Contrast Media in Time-Resolved MRA at 3T: A Systematic Quantitative and Qualitative Analysis of Concentration and Dose Effects on Image Parameters in Minipigs

Widmung

Diese Arbeit widmen wir unserem langjährigen Chef, dem Ordinarius der Radiologischen Universitätsklinik Bonn, Herrn Professor Dr. Hans Heinz Schild, der seit dem 1.2.1993 die Geschicke der Klinik in jeder Hinsicht verantwortungsvoll und weitsichtig geführt hat und dem alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in fachlicher, wissenschaftlicher und persönlicher Weise sehr viel zu verdanken haben. Dies gilt vor allem für uns als verantwortliche Erst- und Letztautoren. Dafür ein herzliches Dankeschön!

Abstract

Purpose Quantitative and qualitative analysis of gadopentetate dimeglumine (GD) versus standard-dose (sGb) and half-dose (hGb) gadobutrol in thoracoabdominal time-resolved contrast-enhanced magnetic resonance angiography (4D-MRA) with dynamic computed tomography (dCT) as the quantitative reference in minipigs.

Materials and Methods 7 anesthetized Goettingen minipigs received thoracoabdominal dCT (0.37 s rotation time) and transverse 4D-MRA (0.3 s/dynamic frame;) using sGb and hGb. 8 other minipigs received coronal 4D-MRA (1.3 s/dynamic frame; sGb, hGb, SGD). dCT attenuation levels were converted into absolute gadolinium concentrations and compared to 4D-MRA peak signal intensities (SI). Bolus lengths were quantified by full width at half maximum (FWHM) measurements. After this comparison of dose effects on SI in transverse 4D-MRA, coronal 4D-MRAs were analyzed regarding both quantitative and qualitative parameters.

Results In dCT (transverse 4D-MRA) hGb showed 39.0 % (14.5 %) lower arterial peak gadolinium concentrations (peak SIs) and 20.6 % (33.8 %) shorter FWHM compared to sGb. The difference was due to peak plateaus or reversals in 4D-MRA in 5/7 animals. While sGb led to the highest peak SIs, image quality ratings of arteries were rated similarly high with all contrast agent protocols despite a slightly higher SI with sGb. In contrast, venous peak SIs and image quality ratings were significantly higher when using sGb.

Conclusion Peak Gd concentrations and 4D-MRA peak SIs are highest with sGB. These differences are most evident in the venous phase leading to superior image quality in multi-phase 4D-MRA.

Key Points: 

• Standard-dose gadobutrol offers high vascular gadolinium concentrations and 4D-MRA peak signals.

• Absolute vascular gadolinium concentrations and 4D-MRA peak signal intensities at 3 T diverge.

• Peak plateaus or reversals cause decreased arterial 4D-MRA peak signals at 3 T.

• Arterial image quality is rated similarly high using different contrast agent protocols.

• Venous vessel visibility in 4D-MRA is significantly better using standard dose gadobutrol.

Citation Format

• Hadizadeh DR, Keil VC, Jost G et al. Contrast Media in Time-Resolved MRA at 3T: A Systematic Quantitative and Qualitative Analysis of Concentration and Dose Effects on Image Parameters in Minipigs. Fortschr Röntgenstr 2018; 190: 747 – 757

Zusammenfassung

Ziel Quantitative und qualitative Analyse von Gadopentetat Dimeglumin (GD) im Vergleich zu Gadobutrol in Standarddosierung (sGb) oder mit halber Dosis (hGb) in der thorakoabdominellen zeitlich-hochaufgelösten Kontrastmittel-verstärkten Magnetresonanz Angiographie (4D-MRA) mit der dynamischen Computertomografie (dCT) als quantitativen Referenzstandard in Minischweinen.

Material und Methoden 7 anästhesierte Göttinger Minischweine erhielten thorakoabdominelle dCT- (0,37 s Rotationszeit) und 4D-MRA-Untersuchungen (0,3 s/dynamischer Phase; transversal) jeweils nach Gabe von sGb und hGb. 8 andere Minischweine erhielten koronare 4D-MRA-Untersuchungen (1,3 s/dynamischer Phase; sGb, hGb, GSD). Die dCT-Schwächung Opazifität wurde in absolute Gadolinium-Konzentrationen konvertiert und zu maximalen 4D-MRA Signalintensitäts-(SI)-Spitzen verglichen. Die Bolusbreite wurde anhand der Breite des Bolus bei halber Kurvenhöhe (FWHM) quantifiziert. Die koronaren 4D-MRA-Untersuchungen dienten sowohl quantitativen als auch qualitativen Bildanalysen. Nach diesem Vergleich der Dosiseffekte auf die SI in der transversalen 4D-MRA wurden die koronaren 4D-MRA anhand quantitativer und qualitativer Parameter analysiert.

Ergebnisse In der dCT (bzw. transversalen 4D-MRA) zeigte sich nach Gabe von hGb im Vergleich zu sGb eine um 39,0 % (bzw. 14,5 %) niedrigere maximale arterielle Gadolinium-Konzentration (bzw. Spitzensignal) und ein um 20,6 % (bzw. 33,8 %) kürzeres FWHM. Die Differenz zwischen dCT und 4D-MRA ergab sich aus Plateaus oder Umkehrungen der Signalspitzen in der 4D-MRA bei 5/7 Tieren. Während unter Gabe von sGb quantitativ jeweils die höchsten Signalspitzen erreicht wurden, wurde die Bildqualität der Arterien mit allen drei Kontrastmittelapplikationen ähnlich gut bewertet, trotz quantitativ etwas höherer SI unter Gabe von sGb. Hingegen wurde die Bildqualität bei der Abbildung venöser Gefäße nach sGb-Gabe signifikant höher bewertet.

Schlussfolgerung Spitzen-Gadolinium-Konzentrationen und 4D-MRA SI-Spitzen sind nach sGb-Applikation am höchsten. Diese Unterschiede sind insbesondere in der venösen Phase der 4D-MRA evident und führen zu einer überlegenen Bildqualität in der Mehrphasen-4D-MRA.

Kernaussagen: 

• Gadobutrol in der Standarddosis erzeugt die höchsten vaskulären Gadolinium-Konzentrationen und 4D-MRA-Signalintensitätsspitzen.

• Absolute vaskuläre Gadolinium-Konzentrationen und 4D-MRA-Signalintensitätsspitzen divergieren bei 3 T in der arteriellen Bildphase.

• Plateaus oder Signalumkehrungen führen zu reduzierten arteriellen 4D-MRA-Signalintensitätspitzen bei 3 T.

• Die arterielle Bildqualität wird mit den unterschiedlichen Kontrastmittelprotokollen ähnlich hoch bewertet.

• Die venöse Gefäßbeurteilbarkeit der 4D-MRA ist mit Gadobutrol in Standarddosis signifikant besser.

Key words

contrast agents - gadobutrol - experimental animal model - magnetic resonance angiography - gadopentetate dimeglumine

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