Magnetic resonance imaging of muscle structure and function

Hiepe, Patrick GND

Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung und kombinierte Anwendung verschiedener MRT Techniken zur Untersuchung der Struktur und Funktion der humanen Skelettmuskulatur. Insbesondere steht deren Applikation an der Rückenmuskulatur im Vordergrund, um auf Basis dieser Untersuchungen einen Beitrag zur Ursachenforschung des unspezifischen - meist chronifizierten - Rückenschmerzes zu leisten. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Dissertation dezidierte MR-Pulssequenzen und Bildrekonstruktionsverfahren entwickelt, welche unter Verwendung der diffusionsgewichteten MR-Bildgebung (diffusion-weighted imaging, DWI) die 3D-Rekonstruktion der Muskelfaserarchitektur sowie die Quantifizierung der muskulären Vaskularität ermöglichen. Die Erfassung der Faserarchitektur basiert auf der Diffusionstensorbildgebung (diffusion tensor imaging, DTI) - einer Weiterentwicklung der DWI - und wurde am Tiermodell anhand sequentiell durchgeführter in vivo und post mortem Messungen validiert. Anschließend wurde diese Methode in einer Pilotstudie genutzt, um degenerative Veränderungen bei Patienten nach Wirbelsäulenoperation zu erfassen. Im zweiten Schritt dieser Arbeit, wurde ein Messprotokoll zur funktionellen MR-Untersuchung implementiert, welches Messungen vor, während und nach willkürlicher Muskelkontraktion beinhaltet. Dieses Protokoll sieht weiterhin die Applikation einer neuartigen perfusionsensitiven DWI-Sequenz sowie optimierten Sequenzen zur quantitativen T2-gewichteten MR-Bildgebung und ortaufgelösten 31P-MR-Spektroskopie vor, wobei die beiden letztgenannten Techniken es erlauben, komplexe funktionelle Vorgänge, wie beispielsweise die des Energiemetabolismus, unter Einfluss einer Belastungssituation zu untersuchen. Diese funktionellen MR-Messprinzipien werden in der Regel unter dem Begriff muscle functional MRI (mfMRI) subsumiert und ermöglichen die multi-parametrische Erfassung unterschiedlicher funktioneller und struktureller Eigenschaften der Muskelphysiologie. Dies wird in der vorliegenden Arbeit anhand einer gerontologischen Studie demonstriert, wobei die hierbei gewonnenen Ergebnisse Einblick in zahlreiche altersassoziierte Aspekte der Rückenphysiologie geben. Zusammenfassend werden in dieser Dissertation verschiedene Ansätze der MR-Bildgebung und MR-Spektroskopie vorgestellt, die einerseits für grundlagenwissenschaftliche Fragestellungen zum unspezifischen Rückenschmerz, andererseits aber auch in der klinischen Routine zur Untersuchung degenerativer Veränderungen der Skelettmuskulatur herangezogen werden können.

The aim of this work is the implementation and combined application of different MRI-based methods, which facilitate the comprehensive assessment of the skeletal muscle structure and function. Especially, the application of these MRI techniques to human back muscles has been put into focus, which may provide deeper insights into the origin of non-specific - and in most cases chronic - back pain. To this end, dedicated MRI sequences and quantitative image reconstruction approaches were developed in this work, which are based on diffusion-weighted imaging (DWI) and enable the 3D reconstruction of the muscle fiber architecture as well as the assessment of a surrogate measure of the vascular capacity. The MRI-based reconstruction of the fiber architecture relies on diffusion tensor imaging (DTI) - an extension of DWI - and was validated by successive in vivo and post mortem measurements. Afterwards, this method was employed in a pre-clinical pilot study in order to assess surgeryrelated degenerative changes of the back muscles in patients after spinal surgery. In the second step of this work, functional measurements of the human skeletal muscles, which means quantitative measurements prior to, during and after muscular loading, were performed by using a novel perfusion-sensitive DWI sequence as well as optimized sequence protocols of quantitative T2-weighted MRI and spatially resolved 31P-MR spectroscopy. The latter two methods allow the quantification of complex physiological processes, such as of the high-energy metabolism, during the exercise of skeletal muscles, and are often subsumed under the term muscle functional MRI (mfMRI). Combined application of these mfMRI techniques provides multi-parametric evaluation of several structural and functional determinants and, thus, allows comprehensive characterization of the muscle physiology. In order to demonstrate the capabilities of the proposed multi-parametric mfMRI approach, a gerontological study is performed in this work, while the obtained results indicate several age-related aspects of the human back muscle physiology. Overall, this thesis introduces MR imaging and MR spectroscopy techniques, which may, on the one hand, contribute to research of low back pain and, on the other hand, serve as basis of clinical investigations in order to investigate degenerative processes of skeletal muscles.

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Hiepe, Patrick: Magnetic resonance imaging of muscle structure and function. Ilmenau 2017.

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