Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Einsatz von Fiber tracking in der Darstellung des kaninen Rückenmarks

Hobert, Marc Karlheinz

Intervertebral disk disease (IVDD) is one of the most common neurologic problems in dogs with an incidence of up to 2% of the dogs’ population. To date, magnetic resonance imaging (MRI) is considered to be the most sensitive diagnostic tool to assess the diagnosis of IVDD. Moreover, findings of MRI such as the occurrence of a hyperintensity in T2-weighted images and its extent might give indications to establish a reliable prognosis. In human medicine, diffusion tensor imaging (DTI) is a widely used technique for the evaluation of the fiber integrity in the brain and spinal cord. In veterinary medicine reports about the use of DTI are rare.   The first part of this study therefore aimed at establishing the technique of fiber tracking for the dog. Thirteen dogs with healthy spinal cords were included in the study and DTI was performed subsequently to the standard MRI protocol using a 3.0T magnetic resonance scanner. In all dogs the spinal cord could be visualized in a 3D reconstruction. Spinal cord fibers were depicted in blue color due to the mainly craniocaudal diffusion direction of the water molecules. Morevoer, the dorsal and ventral nerve roots could be visualized by a slight modification in the maximum angle variation from 27° to 45° and were colored in green and red due to their main water diffusion (dorsoventral and right-left direction, respectively). DTI measurements of three defined regions of interest (ROIs) on the spinal cord enabled the calculation of data for the fractional anisotropy (FA) that provides information about diffusion direction and the apparent diffusion coefficient (ADC) as a means for the diffusion strength. Data were evaluated for the 13 dogs of different breeds and ages for cervical and thoracolumbar spinal cord. No statistically significant difference was detected for the different breeds, ages and spinal cord segments and therefore the data for FA and ADC were pooled each. For FA a mean of 0.447 (x) and for the ADC a value of 0.560 x10-3mm2/s (x) was assessed. In this part of the study quantifiable values were established that can serve as reference values for comparative studies in dogs with spinal cord diseases.   In the second part of the study fiber tracking was applied to dogs with spinal cord injury after IVDD. Twenty dogs with IVDD and different severity of neurological signs were included in the study. Evaluation of the data assessed showed a decrease in FA in the dogs with IVDD compared to the healthy control dogs whereas the ADC was increased. These effects however, did not reach the level of significance. With further differentiation of the results for the ROIs a significant decrease of the FA in the spinal cord segment caudal to the IVDD was detected compared to the segment cranial to the IVDD and at the IVDD epicenter. A decreased FA can account for various pathological features in the spinal cord such as mechanical disruption of spinal cord fibers or myelin sheaths, demyelination, liquefaction, hemorrhage and and local extracellular edema preventing the free movement of water diffusion. Interestingly, the FA decrease in the segment caudal to the IVDD was more distinct in dogs with severe neurological deficits potentially reflecting the ongoing damage in the spinal cord. The ADC only showed a slight tendency for decreased values in the dogs with IVDD compared to the healthy controls that denotes for cytotoxic edema characterized by intracellular water inflow consequently leading to cell lysis. Evaluation of the fiber architecture in the spinal cord visualized alterations in the color accounting for disturbances in water molecule diffusion along axonal bundles and therefore indicating disruption of the fiber integrity. This finding correlated with the functional outcome as dogs with fiber ruptures did not show neurological improvement.   Fiber tracking enables the reconstruction of spinal cord axonal bundles and offers the acquisition of quantitative data to objectively assess fiber integrity. Prospective studies with a larger cohort of dogs with IVDD and follow-up studies using DTI have to be performed to elucidate whether FT can be used as a prognostic indicator for functional recovery in dogs with IVDD.

