Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

 Adriano Wang Leandro

 

 Temporal Characterization and Prognostic Value Determination of Severe Spinal Cord Injuries in Paraplegic Dogs Using in vivo Diffusion Tensor Imaging

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109588

title (ger.)

Temporäre Charakterisierung und Bestimmung des prognostischen Wertes von in vivo Diffusion Tensor Imaging beim Rückenmarkstrauma des Hundes

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2016

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/wangleandroa_ws16.pdf

abstract (deutsch)

Rückenmarkstrauma bei Hunden (spinal cord injury, kurz: SCI) ist eine häufig vorkommende und schwerwiegende Erkrankung des zentralen Nervensystems, die zu dauerhaften Schäden der sensorischen, motorischen und viszeralen Fähigkeiten führen kann. SCI bei Hunden wird häufig durch Bandscheibenvorfälle (intervertebral disc herniation, kurz: IVDH), die kontusive und kompressive Kräfte auslösen, verursacht. Diffusion Tensor Imaging (Kurz: DTI) ist eine der Modalitäten der Magnetresonanz, die in vivo nicht-invasive Auswertungen über den Zustand axonaler Fasern erlaubt. Sie kann einerseits die Diffusionsrichtung quantifizieren, was durch den „fractional anisotropy“ (FA) Wert ausgedrückt wird, und andererseits das Diffusionsausmaß mit Hilfe des „apparent diffusion coefficient“ (ADC) Wertes beschreiben.

Das Rückenmarkstrauma bei Hunden ist ein anerkanntes translationales Tiermodell für humane Rückenmarkstraumata, da Pathophysiologie, klinische Symptome und klinische Abklärung bzw. Therapie bei beiden Spezies ähnlich sind.

Die Ziele dieser Studie waren: (1) Machbarkeitsstudie, ob DTI bei akuten, subakuten und chronischen Rückenmarksverletzungen von paraplegischen Hunden im Vergleich zu Kontrolltieren Diffusionsänderungen erkennen lässt, (2) die Beschreibung des zeitlichen Verlaufs der DTI-Metrik bei paraplegischen Hunden mit Wiedererlangen motorischer Funktion nach operativer Dekompression, (3) Vergleich der DTI Werte zwischen der akuten und chronischen Phase des Rückenmarkstraumas, und (4) Bestimmung, ob DTI prä-operativ eine prognostische Aussage bei paraplegischen Hunden mit thorakolumbalen SCI hat.

In einem ersten Teil der These wurden die DTI-Werte von 17 Patienten mit akuten und zwei mit subakuten SCI und sechs Kontrollhunden an zwei verschiedenen Zeitpunkten ausgewertet und verglichen: vor einer operativen Dekompression des Rückenmarks und drei Monate nach dem Wiedererlangen der motorischen Funktionen. Die FA-Werte waren im Epizentrum der Läsion erhöht, die ADC-Werte sowohl im Epizentrum als auch periläsional, kranial und kaudal der Läsion, im Vergleich zu den Kontrolltieren erniedrigt. Dies deutet auf eine Einschränkung der Diffusionsrichtung und des Ausmaßes der Diffusion durch einen kontusiv-kompressiven Prozess hin. Drei Monate nach Wiederherstellung der Funktionen wurden keine Unterschiede mehr zwischen den Gruppen gemessen, was beweist, dass DTI-Messungen eine funktionelle Besserung erkennen lassen.

Im zweiten Teil der These wurden die Werte von 32 paraplegischen Hunden mit akutem SCI, 15 mit chronischem SCI und 6 Kontrolltieren miteinander verglichen und mit den Messungen der Länge der Läsion in konventionellen sagittalen T2-gewichteten Sequenzen (T2W-LER) korreliert. Bei akuten SCI konnte eine Erhöhung der FA-Werte und eine Erniedrigung der ADC-Werte auf Höhe der Läsionsepizentren im Vergleich zu Kontrollwerten gemessen werden. Die FA-Werte von Hunden mit chronischem SCI waren im Vergleich zu den Kontrollwerten erniedrigt, was die Annahme zulässt, dass histologische Veränderungen in der chronischen Phase, die zur Erweiterung der Zwischenräume zwischen den Axonen beitragen, eine isotropische Umgebung für die Diffusion von Wassermolekülen ermöglichen. Außerdem korrelierten die FA-Werte kranial der Läsion bei Hunden mit chronischem Rückenmarkstrauma mit längeren T2W-LER. Eine Wallersche Degeneration und Entwicklung von intramedullären Kavitationen beginnt für gewöhnlich kaudal des Epizentrums der Läsion und betrifft erst zu einem späteren Zeitpunkt kranielle Segmente, wenn es zur Ausdehnung der Läsion gekommen ist.

