Content area

|
|

Cerebrospinalvæskens flowdynamik og fasekontrast-MR-skanning ved syringomyeli

Forfatter(e)

Thea Overgaard Wichmann1, Michael Pedersen2, Steffen Ringgaard3 & Mikkel Mylius Rasmussen1

1) Cense-Spine, Hjerne- og Rygkirurgi, Aarhus Universitetshospital, 2) Comparative Medicine Lab, Institut for Klinisk Medicin, Health, Aarhus Universitet, 3) MR-Centeret, Institut for Klinisk Medicin, Health, Aarhus Universitet

Ugeskr Læger 2020;182:V12190730

Cerebrospinalvæskens (CSV) flowdynamik er et veludforsket område, men den eksakte mekanisme er ikke fuldstændigt afdækket. Det er velkendt, at CSV-flowet har stor betydning i såvel udviklingen som behandlingen af sygdomme og tilstande i centralnervesystemet (CNS), herunder hydrocefalus, idiopatisk intrakraniel hypertension og syringomyeli [1-3]. Et væld af metoder har muliggjort undersøgelse af CSV-flowet, blandt andet fasekontrast-MR-skanning. Med fasekontrast-MR-skanning er det muligt at visualisere og kvantificere CSV-flowet på en noninvasiv og bivirkningsfri måde. Denne teknik synes derfor at være velegnet til at øge forståelsen af det dynamiske flow og dermed give bedre diagnostik og behandling samt vurdering af den neurokirurgiske behandlingsindikation og behandlingseffekt ved sygdomme som syringomyeli.

Hovedbudskaber

  • Cerebrospinalvæske (CSV)-flow er en kompleks mekanisme.

  • CSV-flow-forstyrrelser har stor betydning i udviklingen og behandlingen af syringomyeli.

  • Fasekontrast-MR-skanning har potentiale til diagnostisk og prognostisk anvendelse samt vurdering af indikationen og effekten af kirurgi ved syringomyeli.

I det følgende redegøres der for de fysiologiske modeller, som danner basis for forståelsen af CSV-flowet. På denne baggrund præsenteres teorien om patofysiologien bag syringomyeli, og fasekontrast-MR-skanning introduceres som et potentielt klinisk diagnostisk redskab til belysning af denne sygdom.

CEREBROSPINALVÆSKENS FLOWDYNAMIK

CSV befinder sig i en dynamisk ligevægt mellem kontinuerlig produktion, cirkulation og absorption. Den dynamiske ligevægt er essentiel for normal neural udvikling og funktion [3-6]. CSV har flere centrale funktioner, herunder hydromekanisk beskyttelse af neuroaksen, opretholdelse af neural homøostase og regulering af neural funktion. Desuden formidler CSV en form for kommunikation mellem hjernen, rygmarven, de perifere nerver, lymfesystemet og blodbanen, hvorfor disse også påvirker den dynamiske ligevægt [3, 5, 6]. Opretholdelse af normal CSV-fysiologi er på den baggrund en betingelse for det komplekse samspil i CNS.

Den klassiske opfattelse af CSV-flowet blev første gang beskrevet i 1532 [7]. Ifølge denne opfattelse produceres CSV af plexus choroideus i hjernens ventrikler, hvorfra væsken når det subaraknoidale rum. I det subaraknoidale rum bevæger væsken sig omkring og op langs rygmarven for at nå hjernens overflade, hvor den via granulationes arachnoideae absorberes over i den venøse cirkulation gennem sinus sagittalis superior. Med denne opfattelse antog man, at CSV-flowet var unidirektionelt kraniokaudalt fra produktionsstedet til absorptionsstedet [8, 9]. Det unidirektionelle flow blev i 1925 betegnet som »den tredje cirkulation« [10].

