Evaluation of automated and manual perfusion MRI post-processing: the search for accurate tissue fate prediction in acute ischemic stroke

Abstract

In perfusion magnetic resonance imaging a manual approach to delineation of regions of interest is, due to rater bias and time intensive operator input, clinically less favorable than an automated approach would be. We have compared the performances of these approaches, testing the hypothesis that automated protocols suffer from numerous artifacts which result in a false estimation of hypoperfused tissue. An additional goal of our study was to find a minimally biased yet maximally useful perfusion post‐processing protocol which could offer the treating physician an estimate of tissue fate. Methods One hundred and eighty‐four patients were included in this study, of which 39 control patients with neither a fresh infarction visible nor a final diagnosis of stroke and 145 patients with a confirmed diagnosis of acute ischemic stroke. Using three different software packages (Perfscape/Neuroscape, PMA and Stroketool) maps of mean transit time (MTT), cerebral blood flow (CBF) and Tmax were created. Three different thresholds were applied on each parameter map and subsequent volumes of hypoperfused tissue were calculated using both a manual and an automated protocol. Results The median difference between the automatically and manually derived volumes was up to 210 ml in Perfscape/Neuroscape, 123 ml in PMA and 135 ml in Stroketool. Correlation coefficients between perfusion volumes and radiological and clinical outcome were much lower for the automatic volumes than for the manually derived ones. Using the manual approach in patients with a persistent vessel occlusion a CBF map with a restrictive threshold had shown volumes of tissue at definite risk of infarction in up to a 100% of patients. The additional use of a CBF map with a high threshold had enabled identification of patients without penumbra. Conclusions The agreement of the automated and manual method was very poor, with the automated use producing falsely exaggerated volumes of hypoperfused tissue. No one combination of software, map and threshold was able to give a reliable estimate of tissue fate. However in patients with a vessel occlusion, a combination of a CBF map with a low threshold and a high threshold can provide a calculation of the minimum volume of brain tissue inevitably to be lost if the occlusion persists.

In der Perfusions-Magnetresonanztomografie ist ein manueller Ansatz zur Abgrenzung von Schlaganfallarealen auf Grund der Bias der Begutachter und der dafür benötigten Zeit klinisch weniger geeignet als eine automatisierter Ansatz. Wir haben die Leistungen dieser beiden Ansätze verglichen, um zu beweisen, dass automatisierte Protokolle zahlreichen Artefakten produzieren, die zu einer falschen Einschätzung des hypoperfundierten Gewebes führen. Ein weiteres Ziel unserer Studie war, eine optimierte und am wenigsten voreingenommene Perfusionsbildgebungsverarbeitungsmethode zu finden, die dem behandelnden Arzt eine Einschätzung über das Schicksal des Gewebes bieten könnte. Methodik Hundertvierundachtzig Patienten wurden in die Studie aufgenommen, davon waren 39 Kontrollen, die weder einen frischen Infarkt noch eine endgültige Diagnose von Schlaganfall hatten und 145 Patienten mit einer bestätigten Diagnose von akutem ischämischen Schlaganfall. Drei verschiedene Software-Pakete (Perfscape / Neuroscape, PMA und Stroketool) wurden benutzt um Karten von â mean transit timeâ (MTT), zerebralen Blutflusses (CBF) und Tmax zu erstellen. Drei verschiedene Schwellenwerte wurden für jede Parameterkarte definiert. Anschließend wurden unter der Verwendung sowohl eines manuellen als auch eines automatischen Protokolls Volumina des hypoperfundierten Gewebes berechnet. Ergebnisse Die mittlere Differenz zwischen den automatisch und manuell ermittelten Volumen war bis zu 210 ml in Perfscape / Neuroscape, 123 ml in PMA und 135 ml in Stroketool. Korrelationskoeffizienten zwischen Perfusionsvolumina und radiologischen und klinischen Outcome waren viel geringer für die automatische als für die manuelle Methode. Bei Patienten mit einem persistierenden Gefäßverschluss konnte mit den manuell erstellten CBF Karte mit einem restriktiven Schwellenwert vom Untergang bedrohtes Risikogewebe in bis zu 100% der Patienten identifiziert werden. Die zusätzliche Verwendung einer CBF Karte mit einem hohen Schwellenwert ermöglichte darüber hinaus die Identifizierung von Patienten ohne Penumbra. Zusammenfassung Die Übereinstimmung zwischen der automatisierten und der manuellen Methode war sehr schlecht. Die automatisierte Methode überschätzte die Volumina des hypoperfundiertes Gewebes stark. Keine Kombination von Software, Karte und Schwellenwerten konnte eine zuverlässige Abschätzung des Gewebeschicksals bieten. Jedoch kann bei Patienten mit initialem Gefäßverschluss durch die Kombination einer CBF Karte mit einem niedrigen Schwellenwert und einem hohen Schwellenwert eine Berechnung des minimalen Volumens des gefährdeten Hirngewebes gewährleistet werden.