Universiẗat, Diss., 2003--Kassel.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die aktuelle Primärliteratur zum Thema Diagnostik der Hypovolämie zu einer Metastudie zusammenzufassen. Darauf aufbauend sollte analysiert werden, ob bereits verlässliche Methoden und Parameter zur Bestimmung des Volumenstatus verfügbar sind. Nach Durchsicht und Analyse der Datenlage zur Diagnostik der Hypovolämie in der aktuellen Primärliteratur im Zeitraum von 1995-2005 zeigte sich, dass die in die Studie eingeschlossenen Arbeiten nicht vergleichbar und nicht als Metastudie zusammenzufassen sind. Gründe hierfür sind die große Heterogenität im Versuchsaufbau, der detaillierten Versuchsdurchführung und der verwendeten Methoden und Parameter zur Bestimmung des Blutvolumens. Die Analyse der Primärliteratur zeigte, dass bisher keine verlässlichen Parameter zur Bestimmung des Blutvolumens und zur frühzeitigen Erkennung einer Hypovolämie existieren. Im klinischen Routinebetrieb erscheint die transpulmonalen Thermodilution (PiCCO) das derzeit sensitivste Verfahren zur Volumenbestimmung zu sein. Auf Grund der mangelnden Spezifität sind Fehleinschätzungen der tatsächlichen Volumensituation auch bei dieser Technik häufig. Die zusätzliche Durchsicht der nach 2005 erschienen Arbeiten machte deutlich, dass die Methoden zur Volumenbestimmung zwar verbessert wurden, trotzdem aber noch etlichen Limitationen unterliegen, die einen verlässlichen Einsatz im klinischen Alltag zur sicheren Bestimmung der Volumenssituation nicht erlauben. Es sind daher weitere experimentelle und klinische Arbeiten auf diesem Gebiet nötig, um verlässliche Parameter und Methoden zur Volumendiagnostik zu schaffen. / The aim of this thesis was to create a meta-analysis by summarizing the primary literature of studies that investigated diagnostic methods to detect hypovolemia. Based on these data, it was tested whether the existing methods and parameters used in the literature are reliable to identify acute blood loss early and sufficiently. Studies in the time range from 1995 to 2005 which investigated diagnostic methods of hypovolemia were analysed. In all these studies a great heterogeneity in experimental setup as well as a large variety of the methods and parameters used for diagnosis of hypovolemia were evident. Therefore, it was not possible to perform a valid metaanalysis from these data. Detailed individual analyses of the data in these studies showed that there are no reliable parameters and methods for early detection of hypovolemia. However, according to the literature the transpulmonary thermodilution (PiCCO) appears to be the most reliable method to estimate blood loss at present. Additional review of the studies beyond 2005 showed that the methods to detect hypovolemia were improved, but still have severe limitations that do not allow reliable and sufficient detection of blood loss in the routine clinical setting. Taken together there is still a need for additional experimental and clinical studies to further improve methods and parameters to reliably estimate the amount of hypovolemia.

This dissertation describes the development, implementation, validation, optimization, and application, of a noninvasive and quantitative method for measuring cerebral blood volume changes with functional magnetic resonance imaging (fMRI) for mapping of neural activity changes. Since its inception over twenty years ago, the field of fMRI has grown in usage, sophistication, range of applications, and impact. Nevertheless it has yet to exploit its full potential regarding, spatiotemporal resolution, signal specificity, and quantifiability of hemodynamic changes. By utilization of a new MR pulse sequence, new concepts of radio frequency pulses, and high magnetic fields (7 T), a novel fMRI method named SS-SI VASO is presented here that overcomes sensitivity limitations of other noninvasive quantitative imaging methods. In order to validate that its signal represents changes in cerebral blood volume without other contaminations, SS-SI VASO is implemented in animal models for a close comparison with established, but invasive methods. A good agreement of blood volume sensitivity has been found with the new method compared to the established ones. After its validation, the SS-SI VASO method and its unprecedented sensitivity was used to localize and quantify hemodynamic changes in applications where conventional oxygenation based fMRI methods are limited. (A) SS-SI VASO was used to investigate biophysical aspects of actively controlled arteries and passive balloon-like veins during activity induced hemodynamic changes. (B) SS-SI VASO was used to provide insights whether the interplay of neural activity and resultant vascular response are the same for tasks that increase neural activity compared to tasks that suppress neural activity. (C) SS-SI VASO was used to calibrate conventional oxygenation based fMRI to quantify local changes in oxygen metabolism. (D) The high sensitivity of SS-SI VASO was further used to obtain sub-millimeter resolutions and estimate activity changes between cortical layers. This enables to address questions not only where the brain is activated but also how and whereby this activity is evoked. The implementation and application of this new SS-SI VASO fMRI method is a major step forward for the field of imaging neuroscience; it demonstrates that the current limitations of fMRI can be even overcome with respect to quantifiability, spatial specificity and distinguishing between vascular and neuronal phenomena.

