Visual Rating of T2’-Blood-Oxygen-Level-Dependent Magnetic Resonance Imaging in Acute Stroke Patients - a Pilot Study

Zusammenfassung

Ziel: Die Abgrenzung des gefährdeten, aber noch nicht untergegangenen Gewebes (Penumbra) ist nach wie vor eine große Herausforderung in der Schlaganfallbildgebung. Die metabolische Charakterisierung der Penumbra könnte durch die Anwendung des Blood-oxygen-level-dependent (BOLD) imaging erreicht werden. Material und Methoden: Wir analysierten MRT-Daten von 20 Patienten, die innerhalb der ersten 6 Stunden nach Symptombeginn sowie in einer Kontrolluntersuchung nach 5 - 8 Tagen untersucht wurden. Das Protokoll bestand neben anderen Sequenzen aus einer konventionellen diffusionsgewichteten Sequenz (DWI) mit Berechnung des Apparent diffusion coefficient (ADC) und quantitativen T2- und T2*-Sequenzen (qT2 und qT2*). BOLD-Parameterkarten (T2’) wurden hieraus mit der Formel 1/T2’ = 1/qT2* - 1/qT2 berechtet. Die T2’-BOLD-Läsionen wurden von zwei unabhängigen geblindeten Observern evaluiert. Ergebnisse: In der ersten Sitzung wurde die Läsionsseite von den vollständig geblindeten Observern 1 und 2 bei 80/50 % richtig erkannt, falsch eingeschätzt bei 5/40 % und als nicht sichtbar bei 15/10 % der Patienten gewertet. In Kenntnis der Läsionsseite wurde die Sichtbarkeit gewertet in 45/45 % als gut, in 35/40 % als ausreichend und in 20/15 % als nicht ausreichend für diagnostische Zwecke. Die Sensitivität für späteres Infarktwachstum war 0,88 (95 %-Konfidenzintervall, KI 0,47 - 0,99), Spezifität war 0,33 (95 % KI 0,07 - 0,70), der positive prädiktive Wert war 0,54 (95 % KI 0,25 - 0,81), und der negative prädiktive Wert 0,75 (95 % KI 0,19 - 0,99). Die Odds Ratio für ein späteres Läsionswachstum war 3,5 (95 % KI 0,20 - 115,53). Schlussfolgerung: Hypointense Läsionen in der T2’-BOLD-Bildgebung, meist größer als die Läsion in der DWI, waren bei der Mehrzahl der Schlaganfallpatienten sichtbar. Die bisherigen Ergebnisse machen eine größere Untersuchung des Zusammenhangs dieser T2’-BOLD-Läsionen mit einem späteren Infarktwachstum aussichtsreich.

Abstract

Purpose: Delineation of brain tissue that is at risk but not yet infarcted (penumbra) continues to be a major challenge for stroke imaging. Metabolic characterization of the penumbra might be able to be achieved using blood-oxygen-level-dependent (BOLD) imaging. Materials and Methods: We analyzed MRI data from 20 patients within the first 6 hours after stroke onset and after 5 - 8 days. Among other sequences, the MRI protocol consisted of diffusion-weighted (DWI/ADC = apparent diffusion coefficient) and quantitative T2 and T2* imaging (qT2, qT2*). BOLD images (T2’) were calculated using 1/T2’ = 1/qT2* - 1/qT2. BOLD lesions were rated by two blinded observers. Results: Based on the primary blinded reading of the BOLD images, the lesion side was rated correctly by observers 1 and 2 in 80/50 % of the cases, incorrectly in 5/40 % of the cases, and rated as not visible in 15/10 % of the cases. After unblinding the observers, the visibility was rated in 45/45 % of the cases as good, in 35/40 % of the cases as reasonable, and in 20/15 % of the cases as insufficient for diagnostic purposes. The sensitivity for subsequent infarct growth was 0.88 (95 % confidence interval, CI 0.47 to 0.99), the specificity was 0.33 (95 % CI 0.07 to 0.70), the positive predictive value (PPV) was 0.54 (95 % CI 0.25 to 0.81), and the negative predictive value (NPV) was 0.75 (95 % CI 0.19 to 0.99). The odds ratio for subsequent infarct growth was 3.5 (95 % CI 0.20 to 115.53). Conclusion: Hypointense lesions in BOLD imaging were visible and exceeded the lesion in diffusion-weighted imaging in most of the stroke patients. The encouraging results justify further testing of the hypothesis that BOLD lesions, when larger than DWI lesions, are associated with infarct growth from initial DWI to final infarct.