I 1943 blev den klassiske opfattelse af CSV-flowet udfordret af John E.A. O’Connell som beskrev CSV-flowet som værende betinget af Monro-Kellie-hypotesen [11]. I denne hypotese beskrives kraniet som en rigid og ueftergivelig struktur, der indeholder tre komponenter: hjerne, CSV og blod. Ifølge hypotesen befinder de tre komponenter sig i en dynamisk ligevægt, hvor ændring i en komponent medfører en kompensatorisk og modsatrettet ændring i en eller begge af de øvrige komponenter [12]. Med denne hypotese forlod man den unidirektionelle opfattelse af CSV-flowet til fordel for en unidirektionel og bidirektionel opfattelse. Det var allerede dengang velkendt, at det unidirektionelle cirkulerende flow er betinget af en hydrostatisk trykgradient mellem plexus choroideus og granulationes arachnoideae, hvorimod det bidirektionelle pulserende flow er betinget af hjertets og respirationens cyklus. Det pulserende flow kan ud fra Monro-Kellie-hypotesen forklares ved, at intrakraniel vasodilatation som følge af hjertets systole ekspanderer hjernens parenkym. Herved komprimeres tredje ventrikel, hvilket bevirker, at tredje ventrikel som en pumpe displacerer CSV fra kraniel til kaudal retning. Modsat displaceres CSV i kraniel retning under hjertets diastole. Derudover fremkalder respirationen ændringer i de intratorakale trykforhold, hvilket bevirker, at de torakale og epidurale vener enten dilateres eller kollaberer. Herved displaceres CSV i kraniel retning under inspiration og i kaudal retning under eksspiration [13, 14]. Det pulserende flow består således af to komponenter: dels et flow, der er synkroniseret med hjertets cyklus, dels et flow, der er synkroniseret med respirationens cyklus [14]. Der er ingen konsensus om den relative effekt af de to komponenter på CSV-flowet [15, 16].

Den kraniokaudale udveksling af CSV mellem kraniet og spinalkanalen er mulig i kraft af spinalkanalens eftergivelighed [17]. Pga. anatomiske forskelle varierer flowet i kraniet og spinalkanalen samt langs spinalkanalen med aftagende hastighed i kaudal retning [18-20]. Drivkraften bag flowet varierer ligeledes mellem kraniet og spinalkanalen. Drivkraften bag CSV-flowet i ventriklerne er tredje ventrikel [8], mens det er uvist, hvad drivkraften bag CSV-flowet i det spinale subaraknoidalrum er. Det er foreslået, at den arterielle pulsation, der er betinget af hjertets cyklus, forplanter sig til CSV omkring hjernestammen, hvorimod pulsation af de torakale og epidurale vener, der er betinget af respirationen, forplanter sig til CSV omkring den cervikale rygmarv [21].

Den moderne opfattelse af CSV-flowet, særligt i spinalkanalen, er fortsat ufuldkommen og er en simplificering af en kompleks mekanisme, som består af flere forskellige bevægelser, retninger og anatomiske strukturer med varierende komplians.

T2-vægtet MR-skanningsbillede af en patient med Arnold Chiari-­malformation og syringomyeli.T2-vægtet MR-skanningsbillede af en patient med Arnold Chiari-­malformation og syringomyeli.

SYRINGOMYELI

Syringomyeli er en sjælden, kronisk tilstand med en estimeret prævalens på 8,4 pr. 100.000 [22]. Syringomyeli defineres som dannelse af en cystisk kavitet i rygmarvens parenkym [22- 24]. Den cystiske kavitet kaldes en syrinx og kan udvikles på ethvert segment af rygmarven. Indholdet i en syrinx er fra CSV. Syringomyeli udvikles sekundært til en række sygdomme i og omkring den kraniocervikale overgang og rygmarven. De underliggende sygdomme kan være medfødte (myelomeningocele, Arnold Chiari-malformation, tethered cord) eller erhvervede (hydrocefalus, intradurale tumorer, spinale traumer, inflammation, infektion, spinalstenose) [22]. Fællesnævneren for sygdommene er, at de ved komplet eller partiel obstruktion skaber forstyrrelser i CSV-flowet. Dette er foreslået som den mest plausible patofysiologiske mekanisme. Syrinx kan med tiden progrediere i kraniel, kaudal eller kraniokaudal retning som følge af CSV-flowet i kaviteten [2, 24, 25].

