In-vivo-Flussdynamik des Hirnwassers im Spinalkanal - eine Phasenkontrast-Echtzeit-MRT-Studie
In vivo cerebrospinal fluid flow dynamics within the spinal canal: A real‐time phase‐contrast magnetic resonance imaging study
by Mareen Kathrin Konopka
Date of Examination:2019-10-10
Date of issue:2019-10-10
Advisor:PD Dr. Steffi Dreha-Kulaczewski
Referee:PD Dr. Steffi Dreha-Kulaczewski
Referee:Prof. Dr. Martin Uecker
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7678
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Abstract
English
Cerebrospinal fluid (CSF) flows within the entire central nervous system and is produced by specialized epithelial cells inside the brain ventricles. It protects the brain and spinal cord from mechanical influences and serves, among other things, the metabolism of central nerve cells. Diseases such as a hydrocephalus can disturb CSF circulation and thus alter the flow dynamic of CSF. The mechanisms behind the flow dynamics, however, are not yet fully understood. Recent studies of CSF flow showed quantitatively using real-time phase-contrast magnetic resonance imaging (MRI) during a respiration protocol at intracranial, cervical and upper thoracic positions that respiration, especially inspiration, is the actual motor for CSF movement. In this study flow dynamics of CSF during a respiration protocol was measured quantitatively using real-time phase-contrast MRI in 20 healthy human volunteers along the entire spinal canal without the need for electrocardiogram synchronization. During forced inspiration a continuous upward CSF movement is observed in all positions along the spinal canal from the lumbar region towards the brain. Whereas during the accompanying forced expiration CSF flows downward below the level of the heart, while CSF flow above the heart remains weak and variable in direction. The results reveal a watershed-like pattern of CSF flow dynamics during respiration, dividing the flow behavior at the level of the heart. The influence of respiration on the CSF flow is present along the entire spinal canal and increases relative to the influence of the heart from cranial to caudal, whereas the influence of cardiac frequencies decreases from cranial to caudal along the spinal canal.
Keywords: cerebrospinal fluid; spinal canal; CSF flow dynamics; forced respiration; real-time phase-contrast MRI
German
Das Hirnwasser (Liquor cerebrospinalis) kommt im gesamten zentralen Nervensystem vor und wird von speziellen Epithelzellen in den Hirnkammern produziert. Es schützt Gehirn und Rückenmark vor mechanischen Einwirkungen und dient u. a. dem Stoffwechsel zentraler Nervenzellen. Erkrankungen wie z. B. Hydrozephalus können zu einer Liquorzirkulationsstörung und somit zu einer geänderten Flussdynamik des Hirnwassers führen. Bislang sind die Mechanismen hinter der Flussdynamik noch nicht vollständig verstanden. Quantitative Flussmessungen des Hirnwassers mittels Phasenkontrast-Echtzeit-Magnetresonanztomographie (MRT) während eines Atemprotokolls an intrakraniellen, zervikalen und oberen thorakalen Messpositionen zeigten kürzlich, dass die Atmung, insbesondere die Inspiration, der eigentliche Motor für die Bewegung des Hirnwassers ist. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals systematisch und detailliert die Flussdynamik des Hirnwassers bei 20 gesunden Probanden während eines Atemprotokolls ohne Synchronisation mit dem Herzzyklus mittels nichtinvasiver, flusssensitiver hochaufgelöster Phasenkontrast-Echtzeit-MRT entlang des gesamten Spinalkanals quantitativ untersucht. Mit der forcierten Inspiration fließt das Hirnwasser von der Lumbalregion entlang des gesamten Spinalkanals nach kranial. Während der begleitenden forcierten Exspiration erfolgt der Fluss des Hirnwassers unterhalb des Herzens nach kaudal. Oberhalb des Herzens ist der Fluss gering und in der Richtung variabel. Es ergibt sich der Eindruck einer Wasserscheide mit Scheitelpunkt in Herzhöhe. Der Einfluss der Atmung auf den Fluss des Hirnwassers ist entlang des gesamten Spinalkanals vorhanden und nimmt relativ zum Herzeinfluss von kranial nach kaudal zu, wohingegen der Anteil der kardialen Frequenzen von kranial nach kaudal abnimmt.
Schlagwörter: Hirnwasser; Spinalkanal; Flussdynamik; forcierte Atmung; Phasenkontrast-Echtzeit-MRT
