Exploring novel magnetic resonance imaging markers for ischemic stroke in the application of vessel size imaging and amide proton transfer imaging

Abstract

An important focus of imaging research in the ischemic stroke is the differentiation of the ischemic penumbra from the infarct core and the normal tissue. The aim of this work was to develop and study four novel imaging markers for characterization of the ischemic penumbra by employing two modern magnetic resonance imaging (MRI) techniques: vessel size imaging and amide proton transfer (APT) imaging. The estimation of the microvessel density and the mean vessel size, represented as Q and vessel size index (VSI), respectively, was available in vessel size imaging to characterize the morphological properties of microvasculature. As the first study to apply vessel size imaging in acute stroke patients, our work found the reduced Q and increased VSI in the ischemic tissue of 75 patients examined within 24 hours from symptom onset. The Q showed a trend to identify the severity of ischemia in 23 patients with longitudinal follow-up scans. During the study of vessel size imaging, we observed that dynamic changes in the transverse relaxation rates measured by the gradient echo and the spin echo formed a loop, rather than a reversible line as expected in the modelling for estimating the VSI. The shape of the loop and the direction of its passage differentiated between healthy brain and pathological tissue, such as tumour and ischemic tissue. By simulating the MRI signal in a vascular tree model of microvasculature, the direction of the loop was found to be influenced mainly by the arterial and venous blood composition, as well as dispersion of the contrast agent. we proposed a marker to characterize the direction and shape of the loop. Its hyperintensities were observed in the ischemic tissue and the tumour. It might be considered as a novel imaging marker for characterizing the pathology of cerebrovascular network. The APT imaging provides an in vivo estimation of the pH value. However, its clinical application has been limited, since it requires multiple scans with an off-resonance saturation, which leads to a long measurement time and a high energy exposure to patients. In this work, we designed a sequence integrated a field-map measurement in the reference scan and introduced a turbo factor to accelerate the data acquisition during the pulse off-duty time after the saturation. This technique was applied to two stroke patients to enable the pH-weighted amide proton transfer ratio (APTR) mapping for the first time in clinical stroke studies. Preliminary hypointensities of the APTR in the ischemic tissue and the acute infarction suggested that the ischemic acidosis in the tissue may indicate the fate of infarction.

Bei der Erforschung des ischämischen Hirninfarktes ist die Differenzierung der ischämischen Penumbra von Infarktkern und angrenzendem gesunden Gewebe von besonderer Relevanz. Mit dem Ziel neue Marker für die Charakterisierung der ischämischen Penumbra zu entwickeln, wurden in dieser Doktorarbeit moderne Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT) angewandt; Vessel-Size-Imaging und Amide-Proton-Transfer-Imaging. Vessel-Size-Imaging ermöglicht die Charakterisierung der Mikrogefäßmorphologie anhand der Mikrogefäßdichte (Q) und der durchschnittlichen Gefäßgröße (VSI). Diese Methode wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals bei akuten Schlaganfallpatienten angewandt (n=75). Innerhalb der ersten vierundzwanzig Stunden nach Einsetzen der Symptome konnte ein reduzierter Q-Wert, sowie wie eine Erhöhung des VSI-Wertes im ischämischen Gewebe nachgewiesen werden. In einer Längsschnittmessung von 23 Patienten zeigte sich ein deutlicher Trend, der den Q-Wert als potentiellen Indikator für den Schweregrad der Ischämie ausweist. Des Weiteren wurde beobachtet, dass die mit Gradienten- und Spinecho gemessenen dynamischen Änderungen der transversalen Relaxationsrate schleifenförmig statt reversibel linear verlaufen, wie es aus der Modellierung des VSI zu erwarten war. Die Schleifenform und die Verlaufsrichtung unterschieden sich zwischen gesundem und pathologischem, wie z.B. Tumor- oder ischämischem, Gewebe. Anhand einer Simulation des MRT-Signals in einem Mikroblutgefäßmodel konnte gezeigt werden, dass die Verlaufsrichtung der Schleife hauptsächlich von arteriellem und venösem Blutvolumen, sowie der Verteilung des Kontrastmittels beeinflusst wird. Um Form und Verlauf der Schleife zu bewerten, wurde ein Marker entwickelt, welcher die erzeugte Hyperintensität in Tumor- und ischämischem Gewebe ausnutzt. Dieser neuartige Marker kann in bildgebenden Verfahren verwendet werden, um die Pathologie des zerebrovaskulären Netzwerks zu beschreiben. Das Amid-Proton-Transfer-Imaging (APT) erlaubt die Abschätzung des pH-Wertes in vivo. Bislang waren die klinischen Anwendungsmöglichkeiten auf Grund langer Messzeiten mit hoher Belastung für die Patienten begrenzt. In dieser Arbeit haben wir eine Sequenz entwickelt, welche eine beschleunigte Datenerhebung ermöglicht. Somit konnte die Messung des pH-gewichteten Amid- Proton-Transfer-Verhältniswertes (APTR) erstmals bei Schlaganfallpatienten angewandt werden. Die gemessenen Hypointensitäten des APTR im ischämischen Gewebe und dem akuten Infarkt bestätigten, dass die ischämische Azidose dem finalen Infarkt entspricht.