Syringomyeli kan være enten symptomatisk eller asymptomatisk. Symptomatologien varierer med hensyn til kombinationen, intensiteten og varigheden af symptomerne og afhænger af syrinx’ størrelse og beliggenhed. Karakteristisk for syrinx med central vækst er involvering af tractus spinothalamicus med segmentalt tab af smerte- og temperatursans, men bevarelse af berørings- og vibrationssans samt proprioceptiv sans. Endvidere udvikles der hyppigt smerter, paræstesier, motorisk udtrætning og pareser distalt for det involverede rygmarvssegment. Der er beskrevet symptomforværring ved intratorakale trykændringer udløst af Valsalvalignende manøvrer [22]. Diagnosen stilles ved konventionel MR-skanning (Figur 1A) [22]. Syringomyeli diagnosticeres som oftest tilfældigt eller efter symptomudvikling. Når diagnosen er stillet, følges patienterne ambulant med konsekutive skanninger. Behandlingen er medicinsk og kirurgisk ved symptomatisk syringomyeli. Den medicinske behandling er rettet mod symptomerne, mens den kirurgiske behandling er rettet mod den underliggende sygdom. Den kirurgiske behandling sigter mod at korrigere det patofysiologiske CSV-flow ved at fjerne den kausale årsag, f.eks. en tumor. Korrekt behandling kan ofte hindre yderligere progression af symptomerne (Figur 1B). Symptomerne forsvinder dog sjældent trods kirurgisk behandling. Tilstanden er kompleks og varierer fra asymptomatiske til svære progredierende tilfælde. Det er ikke muligt at skelne mellem patienter i høj og lav risiko for udvikling af symptomer og svære progredierende forløb, hvorfor patienter med syringomyeli, diverse cyster og asymptomatisk hydromyeli vil kunne have stor gavn af valideret prædiktiv diagnostik med henblik på risikostratificering [2, 22, 23].

FASEKONTRAST-MR-SKANNING

Den traditionelle opfattelse af CSV-flowet er baseret på invasive undersøgelsesmetoder som lumbalpunktur, neuroendoskopi, intrakraniel trykmåling og cisternografi.

Disse metoder finder fortsat klinisk anvendelse ved bl.a. hydrocefalus. MR-skanning er, modsat de invasive undersøgelsesmetoder, en noninvasiv og bivirkningsfri metode. Fasekontrast-MR-skanning finder primært anvendelse til måling af blodflowet i de store kar, men er efterhånden også blevet standardteknik til noninvasiv undersøgelse af CSV-flowet, da metoden bidrager med både kvalitative og kvantitative data [26]. Metodens kvalitative data finder blandt andet anvendelse i vurderingen af akvæduktstenose, hvor CSV-flowet over stenosen kan visualiseres, og i vurderingen af tredje ventrikulostomi, hvor der endoskopisk etableres en ny passagevej for CSV-flowet gennem tredje ventrikel. Konventionel fasekontrast-MR-skanninger er gråtonede skanningsbilleder, hvor det kaudale CSV-flow vises som højintense pixels, og det kranielle CSV-flow vises som lavintense pixels [26]. For anatomisk lokalisering optages der desuden en konventionel MR-skanning i det sagittale og aksiale plan efterfulgt af fasekontrast-MR-skanningen i tilsvarende planer (Figur 2). Det sagittale plan anvendes til kvalitativ vurdering, mens det aksiale plan anvendes til kvantitativ vurdering [26]. Skanningerne synkroniseres med hjertets cyklus ved elektrokardiogram eller perifer pulsmåling. Synkroniseringen kan være retrospektiv eller prospektiv, men kun ved retrospektiv synkronisering kan hele hjertets cyklus medtages, hvorfor denne metode er optimal [26]. Konventionel fasekontrast-MR-skanning er ikke i realtid, hvorfor effekten af hjertets og respirationens cyklus på CSV-flowet ikke kan undersøges isoleret [14- 16, 27, 28]. Hertil kræves realtidsfasekontrast-MR-kanning [16, 29].

Konventionel fasekontrast-MR-skanning er todimensionelle sekvenser, men firedimensionelle sekvenser er også udviklet, da disse sekvenser giver mere fyldestgørende kvalitativ information om CSV-flowet. Den kliniske applikation af de firedimensionelle sekvenser ses dog endnu ikke [20].

