Advanced

Diffusion MRI of Small Ischemic Brain Lesions: Technical aspects, clinical experiences and diagnostic criteria.

Geijer, Bo LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Inledning: Stroke är en av de största folksjukdomarna. En patient med akut stroke behöver medicinsk omhändertagande vid en vårdenhet med specialkunskap. För att så tidigt som möjligt kunna planera omhändertagande och ta ställning till behandling är tillförlitlig diagnostik i akutskedet viktig. Cirka 20% av patienter med stroke har en blödning. Hjärnblödning diagnosticeras lätt med datortomografi (DT), som sedan länge varit förstahandmetod att utreda akut stroke. De resterande 80% av patienterna med stroke har en hotande eller pågående infarktutveckling till följd av ett lokalt nedsatt eller upphävt blodflöde. För att kunna upptäcka en infarktutveckling med DT eller magnetisk resonanstomografi... (More)
Popular Abstract in Swedish

Inledning: Stroke är en av de största folksjukdomarna. En patient med akut stroke behöver medicinsk omhändertagande vid en vårdenhet med specialkunskap. För att så tidigt som möjligt kunna planera omhändertagande och ta ställning till behandling är tillförlitlig diagnostik i akutskedet viktig. Cirka 20% av patienter med stroke har en blödning. Hjärnblödning diagnosticeras lätt med datortomografi (DT), som sedan länge varit förstahandmetod att utreda akut stroke. De resterande 80% av patienterna med stroke har en hotande eller pågående infarktutveckling till följd av ett lokalt nedsatt eller upphävt blodflöde. För att kunna upptäcka en infarktutveckling med DT eller magnetisk resonanstomografi (MRT) krävs en förändrad vävnadssammansättning. Det första som sker i det avseendet är en ökad vattenansamling. Denna sker dock långsamt. Efter cirka tre timmar kan de första förändringarna av ett stort stroke upptäckas med datortomografi. Vanlig bildgivande MRT har ungefär samma känslighet som DT. Små strokeskador, vilka är mycket vanliga hos äldre personer och särskilt vid diabetes och högt blodtryck, kan ofta undandra sig bedömning under betydligt längre tid, ibland över flera dygn. Inte sällan bidrar en bakgrund av flera gamla små eller stora strokeskador till att den nya skadan kan vara svår att upptäcka. En vidareutveckling av MRT, diffusionskänslig teknik, som lanserades i slutet av 1980-talet och som blivit kliniskt användbar sedan 1990-talets mitt, kan påvisa en strokeskada redan under den första timman efter ett stroke. Bakgrunden är att hjärncellernas energibrist efter nedsatt blodförsörjning påverkar cellmiljön så att de vattenmolekyler (som sänder ut MRT-signalen) som redan finns i skadeområdet får en minskad rörlighet, vilket kan avbildas med den nya tekniken; diffusionsviktad MRT. En akut strokeskada av infarkttyp avgränsas med högre signalintensitet än omgivningen på en diffusionsviktad bild. Diffusionsaktiviteten kvantifieras genom storheten ADC, apparent diffusion coefficient, vilken kan beräknas från minst två diffusionsviktade bilder med olika stark diffusionskodning.



Denna studie startade under det tidiga kliniska utvecklingsskedet 1996. Avsikten var att vinna kunskap om den nya tekniken i klinisk applikation; dess effektivitet, tekniska krav, begränsningar och diagnostiska kriterier. Studien kom att inriktas på gruppen små skador av infarkttyp.



