How short can we go? The impact of BOLD delay scan length on detecting hypoperfusion

Abstract

Background: Noninvasively detecting hypoperfusion using blood oxygen level dependent (BOLD) delay is a relatively new method. Previous BOLD delay studies used longer scans than typical of established perfusion imaging methods. The effect of shortening these scans is not yet known. Here, we systematically evaluated the impact of scan length on brain perfusion assessment with BOLD delay. Method: Sixty-three acute stroke patients underwent a standard stroke imaging protocol including multiband EPI scans for BOLD delay mapping (CMRR, TR/TE=400/30 ms, flip angle 43°, multiband factor=6, thirty 4.0-mm slices, acquisition time: 340s). To reflect a representative clinical population, patients were not excluded based on head motion. A subset of 43 patients with visible hypoperfusion on BOLD delay maps were selected for quantitative analysis. Resting state functional MRI (rsfMRI) data of 63 patients with acute ischemic stroke were divided into 5 progressively shortened scan segments. The quality and diagnostic utility of the BOLD delay maps generated by each segment were assessed by two readers. Binary logistic and ordinal mixed effects models were executed for the qualitative comparison of shorter scans with the full-length scan. We also analyzed the effect of scan length on the hypoperfusion lesion volumes using Bland-Altman plot and linear mixed effects models for the quantitative volumetric analysis of the subset group. Head motion was always accounted for in the mixed effects models. 7 Results: Binary logistic and ordinal mixed effects models showed that shortening the scan length by 60% diminished the quality of the maps (OR 0.3 [0.2, 0.46]) and their sensitivity to hypoperfusion detection (OR 0.33 [0.18, 0.59]) drastically. However, linear mixed effects models revealed that various scan segments were not systematically associated with volumetric estimation of lesions. Head motion adversely altered noise and structure clarity on the BOLD delay maps. Discussion: This study methodically assessed the effect of scan time reduction on the diagnostic quality of BOLD delay perfusion mapping in acute stroke. For assessment of perfusion using BOLD delay, scan time can be reduced to 3 min 24 sec without a significant loss of diagnostic accuracy and image quality. Hypoperfusion lesion volume estimates were robust down to 1 min 8 sec scan time. Our results provide an important step towards the implementation of contrast agent-free BOLD delay mapping for detecting hypoperfusion.

Einleitung: Die nicht-invasive Erkennung von Hypoperfusionen mithilfe der "BOLD („blood-oxygenation-level-dependent“) Delay" ist eine relativ neue Methode. Frühere BOLD Delay Studien verwendeten längere Scans als für etablierte Perfusionsbildgebungsmethoden üblich. Der Effekt der Verkürzung dieser Scans ist noch nicht bekannt. Hier haben wir systematisch den Einfluss der Scanlänge auf die Beurteilung der Hirnperfusion mit BOLD delay bewertet. Methode: 63 Patienten mit akutem Schlaganfall unterzogen sich einem Standardprotokoll für die Schlaganfall Bildgebung, einschließlich eines Multiband EPI Scans for BOLD Delay Mapping (CMRR, TR / TE = 400/30 ms, Flipwinkel 43 °, Multiband- Faktor = 6, dreißig 4,0-mm-Schnitte, Erfassungszeit : 340s). Um eine repräsentative klinische Population zu spiegeln, wurden Patienten aufgrund von Kopfbewegungen nicht ausgeschlossen. Eine Untergruppe von 43 Patienten mit sichtbarer Hypoperfusion auf BOLD Delay Maps wurde für die quantitative Analyse ausgewählt. Die Resting-state Daten (rsfMRI) von 63 Patienten mit akutem ischämischen Schlaganfall wurden in 5 progressiv verkürzte Scan Segmente unterteilt. Die Qualität und der diagnostische Nutzen der von jedem Segment erzeugten BOLD Delay Maps wurden von zwei Radiologen bewertet. Für den qualitativen Vergleich kürzerer Scans mit dem durchgehenden Scan Segment wurden binäre logistische und ordinale gemischte Modelle durchgeführt. Wir analysierten auch den Effekt der Scanlänge auf das Volumen der Hypoperfusion Läsionen unter Verwendung des Bland-Altman-Diagramms und lineare gemischte Modelle für die quantitative volumetrische Analyse der Untergruppe. Kopfbewegungen wurden in den gemischten Modellen immer berücksichtigt. Ergebnisse: Logistische und ordinale gemischte Modelle zeigten, dass eine Verkürzung der Scanlänge um 60% die Qualität der BOLD Delay Maps (OR 0,3 [0,2, 0,46]) und ihre Sensitivität für die Erkennung von Hypoperfusionen (OR 0,33 [0,18, 0,59]) drastisch verringerte. Lineare gemischte Modelle zeigten jedoch, dass verschiedene Scan Segmente nicht systematisch mit der volumetrischen Schätzung von Hypoperfusion Läsionen assoziiert waren. Kopfbewegung beeinträchtigt Struktur Klarheit und vermehrt Bildrauschen. Diskussion: Diese Studie untersuchte systematisch den Effekt der Reduzierung der Scanzeit auf die diagnostische Qualität der BOLD Delay Maps bei akutem Schlaganfall. Zur Beurteilung der Perfusion mithilfe der BOLD Delay kann die Scanzeit auf 3 Minuten und 24 Sekunden reduziert werden, ohne dass die Diagnosestellung und die Bildqualität wesentlich beeinträchtigt werden. Die Schätzungen des Volumens der Hypoperfusion Läsionen waren bis zu einer Scanzeit von 1 Minute und 8 Sekunden robust. Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt in Richtung Kontrastmittel-freie BOLD Delay Technik zur Erkennung von Hypoperfusionen.