Neuerungen der MRT Diagnostik bei akuten und chronischen zerebrovaskulären Erkrankungen

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit Magnetresonanz-(MR) Techniken im akuten Schlaganfall und bei chronischen Hirngefäßstenosen. Zunächst wurde retrospektiv untersucht, ob DWI (diffusion-weighed-imaging) als quantitativer MR-Biomarker den Zeitpunkt des Schlaganfallbeginns abschätzen kann (time-from- stroke-onset), fluid-attenuated-inversion-recovery (FLAIR) Läsionen vorhersagt und die Fähigkeit besitzt (neben anderen MR-Biomarkern), PatientInnen dem Lysefenster zuzuordnen. Zweitens wurden für die perfusionsgewichtete Bildgebung (PWI) optimale hämodynamische Kenngrößen und Postprozessierungstechniken identifiziert, um die Penumbra zu detektieren. In einer retrospektiven Studie wurden die zwei verbreitetsten Dekonvolutionsmethoden (ssVD, bsVD) mittels des Goldstandards, Positron- Emissions-Tomographie, validiert. Drittens sind in prospektiven Bildgebungsstudien zwei kommerziell erhältliche Arterial Spin Labeling (ASL) Sequenzen (single-TI, multi-TI) gegenüber PWI in PatientInnen mit chronischen Hirngefäßstenosen evaluiert worden. ASL bietet die Möglichkeit einer nicht- invasiven zerebralen Perfusionsmessung. Es wurde außerdem untersucht, ob die Korrektur eines im Rahmen der Studie identifizierten Suszeptibilitätsartefaktes die diagnostische Wertigkeit der ASL-Sequenz weiter erhöhen kann. Methodisch wurden qualitativ-visuelle und quantitative ROI- und VOI-Analysen durchgeführt. Für die Datenauswertung kamen Receiver-Operating- Characteristic (ROC) Kurven, multiple lineare und logistische Regressionsmodelle und Korrelationsanalysen zur Anwendung. Der quantitative DWI-Biomarker konnte FLAIR-Läsionen mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen (AUC 0,85) und zeigte eine starke Assoziation mit dem time-from-stroke-onset. Damit stellt er einen möglichen Surrogatparameter für das Läsionsalter dar. Quantitative DWI- und FLAIR-Biomarker konnten PatientInnen mit einer exzellenten Genauigkeit dem Thrombolysezeitfenster zuordnen, nachdem für einfach zu erhebende klinisch-radiologische Parameter adjustiert und stratifiziert worden ist (AUC-DWI 0,94; AUC-FLAIR 0,96). Von allen PWI- Kenngrößen zeigte einzig die mittlere-Transitzeit (MTT) eine signifikante Abhängigkeit von der Art der Dekonvolution. Die Zeit-zum-Maximum (Tmax) lieferte die beste Abschätzung des penumbralen Flusses (AUC 0,93) und kann zur Verwendung in der Postprozessierung großer klinischer Studien empfohlen werden. Die multi-TI ASL-Sequenz zeigte im Vergleich zur single-TI-Technik eine höhere Bildqualität, da sie weitaus weniger Artefakte aufgrund von Bewegungen oder verzögerten Blutankunftszeiten aufwies. Weiterhin konnten nur für die multi-TI Sequenz eine moderate bis gute diagnostische Genauigkeit und eine signifikante moderate Korrelation zwischen ASL und PWI nachgewiesen werden. Dies spricht für deren klinische Überlegenheit gegenüber der single-TI Technik in dem untersuchten Patientenkollektiv. Nach Artefaktkorrektur verbesserten sich die diagnostische Genauigkeit und die Korrelationskoeffizienten noch weiter. Deshalb ist ihre generelle Implementierung in der ASL-Postprozessierung empfehlenswert. Zusammenfassend liefert diese Doktorarbeit neue Erkenntnisse über die Anwendungsmöglichkeiten von MR-Biomarkern in der akuten Schlaganfalldiagnostik und identifiziert optimale Parameter und Postprozessierungstechniken für invasive (PWI) und nichtinvasive (ASL) MR-Perfusionsmessungen. Vor allem die Ergebnisse des ASL sind vielversprechend für dessen Transfer in die klinische Praxis und werden dazu beitragen, zukünftig auch internationale Empfehlungen im Rahmen chronischer zerebrovaskulärer Pathologien aussprechen zu können.

This dissertation applies magnetic-resonance-(MR) techniques in both acute stroke and chronic steno-occlusive-disease. First, it was investigated whether the quantitative MR-biomarker diffusion-weighed-imaging (DWI) is associated with time-from-stroke-onset, may predict the presence of fluid-attenuated- inversion-recovery (FLAIR) lesions and is eligible (with other MR-biomarker) to allocate stroke patients to the thrombolysis window. Secondly, optimal parameters and postprocessing routines for perfusion-weighted-imaging (PWI) were identified to detect tissue-at-risk (penumbra) in acute stroke. The two most common deconvolution methods were validated against the gold-standard positron-emission-tomography. Thirdly, in prospective imaging studies two commercially available arterial spin labeling (ASL) sequences (single-TI, multi-TI) were evaluated in comparison with PWI in chronic steno-occlusive disease. ASL offers a non-invasive measurement of cerebral perfusion. Susceptibility-induced distortions were identified in this study to hamper the clinical application. Therefore, it was additionally investigated, if a distortion correction further improves the diagnostic precision of ASL compared to PWI. Methodologically, qualitative visual and quantitative region- and volume-of-interest (ROI, VOI) based analyses were performed. Receiver- operating-characteristic (ROC) curves, multiple linear and logarithmic regression models and correlation studies were used for data analysis. The quantitative DWI-biomarker performed well in predicting FLAIR-lesions (AUC 0,85) and showed a strong association with time-from-stroke-onset, underlining its potential for marking lesion age. Quantitative DWI and FLAIR-biomarker provided excellent prediction of eligibility for thrombolysis in acute stroke, after adjustment and stratification for easy obtainable clinical-radiological parameters were performed (AUC-DWI 0,94; AUC-FLAIR 0,96). For the detection of penumbral flow using PWI, only mean-transit-time was found to be dependent on the deconvolution technique, whilst time-to-maximum showed the highest performance (AUC 0,93). Latter parameter should therefore be used for post- processing in big clinical studies. The multi-TI ASL-sequence showed a higher image quality than the single-TI approach, because of a lower presence of artifacts due to motion and arterial transit delay. Furthermore, a moderate to good diagnostic precision and a stable moderate correlation between ASL and PWI were detected for the multi-TI sequence only, suggesting its superior clinical usefulness in chronic steno-occlusive disease. Susceptibility distortion correction further improved the diagnostic performance and correlation coefficients and should therefore be implemented in all ASL post- processing routines. In conclusion, this thesis adds to the clinical application of MR-biomarkers in acute stroke and suggests optimal post- processing-techniques and parameters for invasive (PWI) and non-invasive (ASL) MR- perfusion measurement. The results for ASL are promising for its transfer to clinical use and may help refining international recommendations for steno- occlusive-disease.