KLINISK APPLIKATION AF FASEKONTRAST-MR-SKANNING VED SYRINGOMYELI

Det er uvist, hvor tærsklen er for, hvornår det patofysiologiske CSV-flow fører til udviklingen af syringomyeli. Det er dermed heller ikke afklaret, hos hvilke asymptomatiske patienter der med tiden vil udvikles progredierende sygdom, når de rette faktorer er til stede. Kvantificering af det fysiologiske og patofysiologiske CSV-flow i det subaraknoidale rum kan opnås ved hjælp af fasekontrast-MR-skanning og kan potentielt danne grundlag for etablering af referenceværdier og dermed risikostratificering af personer, der er disponeret for syringomyeli. Herved kan højrisikopatienter identificeres inden symptomudvikling, hvorimod behandlingen af lavrisikopatienter kan afsluttes uden videre kontrol. Fasekontrastmetoden har også potentiale til brug ved vurdering af effekten af neurokirurgisk intervention. Kvantificering af CSV-flowet inde i syrinx er desuden påvist at være prædiktivt for progression og diagnostisk til differentiering mellem syringomyeli og myelomalaci [26]. Fasekontrast-MR-skanning har således potentiale til diagnostisk og prognostisk anvendelse samt vurdering af behandlingsindikationen og behandlingseffekten ved syringomyeli.

KONKLUSION

Der er et stort potentiale i at belyse CSV-flowet både kvalitativt og kvantitativt ved hjælp af fasekontrast-MR-skanning. I behandlingen af patienter med syringomyeli og sygdomme, der er associerede til CSV-flow, vil man kunne drage stor nytte af et større kendskab til de eksakte mekanismer for flowet.



KORRESPONDANCE: Thea Overgaard Wichmann. E-mail: Thewic@rm.dk
ANTAGET: 22. april 2020
PUBLICERET PÅ UGESKRIFTET.DK: 25. maj 2020
INTERESSEKONFLIKTER: ingen. Forfatternes ICMJE-formularer er tilgængelig sammen med artiklen på Ugeskriftet.dk
LITTERATUR: Findes i artiklen på Ugeskriftet.dk

Reference: 
UgeskrLæger 2020;182:V12190730
Blad nummer: 
Cerebrospinal fluid flow dynamics and the potential of phase-contrast MRI in syringomyelia

Thea Overgaard Wichmann, Michael Pedersen, Steffen Ringgaard & Mikkel Mylius Rasmussen

Ugeskr Læger 2020;182:V12190730

Cerebrospinal fluid flow dynamics are not fully understood. However, it is well known, that flow dynamics play a crucial role in development and treatment of a wide variety of diseases in the central nervous system, among them, syringomyelia. Hence, in-depth knowledge of the mechanisms underlying flow dynamics is of great interest to improve diagnostics, prognostics, and to assess treatment efficacy. In this review we argue, that phase-contrast MRI may have these attributes, as it introduces detailed non-invasive qualitative and quantitative information on cerebrospinal fluid flow dynamics.

Litteratur

  1. Filis AK, Aghayev K, Vrionis FD. Cerebrospinal fluid and hydrocephalus: physiology, diagnosis, and treatment. Cancer Control 2017;24:6-8.

  2. Heiss JD, Patronas N, DeVroom HL et al. Elucidating the pathophysiology of syringomyelia. J Neurosurg 1999;91:553-62.

  3. Johanson CE, Duncan JA, Klinge PM et al. Multiplicity of cerebrospinal fluid functions: new challenges in health and disease. Cerebrospinal Fluid Res 2008;5:1-32.

  4. Khasawneh A, Garling R, Harris C. Cerebrospinal fluid circulation: what do we know and how do we know it? Brain Circ 2018;4:8-14.

  5. Sakka L, Coll G, Chazal J. Anatomy and physiology of cerebrospinal fluid. Eur Ann Otorhinolaryngol Head Neck Dis 2011;128:309-16.

  6. Shapey J, Toma A, Saeed SR. Physiology of cerebrospinal fluid circulation. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg 2019;27:326-33.

  7. Delaidelli A, Moiraghi A. Respiration: a new mechanism for CSF circulation? J Neurosci 2017;37:7076-8.

  8. Takizawa K, Mattsumae M, Hayashi N et al. The choroid plexus of the lateral ventricle as the origin of CSF pulsation is questionable. Neurol Med Chir (Tokyo) 2018;58:23-31.

  9. Spector R, Keep RF, Robert Snodgrass S et al. A balanced view of choroid plexus structure and function: focus on adult humans. Exp Neurol 2015;267:78-86.

  10. Spector R, Robert Snodgrass S, Johanson CE. A balanced view of the cerebrospinal fluid composition and functions: Focus on adult humans. Exp Neurol 2015;273:57-68.

