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Schnelle Messung der lokalen Hirnperfusion zur Diagnoseunterstützung bei zerebrovaskulären Erkrankungen
Abstract
Die zuverlässige und schnelle Messung der zerebralen Mikrozirkulation ist entscheidend für die Diagnose und Behandlung akuter zerebrovaskulärer Erkrankungen. Die Perfusionsmessung mittels intrakranieller Ultraschallbildgebung bietet hierfür eine zeitsparende und mobil einsetzbare Alternative zu den aufwändigen tomographischen Verfahren. Der kombinierte Einsatz von Harmonic-Imaging Bildgebung und geeigneten Signalverstärkern erlaubt die Bestimmung der lokalen Hirnperfusion aus der Kontrastmittelkinetik über ein Perfusionsmodell. Die resultierenden Flußbilder ermöglichen die schnelle Lokalisierung minderdurchbluteter Bereiche bei minimaler physischer und psychischer Patientenbelastung. Die diagnostische Relevanz der Flußbilder konnte in einer Probandenstudie nachgewiesen werden.
Fast visualisation of cerebral microcirculation supports diagnosis of acute stroke. However, the commonly used CT/MRI-based methods are time consuming, costly and not applicable to every patient. The bolus perfusion harmonic imaging (BHI) method is an ultrasound imaging technique which makes use of the fact, that ultrasound contrast agents unlike biological tissues resonate at harmonic frequencies. Exploiting this effect, the contrast between perfused and non-perfused areas can be improved. Thus, BHI overcomes the low signal-to-noise ratio of transcranial ultrasound and the high impedance of the skull. By analysing image sequences, visualising the qualitative characteristics of an US contrast agent bolus injection becomes possible. The analysis consists of calculating four perfusion-related parameters, Local Peak Intensity, Time To Peak, Area Under Curve, and Average Rising, from the time/intensity curve and providing them as colour-coded images. For calculating these parameters the fundamental assumption is that image intensity corresponds to contrast agent concentration which in turn shows the perfusion of the corresponding brain region. In a clinical study on patients suffering from acute ischemic stroke it is shown that some of the parameters correlate significantly to the infarction area. Thus, BHI becomes a less time-consuming and inexpensive bedside method for diagnosis of cerebral perfusion deficits.
Zur Diagnose von zerebrovaskulären Erkrankungen mittels Ultraschall ist neben den Methoden der Bolus- und Wiederanreicherungskinetik
die Methode der Destruktionskinetik bekannt, bei der über die schnelle Zerstörung von Kontrastmittel perfusionsbezogene Parameter
bestimmt und farbkodiert als Parameterbilder dargestellt werden. Das dabei bislang verwendete Modell hat den Nachteil, diese
Parameter nur durch ein Least-Squares-Fitting bestimmen zu können. Eine Weiterentwicklung des Modells führt zu der Möglichkeit,
den sogenannten Perfusionskoeffizienten direkt aus den Daten berechnen zu können. Desweiteren wird eine verbesserte Schätzung
des dafür notwendigen Destruktionskoeffizienten dargelegt. Eine Versuchsstudie, in der die erhaltenen Ergebnisse mit MRT-Aufnahmen
verglichen werden, liefert deutliche Hinweise darauf, daß das neue Modell eine exaktere Bestimmung der Perfusion ermöglicht.
Zusammenfassung
Native??? Tissue Harmonic Imaging ist eine neue Methode der Ultraschall-Bilderstellung, die gezielt schwer zu schallende Patienten
adressiert. Durch die Verwendung eines Gauss???schen Sendepulses ist es m??glich, aus den reflektierten Echos die harmonische
Komponente zu separieren, ohne ??berlappung mit den fundamentalen Reflexionen. Die dadurch erzielte Bildqualit??t erh??ht die
diagnostische Sicherheit derart, da?? oftmals weitere bildgebende Verfahren eingespart werden k??nnen.
Die Darstellung und quantitative Auswertung der Hirnperfusion liefert wichtige diagnostische Hinweise. Mit der Computer-bzw. Magnet-Resonanz Tomographie stehen hierfür derzeit kosten- und zeitintensive Verfahren zur Verfügung. Demgegenüber stellt die Echo- densitometrie eine alternative, mobil einsetzbare Methode dar. Das dabei verwendete Ultraschallkontrastmittel besteht aus gasgefüllten Mikrobläschen und bringt daher nur eine minimale Patientenbelastung mit sich. Verschiedene Faktoren schränken allerdings die Bildqualität drastisch ein. Dieser Beitrag stellt eine neuartige Methode zur automatischen Quantifizierung der zerebralen Mikrozirkulation vor. Hierzu werden Harmonie Imaging Bildsequenzen mit stetig steigendem Aufnahmeintervall aufgenommen. Dadurch kann eine Sättigungskurve des Kontrastmittels im Blut ermittelt werden, aus deren Steigung sich die Flußgeschwindigkeit ergibt. Ein normiertes Maß für die Hirnperfusion ist hieraus ableitbar. Weiterhin wird eine Verbesserung des Verfahrens vorgeschlagen, die auf den Musterspektrum der tiefpaßgefilterten Bildsequenz basiert.
Through harmonic gray-scale imaging, it is possible to analyze brain tissue perfusion with different ultrasound methods.
In 12 healthy volunteers, 2 doses (0.5 and 1.5 mL) of Optison, a perfluoropropane-containing contrast agent, were injected intravenously and produced a strong increase of brightness in the brain parenchyma. We used harmonic imaging for quantification of ultrasound intensity in the thalamus, ipsilateral temporoparietal white matter (TPWM), and ipsilateral lateral fissure at both sides. Time-intensity curves were calculated, and peak increase (PI) of intensity and the area under the time-intensity curve (AUC) from baseline were compared.
We found a significant dose dependence of the AUC in all regions at both sides. PI only showed a significant dose dependence in the TPWM but not in the ipsilateral thalamus and lateral fissure. No side differences for AUC and PI were detected in all regions and doses used. We found a significantly higher value of the PI insonating the thalamus from the ipsilateral side compared with the contralateral side. The same result was obtained for the AUC in the left thalamus for both doses and in the right thalamus for the high dose. Using 0.5 mL for insonation of the right thalamus AUC again showed a higher value for the insonation from the ipsilateral compared with the contralateral side but failed to show statistical significance (P=0.08, n=12).
Harmonic gray-scale imaging with Optison showed a strong enhancement effect in the brain parenchyma. A quantitative analysis of perfusion seems difficult because of the depth dependence of the effect. The most robust parameter is the AUC.
Native tissue harmonic imaging
- Scholgens
Quantitative Messung der Hirnperfusion in intrakraniellen Ultraschall Bildsequenzen
- G Metzler
- Seidel