Summary
Aim: We demonstrate the heterogeneity of regional cerebral blood flow using a fractal
approach and singlephoton emission computed tomography (SPECT). Method: Tc-99m-labelled ethylcysteine dimer was injected intravenously in 10 healthy controls
and in 10 patients with dementia of frontal lobe type. The head was imaged with a
gamma camera and transaxial, sagittal and coronal slices were reconstructed. Two hundred
fifty-six symmetrical regions of interest (ROIs) were drawn onto each hemisphere of
functioning brain matter. Fractal analysis was used to examine the spatial heterogeneity
of blood flow as a function of the number of ROIs. Results: Relative dispersion (= coefficient of variation of the regional flows) was fractal-like
in healthy subjects and could be characterized by a fractal dimension of 1.17 ± 0.05
(mean ± SD) for the left hemisphere and 1.15 ± 0.04 for the right hemisphere, respectively.
The fractal dimension of 1.0 reflects completely homogeneous blood flow and 1.5 indicates
a random blood flow distribution. Patients with dementia of frontal lobe type had
a significantly lower fractal dimension of 1.04 ± 0.03 than in healthy controls. Conclusion: Within the limits of spatial resolution of SPECT, the heterogeneity of brain blood
flow is well characterized by a fractal dimension. Fractal analysis may help brain
scientists to assess age-, sex- and laterality-related anatomic and physiological
changes of brain blood flow and possibly to improve precision of diagnostic information
available for patient care.
Zusammenfassung
Ziel: Unter Einsatz einer fraktalen Annäherung und SPECT wird die Heterogenität der regionalen
Hirndurchblutung demonstriert. Methode: Tc-99m-ECD wurde nach intravenöser Injektion bei zehn Gesunden sowie bei zehn Patienten
mit Demenz vom Frontallappen-Typ eingesetzt. Aus dem SPECT-Umlauf wurden transaxiale,
sagittale und koronare Schnitte rekonstruiert. 265 symmetrische Regions of Interest
wurden im Gebiet der funktionellen grauen Substanz für jede Hemisphäre markiert. Die
fraktale Analyse wurde eingesetzt zur Bestimmung der räumlichen Heterogenität der
Hirndurchblutung als Funktion der ROI-Anzahl. Ergebnisse: Die relative Streuung (Variationskoeffizient der regionalen Durchblutung) war bei
Gesunden fraktalähnlich geordnet und konnte durch eine Fraktaldimension von 1,17 ±
0,05 (Mittelwert ± Streubreite) für die linke Hemisphäre und von 1,15 ± 0,04 für die
rechte Hemisphäre charakterisiert werden. Dabei entspricht eine Fraktaldimension von
1,0 einer völlig gleichmäßigen Durchblutung, ein Wert von 1,5 zeigt eine vollständig
zufällige Verteilung an. Patienten mit Demenz des Frontallappen-Typs wiesen dagegen
eine signifikant niedrigere fraktale Dimension von 1,04 ± 0,03 auf. Schlußfolgerung: Innerhalb der räumlichen Auflösungsgrenzen von SPECT kann die Heterogenität der Hirndurchblutung
durch eine Fraktaldimension gut charakterisiert werden. Eine fraktale Analyse kann
Hirnforschern bei der Abschätzung von Alters-, Geschlechtsund physiologischen Veränderungen
sowie bei der anatomischen Seitenbetonung der Hirndurchblutung behilflich sein und
möglicherweise auch die Genauigkeit der diagnostischen Information in der Patientenversorgung
verbessern.
Keywords
Cerebral blood flow - dementia - fractal analysis - heterogeneity - SPECT
Schlüsselwörter
Zerebrale Hirndurchblutung - Demenz - fraktale Analyse - Heterogenität - SPECT