Assessment of morphological and functional properties of the genitourinary system using high resolution MRI

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung und Darstellbarkeit einzelner Kompartimente des Urogenitaltrakts mittels hochaufgelöster Magnetresonanztomografie (MRT). Im Kontext der Schließmuskelregeneration wurde mit Hilfe der MRT der urethrale Schließmuskel eines Tiermodells visualisiert, wodurch im zeitlichen Verlauf die Lokalisierung und Anpassungsfähigkeit des Muskelgewebes nach Injektion von markierten Stammzellen untersucht werden konnte. Hierfür wurde eine robuste, sensitive und nicht-invasive Methode angewendet, um ein essentielles Verständnis der biologischen Effekte im Sphinkter zu erhalten und somit neue zellbasierte Therapien zu entwickeln. Zur Untersuchung weiterer Kompartimente des Urogenitaltrakts wurden die renalen Strukturen Cortex, Medulla und Pelvis ohne die Verwendung von Kontrastmittel anhand hochauflösender MR-Methoden im Probanden evaluiert. Unter Zuhilfenahme optimierter MR-Sequenzen konnten die einzelnen Kompartimente klar strukturiert und durch einen selbstentwickelten automatischen Algorithmus segmentiert werden. Im Vergleich zur manuellen Segmentierung zeigten die berechneten Koeffizienten eine hohe Übereinstimmung zur automatischen Segmentierung der gesamten Nierenregion. Zusätzlich wurde durch den vorgestellten Algorithmus sowohl die Medulla als auch das Nierenbecken automatisch segmentiert. Bisher sind keine Ansätze aus der Literatur bekannt, die das Nierenbecken aus nativen MR-Bildern segmentierten und evaluierten. Die Kombination aus optimierten MR-Bildern, Bildregistrierung und automatischer Segmentierung liefert zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse der Volumenbestimmung der gesamten Niere und der renalen Strukturen ohne Zuhilfenahme von Kontrastmittel. Bei einer möglichen Übertragung des entwickelten Algorithmus in die klinische Routine eröffnen sich neue nicht-invasive Möglichkeiten zur Bewertung und Überwachung morphologischer Veränderungen. Zur weiteren Anwendung wurden die segmentierten Areale auf entzerrungskorrigierte funktionelle Diffusionsdatensätze überlagert, um eine regionenbasierte Darstellung der fraktionellen Anisotropie (FA) und der mittleren Diffusivität (MD) zu erhalten. Die Durchführung der Verzerrungskorrektur wurde anhand der „reversed gradient“ Methode verwirklicht. Die erfolgreiche Verzerrungskorrektur konnte durch einen Vergleich der manuellen Segmentierung der MD Karten und den automatisch generierten Masken aus den Anatomiedatensätzen dargelegt werden. Die manuelle Segmentierung ist sehr zeitaufwändig und auf Grund der unscharfen Außenkontur der Niere in den MD Karten äußerst schwierig zu realisieren. Daher erbringt die Fusion von hochaufgelösten, anatomisch segmentierten Masken mit verzerrungskorrigierten funktionellen Daten Vorteile für eine zuverlässige Auswertung. Die berechneten funktionellen Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit Literaturwerten. Lediglich verringerte medullare FA-Werte sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die bisherigen Bewertungsmethoden nur Regionen aus den hellsten Bereichen der funktionellen Bilder mit einbezogen haben. Ein weiterer Vorteil des entwickelten Algorithmus ist somit eine schichtweise Quantifizierung der gesamten Nierenstrukturen, wobei lokale Nierenerkrankungen, wie Zysten oder eine partielle Nekrose, durch eine erweiterte Segmentierung mit in die Beurteilung einbezogen werden können. Die Verhältnisse der Volumina innerhalb der Niere, unter Berücksichtigung der Funktionalität der einzelnen Regionen, ermöglichen nun weitere Erkenntnisse in der Nierendiagnostik.