateralen Fluss von CSF aus den Hirnventrikeln bis in den Subarachnoidalraum ausgingen (bulk-flow-Theorie), wurden durch die Identifizierung der Atmung als wesentlicher Antrieb eines kranial gerichteten CSF-Flusses in Frage gestellt. Ebenfalls bietet die Methode die Möglichkeit zur genaueren Untersuchung von bisher nur unvollständig verstandenen Liquorzirkulationsstörungen, welche sich bereits im Kindesalter manifestieren. In dieser Arbeit wurden erstmalig in-vivo Messungen von CSF- sowie Blutfluss in Kindern und Jugendlichen mit Liquorzirkulationsstörungen unter Zuhilfenahme von flusssensitiven Echtzeit-Phasenkontrast-MRT durchgeführt und die Ergebnisse der Flussmessungen, mit denen von gesunden Kindern und Jugendlichen verglichen. Die Messungen wurden im prä- und postoperativen Verlauf nach einem neurochirurgischen Eingriff durchgeführt. Es erfolgten quantitative Fluss- und Frequenzmessungen in 3 Patienten mit dem Krankheitsbild des Hydrozephalus, 4 Patienten mit spinalen Pathologien und teilweise resultierender Syringomyelie sowie 13 gesunden Kindern und Jugendlichen. Die region-of-interest der Flussmessungen wurden abhängig von der zugrundeliegenden Pathologie an verschiedenen Stellen der inneren und äußeren Liquorräume platziert. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Auflösung und Unabhängigkeit von physiologischen-gating konnten die Flussmessungen unter Rücksichtnahme mehrerer physiologischer Faktoren, insbesondere der Atmung, durchgeführt und ausgewertet werden. Gegensätzlich zur bulk-flow-Theorie, konnte erstmals auch in Kindern und Jugendlichen ein kranialer CSF-Fluss im zervikalen-Subarachnoidalraum sowie im Aqueductus mesencepahli nachgewiesen werden. CSF fließt sowohl in der untersuchten Patientengruppe als auch in gesunden Kindern und Jugendlichen, vor allem während forcierter Atmung, in kranialer Richtung. Die Atmung hatte neben dem Herzschlag einen messbaren Einfluss auf den Fluss von CSF. Zeitgleich konnte ebenfalls ein direkter Einfluss der Respiration auf den venösen, spinalen-Blutfluss in Patienten- und Probanden-Gruppe nachgewiesen und quantitativ gemessen werden. In allen Patienten waren postoperativ Änderungen der Flussdynamik von CSF messbar. Die Ergebnisse zeigen, dass es nach den durchgeführten neurochirurgischen Eingriffen zu Krankheits- und Patienten spezifischen Veränderungen der Flussdynamik in den äußeren und inneren Liquorräumen kommt, welche sich durch Echtzeit-Phasenkontrast-MRT nachweisen und quantifizieren lassen. Diese Veränderungen korrelierten in dieser Studie nicht in allen Fällen mit einer klinischen Besserung der Symptomatik. Hinsichtlich möglicher pathophysiologischer Erklärungsansätze ließen sich vor allem in den Patienten mit kommunizierendem Hydrozephalus ein deutlich erhöhter CSF-Fluss im Aqueductus mesencephali nachweisen. Der im Vergleich zur Probanden-Gruppe doppelt so hoch 67 gemessene, hyperdynamische bilaterale CSF-Fluss bietet mögliche Erklärungsansätze abseits von den weiterhin verbreiteten Lehrmeinungen. Die gewonnen Erkenntnisse zur Dynamik von CSF- und Blutfluss in gesunden Probanden sowie in Kindern- und Jugendlichen mit Liquorzirkulationsstörungen kann in der Zukunft neue Erkenntnisse hinsichtlich möglicher pathophysiologischer Erklärungsansätze bieten und die Basis für die Entwicklung personalisierter Therapieverfahren darstellen.
Schlagwörter: CSF; Real-time-MRT; Hydrozephalus; Syringomyelie