Die akuten Antwortreaktionen auf Belastung und die langfristigen Anpassungen von Training sind leistungsphysiologisch teilweise gut beschrieben, jedoch noch nicht vollständig verstanden. Aktuell eingesetzte Messverfahren der Leistungsdiagnostik erfassen hauptsächlich die maximale Sauerstoffaufnahme als Bruttokriterium der Ausdauerleistungsfähigkeit und die Laktatkinetik während der Belastungs-untersuchungen zur Ermittlung von Trainingsbereichen. Das Herzzeitvolumen als bedeutende Größe der aeroben Kapazität und die Hämoglobinmasse als Sauerstoffträger werden aktuell nur bei leistungsphysiologischen oder klinischen Forschungsfragen erfasst. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Darstellung, Weiterentwicklung und beispielhafte Anwendung moderner Messverfahren zur Ermittlung der Herzleistung und des Blutvolumens in der Leistungsphysiologie. Aktuelle leistungsphysiologische, klinische und eigene Studienergebnisse werden dazu vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt in der Anwendung der Impedanz-kardiographie unter verschiedenen Belastungsbedingungen und der Einsatz der Kohlenstoffmonoxid-Methode (CO-Methode) zur Messung der Hämoglobinmasse. Systematisches körperliches Training erhöht die maximale aerobe Kapazität. Je nach Trainingsmethode konnten Verbesserungen der Herzleistung, Erhöhungen der Hämoglobinmasse bzw. des Blutvolumens und Anpassungen im Muskelgewebe nachgewiesen werden. Unsere Untersuchungsbefunde zeigen trotz ähnlicher metabolischer Reaktion verschiedene akute kardiopulmonale Antwortreaktionen bei verschiedenen Trainingsformen. Die vorgelegten hämatologischen Perzentilkurven und die modifizierte Dosiertechnik der CO-Methode zeigen das Potenzial für die Anwendung im sportwissenschaftlichen Bereich und bei krankheitsspezifischen Pathologien im Zusammenhang mit Veränderungen der Hämoglobinmasse. Schlussfolgernd sollte die Überführung der bisher bei Forschungsfragestellungen eingesetzten Messverfahren für das Belastungsherzzeitvolumen und der Hämoglobinmasse in die sportmedizinische Praxis erfolgen. In der Sportwissenschaft könnten hämatologische und hämodynamische Referenzwerte die Identifizierung von zentralen oder peripheren Leistungspotentialen ermöglichen und so wesentlich zur weiteren Leistungsentwicklung beitragen. Im Kontext von bewegungstherapeutischen Maßnahmen bei inneren Erkrankungen könnte das Wissen über Veränderungen der Herzleistung, der Hb-Masse und des BVs zudem die Diagnosestellung unterstützen und neue Therapieableitungen anregen.