Metoder: Vår MRT-maskin har magnetisk fältstyrka 1.5 T. Alla studier är utförda med denna maskin. I den första studie undersökte vi inom 57 timmar från insjuknandet, strokeskador hos 27 patienter. Vi jämförde diagnostisk effektivitet mellan vanlig bildgivande MRT (proton- och T2-viktade sekvenser), diffusionsviktning av en vanlig (T2-viktad) spin-eko sekvens, som tar flera minuter, samt diffusionsviktad echo-planar sekvens, där varje bildsnitt tar delar av en sekund. Eftersom en diffusionsviktad sekvens är extremt känslig för rörelser kräver den diffusionsviktade konventionella sekvensen EKG-synkronisering för att pulsationsrörelser skall störa så litet som möjligt. För att kunna korrigera de rörelser som ändå förekommer använde vi ett navigartoreko, som kan spåra rörelser som förelegat. Vi använde också rörelsekompensation i det känslighetsgivande gradientsystemet, som därmed inte kan utnyttjas fullt ut för diffusionskodning. Echo-planar tekniken kräver ingen rörelsekompensation genom gradientsystemet och heller inget navigatoreko, p.g.a. sin snabbhet. Däremot var det vid studiens början oklart om EKG-synkronisering hade betydelse, varför även echo-planar undersökningarna genomfördes med EKG. Vid den andra studien följde vi upp 21 patienter, vilka hade små skador, från den första studien. Vid uppföljningen utfördes diffusionsundersökningarna endast med echo-planar teknik. Patienterna undersöktes cirka 2 veckor och cirka 2 månader efter strokeinsjuknandet. Tio patienter som forfarande efter 2 månader hade förhöjd signal i skadeområdet (enligt den allmänna regeln försvinner detta i kronisk fas) undersöktes igen minst ett år efter insjuknandet. I den tredje undersökningen studerade vi gamla små strokeskador som vi fann på de diffusionsviktade echo-planar bilderna från patienterna i den första studien. Sju olika styrkor av diffusionskodning hade använts och vi sökte den styrka som tillsammans med egenskaperna hos en gammal liten infarkt får denna att bli osynlig på diffusionsviktade bilder. Vid den fjärde studien undersöktes sex friska volontärer med diffusionskänslig echo-planar teknik. Varje volontär undersöktes på tre olika sätt; utan EKG-synkronisering, med synkronisering till förväntad maximal pulsationsvåg samt till förväntad minimal pulsationsrörelse. Inverkan av EKG på uppmätta ADC-värden studerades. I den femte studien undersöktes om metastaser i hjärnan kan ha egenskaper som får dem att likna en liten strokeskada. Patienterna var kliniska patienter som skulle undersökas med maximal känslighet med avseende på metastasförekomst. Två olika diffusionskänsliga echo-planar sekvenser användes.



Resultat: Vid den första studien fann vi med diffusionsviktad echo-planar teknik en strokeskada på förväntad lokal hos samtliga patienter. Diffusionsviktad konventionell sekvens visade goda resultat i de delar av hjärnan som omfattades av undersökningen. Täckningsgraden påverkades av EKG-synkroniseringen. Konventionell sekvens utan diffusionskodning uppvisade låg sensitivitet och specificitet. I den andra studien fann vi att tio av 21 patienter hade kvarstående signalförhöjning i skadeområdet efter 2 månader. Dessa undersöktes igen efter mer än ett år och då hade förändringarna försvunnit. I den tredje studien fann vi att den känslighetsgivande faktorn b bör vara 1000•10E06 s/m2 för att signalintensiteten i skadeområdet skall återgå till att vara icke förhöjd. I den fjärde studien fann vi att EKG-synkronisering inte påverkar medelvärdet av ADC men att spridningen i mätvärden ökar. Någon förklaring till detta kunde inte påvisas. I den femte studien fann vi att det finns metastaser, framförallt från lungcancer, som kan likna små strokeskador.



Slutsatser: Diffusionsviktad echo-planar teknik är mycket effektiv för att hitta nya strokeskador av icke blödningstyp. Diffusionsviktad konventionell sekvens uppvisar goda resultat men har praktiska begränsningar. Konventionell MRT är otillförlitlig i akut strokediagnostik. Hög signal kan ofta kvarstå i över två månader i strokelesioner på diffusionskänsliga sekvenser. Om b är större än eller lika med 1000•10E06 s/m2 förblir etablerat gamla strokeskador osynliga på diffusionsviktad sekvens. EKG-synkronisering påverkade inte medelvärdet av uppmätt ADC. Utan EKG förelåg dock ökad spridning av mätvärden. Vid strokediagnostik med diffusionsviktade sekvenser måste man vara medveten om att metastaser kan simulera en akut strokeskada av icke blödningstyp. (Less)
Abstract
Purpose: To compare the visualization of small ischemic brain lesions using diffusion using diffusion-weighted (DW) MRI and conventional imaging, with special regard to diagnostic efficiency. Imaging features of lesions of different ages, diagnostic limitations and technical principles were also investigated.



Methods: All studies were performed with the same 1.5 T MR scanner. In the first study the diagnostic efficiencies of a conventional spin-echo (SE) PD and T2-weighted sequence, an echo-planar (EP) DW sequence and a DW conventional SE sequence in detecting acute stroke lesions in 27 patients were compared. In the second study imaging features of small ischemic lesions from 21 of the 27 patients in the first study... (More)
Purpose: To compare the visualization of small ischemic brain lesions using diffusion using diffusion-weighted (DW) MRI and conventional imaging, with special regard to diagnostic efficiency. Imaging features of lesions of different ages, diagnostic limitations and technical principles were also investigated.