Im dritten und letzten Teil dieser These wurde überprüft, ob die FA-Werte prognostische Aussagen über eine frühe funktionelle Verbesserung bei paraplegischen Hunden mit IVDH im Vergleich zu T2W-LER und der klinischen Einschätzungen des Tiefenschmerzes ermöglicht. Hierfür wurden 33 paraplegische Hunde mit akutem und zwei mit subakuten SCI prospektiv in die Studie aufgenommen. Alle Hunde wurden einer neurologischen Untersuchung und einer Magnetresonanztomographie mit T2W- und DTI-Sequenzen unterzogen, bevor eine operative Dekompression des Rückenmarkes erfolgte. Post-operativ wurde ein Wiedererlangen der motorischen Fähigkeiten innerhalb von vier Wochen untersucht.  Die post-operative Wiederherstellung der motorischen Funktionen konnte durch Beurteilung des Tiefenschmerzes mit einer Sensitivität von 75% und einer Spezifität von 73.3% vorhergesagt werden. Die T2W-LER-Werte dagegen zeigten keinen signifikanten Unterschied zwischen Hunden mit oder ohne Wiedererlangen der motorischen Funktionen. Somit hat die Messung der T2W-LER keinen prognostischen Wert für ein frühes Auftreten einer Spontanbewegung. Des Weiteren konnte durch gemessene FA-Werte kaudal des Epizentrums der Läsion eine Vorhersage über eine frühe Verbesserung der Motorik mit einer Sensitivität von 80% und einer Spezifität von 55% mit einem Grenzwert von FA>0.066 getroffen werden. Eine prä-operative Messung der DTI-Werte hat somit keinen Mehrwert gegenüber der klinischen Untersuchung des Tiefenschmerzes als prognostisches Werkzeug.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der zeitliche Verlauf und die Charakterisierung von Rückenmarkstraumata erfolgreich durch DTI in einer homogenen Gruppe von Hunden mit akuten und chronischen Rückenmarksschädigungen bewertet werden konnten. Für Entwicklung und Durchführung von neuen Behandlungsstrategien bei Rückenmarksschädigungen stellt DTI eine praktische, nicht-invasive Methode zur therapeutischen Effektkontrolle dar. Klinische Untersuchungsverfahren, die objektive Beurteilungen und Charakterisierungen der sekundären Rückenmarksschädigung und der Entwicklung chronischer Veränderungen darstellen lassen, könnten zur Klärung der Patientenauswahl und einer neuen Behandlungsstrategie beitragen.

abstract (englisch)

Canine spinal cord injury (SCI), a common and devastating neurological disease affecting the central nervous system, can lead to permanent sensorimotor and visceral dysfunction. SCI in dogs is frequently caused by intervertebral disc herniations (IVDH) and is characterized by contusive-compressive forces. Diffusion tensor imaging (DTI), a modality of magnetic resonance imaging (MRI), permits in vivo and non-invasive evaluation of integrity of white matter tracts by quantification of diffusion direction, expressed by fractional anisotropy (FA) values and magnitude, expressed by apparent diffusion coefficient (ADC) values. Canine SCI is a well-recognized large animal translational model for human traumatic SCI, since pathophysiology, clinical signs and clinical approach similarities between both species exist. 

Therefore, the aims of these study were: (1) to prove feasibility of DTI to detect diffusion changes in the acute or chronic injured spinal cord of paraplegic dogs compared to values from control dogs, (2) to describe temporal evolvement of DTI metrics in paraplegic dogs with recovery of motor function after decompressive surgery, (3) to compare values of DTI between acute and chronic stages of SCI, and (4) to determine the pre-operative prognostic value of DTI in paraplegic dogs with thoracolumbar SCI.  

In the first part of this thesis, MRI scans were performed and DTI values compared in a population of 17 dogs with acute and two dogs with subacute IVDH and 6 control dogs at two different time points: before undergoing surgical decompression of the spinal cord and three months after showing motor function recovery (MFR). Increase of FA values were found at the epicentre of the lesion and decrease of ADC values were found at the epicentre of the lesion as well as perilesional in paraplegic dogs compared to controls, indicating a restriction in diffusion direction and magnitude during contusive-compressive SCI. Three months after functional recovery, no differences were found between groups, suggesting an association between DTI metrics and functional recovery.

In the second part, DTI values obtained from the spinal cord of 32 paraplegic dogs with acute SCI, 15 with chronic SCI and 6 control dogs were compared and correlated with measurements of lesion extension in conventional sagittal T2-weighted sequences (T2W-LER). Acute SCI was characterized by an increase of FA values and a decrease of ADC values at the level of the epicentres compared to control values. FA values from dogs with chronic SCI were decreased compared to control values, suggesting that histological features of the chronic stage leading to increased space between axons facilitate a low anisotropic environment for water molecule diffusion. Moreover, values of FA cranially to the lesion epicentre in dogs with chronic SCI correlated with longer T2W-LER, indicating that Wallerian degeneration and cavity formation takes place more commonly caudal to the lesion epicentre and as the lesion expands, cranial segments are affected as well.

In the third and last part of this thesis, FA was evaluated as a pre-operative prognostic tool for short-term functional outcome in paraplegic dogs with IVDH and compared with T2W-LER and clinical assessment of deep pain perception (DPP). Thirty-three paraplegic dogs with acute and two with subacute SCI due to IVDH were prospectively included in the study. All dogs underwent neurological examination and MRI scans with T2W and DTI sequences before surgical decompression of the spinal cord were performed. MFR was monitored post-operatively within 4 weeks. Post-operative MFR was predicted by DPP with a sensitivity of 75% and a specificity of 73.3%. T2W-LER values showed no significant differences between dogs with and without MFR, revealing no prognostic ability for short-term functional recovery. Furthermore, FA values obtained caudally to the lesion epicentre could predict post-operative MFR with 80% sensitivity and 55% specificity using a cut-off value of FA>0.660. Pre-operative DTI displayed no benefits over DPP assessment.

In conclusion, temporal evolvement and characterization of SCI using DTI was successfully evaluated in a relatively homogeneous population of dogs with acute or chronic SCI. With development and implementation of novel treatment strategies for SCI, DTI may represent a practical non-invasive method for therapeutic effect monitoring. Clinical techniques that allow objective assessment and characterization of the effects of the secondary wave injury and its evolvement into chronic injuries may identify the ideal time for patient selection and treatment implementation.

keywords

Canine, MRI, interventebral disc herniation, MRT, Bandscheibenvorfall

kb

2.329