Validierung der nicht-dekonvolierten PWI Parameterkarten zur Optimierung der Penumbradetektion im akuten ischämischen Schlaganfall: ein Vergleich mittels quantitativer 15O-H2O, 15O-O2 und 15O-CO PET

Abstract

Als „Penumbra“ wird Gewebe bezeichnet, welches durch einen ischämischen Schlaganfall bis zum Funktionsverlust minderperfundiert, aber noch strukturell erhalten ist. Damit ist die Schädigung des Penumbragewebes potentiell reversibel. Die Penumbra kann in Form eines „Mismatches“ zwischen perfusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (PWI) und diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (DWI) sichtbar gemacht werden. Dies bietet die Möglichkeit, eine Therapieentscheidung (Lyse und/oder Thrombektomie) anhand des Gewebevolumens, welches noch zu retten ist, nach Ablauf des jeweiligen Zeitfensters für den Schlaganfallpatienten zu fällen. Dafür ist die korrekte Detektion der Penumbra essentiell. Jedoch ist der optimale Grenzwert für die Detektion des oberen Penumbrarandes, welcher oligämisches Gewebe von Penumbragewebe abgrenzt, in der Perfusions-Bildgebung noch nicht endgültig validiert. Ziel dieser Arbeit ist daher die Validierung aller etablierten nicht-dekonvolierten PWI-Parameter hinsichtlich ihrer korrekten Identifikation des optimalen oberen Penumbragrenzwertes. Methoden: Bei 10 Patienten im akuten und subakuten ischämischen Schlaganfall wurden innerhalb von 48h nach Auftreten der Symptomatik konsekutiv eine perfusionsgewichtete Magnetresonanz-tomographie (MRT) zur Messung der PWI-Perfusionsparameter sowie eine 15O-Positronen-Emissions-Tomographie (PET) zur Messung des zerebralen Blutflusses (CBF), zerebrales Blutvolumens (CBV), der Sauerstoff Extraktionsfraktion (OEF) und des zerebralen Sauerstoffumsatzes (CMRO2) durchgeführt. Es wurden alle nicht-dekonvolierten PWI-Parameter mittels 15O-PET, dem „Goldstandard“ für die Penumbradetektion im ischämischen Schlaganfall, validiert. Die Genauigkeit der Penumbradetektion und der optimale Grenzwert des oberen Penumbrarandes wurde für jeden nicht-dekonvolierten PWI-Parameter mittels voxelbasierter Receiver-Operating-Characteristic (ROC)-Kurvenanalyse bestimmt. Ergebnisse: Die PWI-Parameter „time to peak“ (TTP) und „first moment without delay correction“ (FM ohne DC) eigneten sich signifikant besser für die Penumbradetektion als andere nicht-dekonvolierte PWI-Parameter mit einer Area under the curve (AUC) für TTP von 0,83 und einer AUC für FM without DC von 0,81. Der optimale obere Penumbragrenzwert lag bei TTP >3,8s. Schlussfolgerungen: Die nicht-dekonvolierten PWI-Parameter TTP und FM without DC eignen sich hervorragend für die Penumbradetektion im akuten ischämischen Schlaganfall bis 48h nach Symptombeginn. Diese Ergebnisse können genutzt werden, um im Rahmen des Mismatch-Konzeptes diejenigen Patienten zu identifizieren, welche auch nach Ablauf der jeweiligen Zeitfenster von einer rekanalisierenden Therapie profitieren.

“Penumbra” is tissue that, following an ischemic stroke, shows a low level of perfusion. Penumbral tissue loses its function, but remains structurally preserved. Thus, the damage to penumbral tissue is potentially reversible. The penumbra can be visualized by its surrogate the mismatch of perfusion weighted imaging (PWI) and diffusion weighted imaging (DWI). This provides the opportunity to make a therapeutic decision (lysis and/or thrombectomy) for the stroke patient beyond the respective time window based on the volume of salvageable brain tissue. For this purpose, the correct detection of the ischemic penumbra is essential. However, the best upper penumbral flow threshold in PW imaging is still a matter of debate. The aim of this dissertation is the validation of all established non-deconvolved PWI parameters and the identification of their optimal upper penumbral flow thresholds to optimize mismatch detection in acute ischemic stroke. Methods Perfusion-weighted Magnetic Resonance Imaging (PW-MRI) and consecutive 15O-Positron Emission Tomography (PET) cerebral blood flow (CBF), cerebral blood volume (CBV), oxygen extraction fraction (OEF) and cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) were measured in 10 patients with acute and subacute stroke within 48 hours of symptom onset. All non-deconvolved PWI parameters were validated with 15O-PET, the "gold standard" for detection of penumbra in ischemic stroke. The accuracy of penumbra detection and the optimal threshold for the upper penumbral flow were determined for each non-deconvolved PWI parameter by a voxel-based Receiver Operating Characteristics (ROC) curve analysis. Results The PWI parameters “time to peak” (TTP) and “first moment without delay correction” (FM without DC) performed significantly better in penumbral flow detection than other nondeconvolved PWI parameters with an Area under the curve (AUC) for TTP of 0.83 and AUC for FM without DC of 0.81. The optimal upper penumbral flow threshold was TTP >3.8s. Conclusions The non-deconvolved PWI parameters TTP and FM without DC are excellent in detecting the ischemic penumbra in acute stroke up to 48 hours after symptom onset. Both parameters can be used to identify patients with a mismatch and who might benefit from a therapy even after the respective time windows for reperfusion.