Key words

ischemia/infarction - CNS - brain - MR imaging - MR diffusion/perfusion

References

• 1 Astrup J, Siesjö B. L. S. Thresholds in cerebral ischemia: The ischemic penumbra.  Stroke. 1981;  12 723-725
• 2 Baron J C. Perfusion thresholds in human cerebral ischemia: historical perspective and therapeutic implications.  Cerebrovasc Dis. 2001;  11 2-8
• 3 Fiehler J, Kucinski T, Zeumer H. Schlaganfall-MRT: Pathophysiologie, Penumbra und Perspektiven (Stroke MRI: pathophysiology, potential and perspectives).  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 313-323
• 4 Ogawa S, Menon R S, Tank D W. et al . Functional brain mapping by blood oxygenation level-dependent contrast magnetic resonance imaging. A comparison of signal characteristics with a biophysical model.  Biophys J. 1993;  64 803-812
• 5 Ziyeh S, Rick J, Weber J. et al . BOLD-Kontrast-MRT und zerebrovaskuläre Reservekapazität: Technische Note und Fallbericht.  Klinische Neuroradiologie. 2004;  14 211-215
• 6 Lee J M, Vo K D, An H. et al . Magnetic resonance cerebral metabolic rate of oxygen utilization in hyperacute stroke patients.  Ann Neurol. 2003;  53 227-232
• 7 Gröhn O H, Kettunen M I, Penttonen M. et al . Graded reduction of cerebral blood flow in rat as detected by the nuclear magnetic resonance relaxation time T2: a theoretical and experimental approach.  J Cereb Blood Flow Metab. 2000;  20 316-326
• 8 Kucinski T, Naumann D, Knab R. et al . Tissue at risk is overestimated in perfusion-weighted imaging: MRI in acute stroke patients without vessel recanalization.  AJNR Am J Neuroradiol. 2005;  26 815-819
• 9 Fiehler J, Knudsen K, Kucinski T. et al . Predictors of Apparent Diffusion Coefficient Normalization in Stroke Patients.  Stroke. 2004;  35 514-519
• 10 Zaitsev M, Hennig J, Speck O. Point spread function mapping with parallel imaging techniques and high acceleration factors: fast, robust, and flexible method for echo-planar imaging distortion correction.  Mag Reson Med. 2004;  52 1156-1166
• 11 Dahnke H, Schaeffter T. Accurate T2* Quantification with Susceptibility Correction at 3.0 T.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 Heft 4, April 2005, Abstract, 3rd International Symposium Highfield MR in Clinical Applications Bonn 17th - 18th, September 2004
• 12 Schild H. Klinische Hochfeld-MRT (Clinical highfield MR).  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 621-631
• 13 Giesel F, Wustenberg T, Bongers A. et al . MR-based methods of the functional imaging of the central nervous system.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 714-730
• 14 Kucinski T, Goebell E, Höltje J. et al . Real-time assessment of lesion growth with acute stroke MRI by neuroradiology on-call staff.  Neuroradiology. 2004;  46 S1-S192 (Abstract 155)
• 15 Baron J C. Mapping the ischaemic penumbra with PET: a new approach.  Brain. 2001;  124 2-4
• 16 Geisler B, Brandhoff F, Fiehler J. et al . Blood-oxygen-level-dependent MRI allows metabolic description of tissue at risk in acute stroke patients.  Stroke. 2006;  37 1778-1784
• 17 An H, Lin W, Celik A. et al . Quantitative measurements of cerebral metabolic rate of oxygen utilization using MRI: a volunteer study.  NMR Biomed. 2001;  14 441-447