  11. O’Connell J. The vascular factor in intracranial pressure and the maintenance of the cerebrospinal fluid circulation. Brain 1943;66:204-28.

  12. Paldino M, Mogilner AY, Tenner MS. Intracranial hypotension syndrome: a comprehensive review. Neurosurg Focus 2003;15:1-8.

  13. Yamada S, Miyazaki M, Yamashita Y et al. Influence of respiration on cerebrospinal fluid movement using magnetic resonance spin labeling. Fluids Barriers CNS 2013;10:1-7.

  14. Aktas G, Kollmeier JM, Joseph AA et al. Spinal CSF flow in response to forced thoracic and abdominal respiration. Fluids Barriers CNS 2019;16:1-8.

  15. Takizawa K, Matsumae M, Sunohara S et al. Characterization of cardiac and respiratory-driven cerebrospinal fluid motion based on asynchronous phase-contrast magnetic resonance imaging in volunteers. Fluids Barriers CNS 2017;14:1-8.

  16. Yildiz S, Thyagaraj S, Jin N et al. Quantifying the influence of respiration and cardiac pulsations on cerebrospinal fluid dynamics using real-time phase-contrast MRI. J Magn Reson Imaging 2017;46:431-9.

  17. Sweetman B, Linninger AA. Cerebrospinal fluid flow dynamics in the central nervous system. Ann Biomed Eng 2011;39:484-96.

  18. Haughton V, Mardal KA. Spinal fluid biomechanics and imaging: an update for neuroradiologists. Am J Neuroradiol 2014;35:1864-9.

  19. Levy LM, Di Chiro G. MR phase imaging and cerebrospinal fluid flow in the head and spine. Neuroradiology 1990;32:399-406.

  20. Bunck AC, Kröger JR, Jüttner A et al. Magnetic resonance 4D flow characteristics of cerebrospinal fluid at the craniocervical junction and the cervical spinal canal. Eur Radiol 2011;21:1788-96.

  21. Matsumae M, Kuroda K, Yatsushiro S et al. Changing the currently held concept of cerebrospinal fluid dynamics based on shared findings of cerebrospinal fluid motion in the cranial cavity using various types of magnetic resonance imaging techniques. Neurol Med Chir (Tokyo) 2019;59:133-46.

  22. Vandertop WP. Syringomyelia. Neuropediatrics 2014;45:3–9.

  23. Klekamp J. How Should Syringomyelia be Defined and Diagnosed? World Neurosurg 2018;111:729–45.

  24. Blegvad C, Grotenhuis JA, Juhler M. Syringomyelia: a practical, clinical concept for classification. Acta Neurochir (Wien) 2014;156:2127-38.

  25. Heiss JD, Jarvis K, Smith RK et al. Origin of syrinx fluid in syringomyelia : a physiological study. Neurosurgery 2019;84:457-68.

  26. Battal B, Kocaoglu M, Bulakbasi N et al. Cerebrospinal fluid flow imaging by using phase-contrast MR technique. Br J Radiol 2011;84:758-65.

  27. Dreha-Kulaczewski S, Joseph AA, Merboldt KD et al. Identification of the upward movement of human CSF in vivo and its relation to the brain venous system. J Neurosci 2017;37:2395-402.

  28. Dreha-Kulaczewski S, Joseph AA, Merboldt KD et al. Inspiration is the major regulator of human CSF flow. J Neurosci 2015;35:2485-91.

  29. Takizawa K, Matsumae M, Sunohara S et al. Characterization of cardiac and respiratory-driven cerebrospinal fluid motion based on asynchronous phase-contrast magnetic resonance imaging in volunteers. Fluids Barriers CNS 2017;14:25.

Right side

af Sarah Wåhlin-Jacobsen | 12/08
2 kommentarer
af Sebastian von Huth | 09/08
2 kommentarer
af Philippe Adam Grandjean | 08/08
5 kommentarer
af Rune Jacobsen | 06/08
5 kommentarer
af Anna Sofie Bech | 02/08
4 kommentarer
af Lars Bønløkke | 01/08
13 kommentarer
af Henrik Ib Nielsen | 01/08
2 kommentarer
af Jamila Stephanie Hussein Eriksen | 01/08
2 kommentarer