Bandscheibenvorfälle (BSV) sind mit einer Häufigkeit von bis zu 2% in der Gesamtpopulation eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen beim Hund. Die Magnetresonanztomo­graphie (MRT) ist derzeit die am besten geeignete bildgebende Technik zur Diagnosestellung des BSV. Die Befunde der MRT, wie das Vorhandensein und die Ausmaße einer Hyperintensität in der T2-gewichteten Sequenz können zudem Hinweise auf die Prognose geben. In der Humanmedizin ist das diffusion tensor imaging (DTI) eine häufig eingesetzte Technik zur Untersuchung der Integrität von Gehirn- und Rückenmarksfasern. In der Veterinärmedizin gibt es bisher kaum Berichte über den Einsatz dieser Technik.   In einer ersten Studie sollte daher die Technik des Fiber tracking (FT) auf den Hund übertragen werden. Dazu wurden 13 Hunde mit gesundem Rückenmark in einem MRT mit einer Feldstärke von 3.0 Tesla gescannt und die DTI-Sequenz im Anschluss an das klinische MRT-Standardprotokoll durchgeführt. Bei allen Hunden war das Rückenmark in einer dreidimensionalen Rekonstruktion plastisch darstellbar. Die Rückenmarksfasern wurden aufgrund der kraniokaudalen Hauptdiffusionsrichtung der Wassermoleküle in blauer Farbe dargestellt. Darüber hinaus konnten mit einer Modifikation der maximalen Winkelabweichung von 27° auf 45° auch die dorsale und ventrale Nervenwurzel dargestellt werden, die sich aufgrund der abweichenden Diffusionsrichtung grün (dorsoventrale Richtung) bzw. rot (rechts-links-Richtung) darstellten. Zudem wurden auf Basis der DTI-Messungen an drei Regions of Interest (ROIs) Daten für die fraktionale Anisotropie (FA) und den apparent diffusion coefficient (ADC) für rückenmarksgesunde Hunde unterschiedlicher Rassen und Altersklassen im Bereich des zervikalen und thorakolumbalen Rückenmarks erhoben. Es konnte kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den Werten der unterschiedlichen Rückenmarks­segmente, sowie Größen und Altersklassen der Hunde erhoben werden. Daher wurden die Daten der gesunden Hunde zu Mittelwerten zusammengefasst. Für die FA wurde ein Wert von 0,447 (x) und für die ADC ein Wert von 0.560 x10-3mm2/s (x) ermittelt. Mit dieser ersten Studie der vorliegenden Arbeit wurden somit quantifizierbare Referenzwerte für das physiologische kanine Rückenmark etabliert, die zu Vergleichsstudien bei Hunden mit Rückenmarkserkrankungen herangezogen werden können.   In der zweiten Studie wurde das Fiber tracking auf Hunde mit Rückenmarkstraumata nach BSV angewendet. Insgesamt wurden 20 Hunde mit BSV unterschiedlichen neurologischen Schweregrades in die Studie aufgenommen. Die Auswertung der Daten zeigte, dass Hunde mit BSV niedrigere FA-Werte im Vergleich zu den Referenzwerten gesunder Hunde aufwiesen, während die ADC-Werte erhöht waren. Diese Unterschiede erreichten jedoch, vermutlich aufgrund der niedrigen Anzahl bzw. der heterogenen Patientenpopulation, nicht das Signifikanzlevel. Bei weiterer Differenzierung der Werte für die einzelnen ROIs wurde eine signifikante Erniedrigung der FA-Werte im Rückenmarkssegment kaudal des BSV im Vergleich zu den Rückenmarkssegmenten vor dem BSV und im BSV-Epicenter detektiert. Eine Erniedrigung der FA kann für unterschiedliche Pathologien im Rückenmark, wie mechanische Zerreißung der Rückenmarksfasern oder Myelinscheiden, Demyelinisierung, Verflüssigung, Blutung und extrazelluläres Ödem, das die Diffusion der Wassermoleküle behindert, sprechen. Interessanterweise zeigte die FA bei Hunden mit hochgradigeren neurologischen Defiziten einen deutlicheren Abfall der Werte, was auf schwerwiegendere pathologische Befunde im Rückenmark hinweisen könnte. Die ADC zeigte nur eine leichte Tendenz für niedrigere Werte bei Hunden mit BSV im Vergleich zu den gesunden Kontrolltieren, was für das Vorliegen eines zytotoxischen Ödems spricht. Die Evaluierung der Faserarchitektur im Rückenmark ließ Abweichungen in der Farbcodierung erkennen, was auf Störungen in der Diffusion und somit der Faserintegrität hindeutet und korrelierte mit dem funktionellen Outcome, da Hunde, bei denen Faserzerreißungen detektiert wurden, keine neurologische Besserung zeigten.   Fiber tracking kann beim Hund zur Evaluierung des Rückenmarks angewendet werden und bietet die Möglichkeit, quantitative Daten für eine objektive Beurteilung der Faserintegrität zu erheben. Prospektive Studien und Verlaufsstudien an einem größeren Patientenmaterial müssen klären, inwiefern FT als prognostischer Indikator für das funktionelle Outcome von Hunden mit BSV genutzt werden kann.

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Hobert, Marc Karlheinz: Einsatz von Fiber tracking in der Darstellung des kaninen Rückenmarks. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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