This dissertation describes the development, implementation, validation, optimization, and application, of a noninvasive and quantitative method for measuring cerebral blood volume changes with functional magnetic resonance imaging (fMRI) for mapping of neural activity changes. Since its inception over twenty years ago, the field of fMRI has grown in usage, sophistication, range of applications, and impact. Nevertheless it has yet to exploit its full potential regarding, spatiotemporal resolution, signal specificity, and quantifiability of hemodynamic changes. By utilization of a new MR pulse sequence, new concepts of radio frequency pulses, and high magnetic fields (7 T), a novel fMRI method named SS-SI VASO is presented here that overcomes sensitivity limitations of other noninvasive quantitative imaging methods. In order to validate that its signal represents changes in cerebral blood volume without other contaminations, SS-SI VASO is implemented in animal models for a close comparison with established, but invasive methods. A good agreement of blood volume sensitivity has been found with the new method compared to the established ones. After its validation, the SS-SI VASO method and its unprecedented sensitivity was used to localize and quantify hemodynamic changes in applications where conventional oxygenation based fMRI methods are limited. (A) SS-SI VASO was used to investigate biophysical aspects of actively controlled arteries and passive balloon-like veins during activity induced hemodynamic changes. (B) SS-SI VASO was used to provide insights whether the interplay of neural activity and resultant vascular response are the same for tasks that increase neural activity compared to tasks that suppress neural activity. (C) SS-SI VASO was used to calibrate conventional oxygenation based fMRI to quantify local changes in oxygen metabolism. (D) The high sensitivity of SS-SI VASO was further used to obtain sub-millimeter resolutions and estimate activity changes between cortical layers. This enables to address questions not only where the brain is activated but also how and whereby this activity is evoked. The implementation and application of this new SS-SI VASO fMRI method is a major step forward for the field of imaging neuroscience; it demonstrates that the current limitations of fMRI can be even overcome with respect to quantifiability, spatial specificity and distinguishing between vascular and neuronal phenomena.

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Zielsetzung In den Industrieländern stellt der Schlaganfall nach kardiovaskulären und Krebs – erkrankungen die dritthäufigste Krankheitsgruppe dar. Im Hinblick auf die Therapie des akuten Schlaganfalls muss die bildgebende Diagnostik schnell und einfach das Ausmaß der zerebralen Ischämie beschreiben können. Ziel dieser Studie war die Einführung und die Validierung eines CT – Protokolls, welches die Diagnostik des akuten Schlaganfalls verbessern soll. Zu diesem CT – Protokoll gehören ein Nativ – CT des Schädels, eine CT – Perfusionsuntersuchung und eine CT – Angiographie. Zusätzlich wollte diese Arbeit herausfinden, ob es physiologische Unterschiede zwischen der grauen Substanz und der weißen Substanz gibt, deren Kenntnis entscheidend für die Auswertung von computertomographischen Perfusionsuntersuchungen sind. Material und Methoden Insgesamt wurden 101 Patienten (Alter von 14 – 94 Jahre, mittleres Alter 69 Jahre) mit einem 8 – bzw. 16 – Zeilen – MSCT (Light Speed Ultra oder Light Speed pro 16, GE Healthcare), die zur Abklärung einer zerebralen Ischämie zum CT vorgestellt wurden, untersucht. Zuerst wurde eine native CT – Serie akquiriert. In der Untersuchung der zerebralen Perfusion wurde eine 2 cm breite Schicht über 60 sec mit 20 intermittierenden Aufnahmen während einer Injektion von 40 ml Kontrastmittel (Iopromid, Jodgehalt von 370 mg) aufgezeichnet. Daran an schloss sich eine CT – Angiographie Untersuchung. Zur Bestimmung des regionalen zerebralen Blutflusses, des regionalen zerebralen Blutvolumens und der mittleren Verweildauer wurden definierte Messfelder (Regions of Interests, ROIs) bestimmt und mit der kontralateralen Hemisphäre verglichen. Ergebnisse Es konnte gezeigt werden, dass der regionale