Improvements of Magnetic Resonance Imaging techniques for clinical diagnosis in cerebrovascular disease

Abstract

Introduction Cerebrovascular disease is a terrible medical and economic burden. Current diagnostic methods for cerebrovascular disease provide limited diagnostic information leading to low numbers of treated patients. Thus, we targeted diagnostic improvements in three subprojects, where improvements are warranted. Subproject 1: to develop quantitative MRI-biomarkers for the allocation of patients with acute stroke to the thrombolysis time window, Subproject 2: to increase the diagnostic accuracy of new MRI-based contrast- agent free perfusion methods, i.e. Arterial Spin Labeling (ASL), in chronic steno-occlusive disease and subproject 3: to develop new angiography methods at 7 Tesla MRI to improve stenosis detection and to replace invasive digital subtraction angiography (DSA) of patients with steno-occlusive disease. Methods In subproject 1, a retrospective analysis of a bicentric database was performed. Quantitative imaging values were analyzed in regression models and the allocation of patients to the thrombolysis time window was evaluated by ROC-curve analysis. In subproject 2, a prospective imaging study including patients with steno-occlusive disease was established and performed. The performance of ASL vs. standard MRI perfusion methods was analyzed with qualitative and quantitative methods. In subproject 3, a new magnetic resonance angiography technique at 7.0 Tesla was validated against standard MRI methods and gold-standard DSA. Results In seven publications, we could provide significant diagnostic benefits for each predefined imaging target. In subproject 1, we established a quantitative image-driven model, which allocated patients to the thrombolysis time window with unprecedented accuracy (2 publications). In subproject 2, we validated a highly reliable contrast- agent free perfusion method for patients with steno-occlusive disease (3 publications). In subproject 3, our new 7.0 Tesla angiography method performed better than standard MRI angiography and was able to replace gold standard DSA angiography in the pre-surgical workup of Moya-Moya-patients (2 publications). Conclusion The results of the present thesis provide significant advancements for MRI-based diagnosis in cerebrovascular disease. A direct benefit for patients can be anticipated in the diagnosis of acute stroke and for the assessment of perfusion status and vessel status in patients with steno- occlusive disease, especially Moya-Moya-disease.

Einleitung Zerebrovaskuläre Erkrankungen sind eine große Belastung für Patienten und Gesundheitssysteme. Aktuelle Diagnosestrategien in zerebrovaskulären Erkrankungen gewähren nur limitierte diagnostische Information, was zu einer geringen Zahl von optimal behandelten Patienten führt. In der hier präsentierten Doktorarbeit wurden daher drei imaging- basierte Zielgrößen definiert, bei deren Diagnose methodische Verbesserungen notwendig sind. Unser Ziel war in Subprojekt 1: Neue quantitative MRT- Biomarker für die Zuordnung von Patienten mit akutem Hirninfarkt zum Thrombolysezeitfenster zu entwickeln; in Subprojekt 2: die diagnostische Wertigkeit von konstrastmittelfreien MRT-Perfusionsbildgebungstechniken (Arterial Spin Labeling [ASL]) für die Darstellung von Steno-okklusionen zu verbessern und in Subprojekt 3: eine neuartige Angiographie-Technik für die Darstellung von Steno-okklusionen bei einer Feldstärke von 7 Tesla im Vergleich zum Gold-Standard digitale Subtraktionsangiographie zu validieren. Methoden In Subprojekt 1 führten wir eine retrospektive Analyse einer bizentrischen Datenbank durch. Quantitative Werte wurden fortgeschrittenen Regressionsmodellen zugeführt und die Zuordnung zum Thrombolysezeitfenster mittels ROC-Kurven-Analyse ermittelt. In Subprojekt 2 wurden Patienten mit Steno-Okklusionen der Hirngefäße in eine prospektive Imaging-Studie eingeschlossen. Die Wertigkeit von neuartigen ASL-Techniken im Vergleich zur Standard-MRT-Perfusionsbildgebung wurde quantitativ und visuell ermittelt. In Subprojekt 3 wurde eine neuartige Angiographiemethode bei 7.0 Tesla mit dem klinischen MRT-Standard und dem Goldstandard DSA visuell verglichen. Ergebnisse In insgesamt sieben Veröffentlichungen konnten wir signifikante Verbesserungen für jede vordefinierte diagnostische Zielgröße erreichen. In Subprojekt 1 konnten wir ein Bilddaten-basierendes Modell validieren, welches Patienten mit bisher unerreichter Genauigkeit dem Thrombolysezeitfenster zuordnen kann (2 Publikationen). In Subprojekt 2 konnten eine neuartige ASL- Sequenz mit hoher diagnostischer Zuverlässigkeit für die Bildgebung bei zerebro-vaskulären Erkrankungen validieren (3 Publikationen). In Subprojekt 3 schließlich konnten wir in 2 Veröffentlichungen zeigen, dass die neue 7.0 Tesla Angiographie-Methode Gefäßveränderungen zuverlässiger zeigen kann als das jetzige klinische Standardverfahren und in Moya-Moya-Patienten Gefäßveränderungen gleichwertig zum Gold-Standard DSA darstellen konnte. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit führten zu signifikanten Verbesserungen der Diagnostik bei zerebrovaskulären Erkrankungen gegenüber den aktuell verfügbaren diagnostischen Möglichkeiten. Es kann erwartet werden, dass ein direkter diagnostischer Vorteil für die Behandlung von Patienten mit akutem Schlaganfall und chronischen Gefäßprozessen entstehen wird.