Methods: All studies were performed with the same 1.5 T MR scanner. In the first study the diagnostic efficiencies of a conventional spin-echo (SE) PD and T2-weighted sequence, an echo-planar (EP) DW sequence and a DW conventional SE sequence in detecting acute stroke lesions in 27 patients were compared. In the second study imaging features of small ischemic lesions from 21 of the 27 patients in the first study were observed until the lesions became chronic. In the third study 18 preexisting chronic lacunar infarcts were selected from the EP DW images in the first study. The lowest value of b which led to them all being invisible in the DW images was determined. In the fourth study three EP DW acquisitions with and without ECG triggering were obtained in 6 healthy volunteers. Maps of the apparent diffusion coefficient (ADC) were calculated from all the acquisitions. The value of the ADC was measured in the same four positions on each map. The dependence of the measured values of ADC on ECG triggering was evaluated. In the fifth study 12 patients with brain metastases were examined with an EP DW sequence and a T2-weighted sequence. The features of the metastases were compared with the diagnostic criteria commonly used for acute and subacute small infarcts.



Results and conclusions: An EP DW sequence is very efficient in detecting new ischemic lesions. A DW SE sequence performs well but it requires a perfectly cooperative patient. A conventional PD and T2-weighted sequence has low sensitivity and specificity. Ten of 21 small ischemic lesions exhibited persisting high signals in the DW images and 2 of them exhibited a decrease in ADC two months after the stroke. All these lesions became invisible and showed a high ADC at an examination after 1 year or more. A value of b = 1000•10E06 s/m2 was sufficient to make chronic lacunar infarcts invisible in DW images when the echo time was no longer than 120 ms. Some metastases have imaging features in common with small acute and subacute ischemic lesions when a standard MR protocol for acute stroke is used. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Ph D Hindmarsh, Tomas, Stockholm, Sweden
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
radiology, Clinical physics, Metastasis, ADC, b, Infarct, MRI, Ischemia, Diffusion-Weighted, Diffusion, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
pages
136 pages
publisher
Department of Diagnostic Radiology, Lund University
defense location
Room 1, University Hospital
defense date
2001-06-06 10:15
ISBN
91-628-4220-8
language
English
LU publication?
yes
id
c5fc8cd2-71d7-4c3b-ac06-f7190a10fade (old id 41651)
date added to LUP
2007-06-20 16:18:43
date last changed
2016-09-19 08:45:06
@misc{c5fc8cd2-71d7-4c3b-ac06-f7190a10fade,
  abstract     = {Purpose: To compare the visualization of small ischemic brain lesions using diffusion using diffusion-weighted (DW) MRI and conventional imaging, with special regard to diagnostic efficiency. Imaging features of lesions of different ages, diagnostic limitations and technical principles were also investigated.<br/><br>
<br/><br>
Methods: All studies were performed with the same 1.5 T MR scanner. In the first study the diagnostic efficiencies of a conventional spin-echo (SE) PD and T2-weighted sequence, an echo-planar (EP) DW sequence and a DW conventional SE sequence in detecting acute stroke lesions in 27 patients were compared. In the second study imaging features of small ischemic lesions from 21 of the 27 patients in the first study were observed until the lesions became chronic. In the third study 18 preexisting chronic lacunar infarcts were selected from the EP DW images in the first study. The lowest value of b which led to them all being invisible in the DW images was determined. In the fourth study three EP DW acquisitions with and without ECG triggering were obtained in 6 healthy volunteers. Maps of the apparent diffusion coefficient (ADC) were calculated from all the acquisitions. The value of the ADC was measured in the same four positions on each map. The dependence of the measured values of ADC on ECG triggering was evaluated. In the fifth study 12 patients with brain metastases were examined with an EP DW sequence and a T2-weighted sequence. The features of the metastases were compared with the diagnostic criteria commonly used for acute and subacute small infarcts.<br/><br>
<br/><br>
Results and conclusions: An EP DW sequence is very efficient in detecting new ischemic lesions. A DW SE sequence performs well but it requires a perfectly cooperative patient. A conventional PD and T2-weighted sequence has low sensitivity and specificity. Ten of 21 small ischemic lesions exhibited persisting high signals in the DW images and 2 of them exhibited a decrease in ADC two months after the stroke. All these lesions became invisible and showed a high ADC at an examination after 1 year or more. A value of b = 1000•10E06 s/m2 was sufficient to make chronic lacunar infarcts invisible in DW images when the echo time was no longer than 120 ms. Some metastases have imaging features in common with small acute and subacute ischemic lesions when a standard MR protocol for acute stroke is used.},
  author       = {Geijer, Bo},
  isbn         = {91-628-4220-8},
  keyword      = {radiology,Clinical physics,Metastasis,ADC,b,Infarct,MRI,Ischemia,Diffusion-Weighted,Diffusion,tomography,medical instrumentation,Klinisk fysiologi,radiologi,tomografi,medicinsk instrumentering},
  language     = {eng},
  pages        = {136},
  publisher    = {ARRAY(0x943bee8)},
  title        = {Diffusion MRI of Small Ischemic Brain Lesions: Technical aspects, clinical experiences and diagnostic criteria.},
  year         = {2001},
}