zerebrale Blutfluss und das Blutvolumen im Bereich der Hirnrinde höher sind als im Hirnmark. Insgesamt wurden 66 Patienten mit einer zerebralen Ischämie wurden gefunden. Bei 22 dieser Patienten konnte ein Infarktgeschehen in der Nativ – CT diagnostiziert werden. Diese Ischämien ließen sich auch in der CT – Perfusion mit reduziertem regionalem zerebralem Blutfluss und verlängerter mittlerer Verweildauer nachweisen. Zusätzlich fanden sich 44 Patienten von 101 Untersuchten, die in der CT – Perfusion ein Perfusionsdefizit aufwiesen. Bei diesen Patienten ließ sich kein entsprechendes Korrelat in der Nativ – CT nachweisen. Für 38 dieser 44 Patienten konnte eine CTA durchgeführt werden, wovon für 35 Patienten ein Korrelat zwischen der CT – Perfusion und der CTA gefunden werden konnte. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass es physiologische Unterschiede zwischen der Hirnrinde und dem Hirnmark gibt, deren Kenntnis für die Bewertung computertomographischer Perfusionsuntersuchungen eine wesentliche Interpretationshilfe darstellt. In Bezug auf die Diagnostik des akuten Schlaganfalls mit der Nativ – CT konnte diese Arbeit zeigen, dass der Nachweis von Infarktfrühzeichen eingeschränkt ist. Mit Hilfe der CT – Perfusion ist es möglich, anhand von zerebralen Perfusionswerten den Schweregrad und die Ausdehnung der zerebralen Ischämie zu bestimmen. Die CT – Angiographie zeigt eine gute Korrelation zur CT – Perfusion, es lassen sich zuverlässig Gefäßverschlüsse darstellen. Im Hinblick auf das weitere Therapievorgehen geben diese Methoden eine wichtige Hilfestellung, etwa zur Überlegung, ob man eine Lysetherapie durchführen sollte oder nicht. / Purpose Stroke is the third – leading cause of death in developed countries, following cardiovascular disease and cancer. There is a need for an easily and rapidly performed technique to detect cerebral ischemia in the first hours after its occurrence. The purpose of this study was the introduction and validation of a Stroke protocol which includes an unenhanced CT scan, a CT Perfusion and a CT Angiography. Furthermore, the purpose of this study was to determine if there is a difference between Perfusion parameters in gray and white matter, which are necessary to know while performing perfusion maps. Data and Methodology A total of 101 patients (age range 14 – 94, average age 69 years) were examined using multiple row CT (8 / 16 row multiple detector, light ultra speed or light speed 16, GE medical systems) for diagnosing cerebral ischemia. First a series of native images was acquired. During the examination of cerebral perfusion a 2 cm wide slab was recorded for 60 sec with 20 intermittent scans following injection of 40 ml of contrast medium with an iodine content of 370 mg / ml. By defining Regions of Interests (ROIs) regional cerebral blood flow (CBF), regional cerebral blood volume (CBV) and mean transit time (MTT) were calculated. Results Physiological regional cerebral blood flow and cerebral blood volume in gray matter were higher than in white matter. In total 66 patients with a cerebral ischemia were found. The unenhanced CT detected 22 patients with cerebral ischemia, which were confirmed by CT Perfusion in all cases. These ischemic areas revealed reduced regional CBF and extended MTT. Furthermore an ischemia correlative was discovered by perfusion analysis for 44 patients (out of 101 investigated) where the extent of the cerebral ischemia had not been visible by unenhanced CT. For 38 out of 44 patients with cerebral ischemia we were able to perform a CTA. For 35 out of these 38 patients, we found a sizable correlation between perfusion maps and CTA. Conclusion There are physiological differences for CT Perfusion parameters between gray and white matter, which are necessary to know for the interpretation of perfusion maps. However, this examination was able to show that unenhanced CT is not always capable of showing early CT signs. With the help of CT perfusion it is possible to detect the extent of acute cerebral ischemia. Furthermore, CT Angiography shows a sizable correlation compared to CT Perfusion. In conjunction, these methods give important Information for the early diagnosis and the therapeutic strategy of ischemic brain injury.