Transcranial Ultrasound Perfusion Imaging: Implementation of a Low MI and a High Frame Rate

Zusammenfassung

Ziel: Die konventionelle transkranielle Perfusionssonographie (ultrasound perfusion imaging, UPI) basiert auf der Bolusinjektion eines Echosignalverstärkers und zeitgetriggerter Bildaufnahme. Zur Optimierung unserer Geräteeinstellungen verglichen wir zwei unterschiedliche Bildraten (frame rate, FR) und Sendeleistungen (angegeben als mechanical index, MI) mit dem Ziel, echtzeitähnliche Untersuchungsbedingungen zu erreichen und hiermit die Berechnung von kinetischen Parametern zu präzisieren. Material und Methoden: Nach Gabe von 1 ml SonoVue® wurde bei 15 gesunden Probanden eine UPI je zweimal durchgeführt: einmal mit hohem MI (1,6) und niedriger FR (0,67 Hz) und zum zweiten mit niedrigem MI (1,0) und hoher FR (5 Hz). Neben der visuellen Analyse wurden aus 3 Hirnregionen (region of interest, ROI) Zeitintensitätskurven mit Maximalintensität (peak intensity, PI), Zeit bis zur PI (time-to-peak-intensity, TP [sec]) und der Fläche unter der Kurve (area-under-the-curve, AUC) errechnet und zwischen den beiden Methoden verglichen. Ergebnisse: Die visuelle Analyse ergab eine nur mäßige Kontrastverstärkung bei 10/15 Probanden und eine deutlich geringere Eindringtiefe mit niedrigem MI/hoher FR, während mit hohem MI/niedriger FR eine starke Kontrastverstärkung bei 13/15 Probanden erreicht wurde. Das Signal-Rausch-Verhältnis war höher bei niedrigem MI/hoher FR. Die TP war bei beiden Methoden vergleichbar (p > 0,05). PI und AUC waren signifikant niedriger bei niedrigem MI/hoher FR (p≤ 0,001), und beide Parameter korrelierten gut in korrespondierenden ROIs (p < 0,05 oder < 0,01 in 8/9 ROIs). Die Parameterbilder spiegelten die Unterschiede beider Methoden wider. Schlussfolgerung: Die neue Geräteeinstellung erlaubt eine hochpräzise kinetische Analyse mit sehr gutem Signal-Rausch-Verhältnis bei Patienten mit exzellentem Knochenfenster. Bei der Mehrzahl der Patienten ist allerdings die konventionelle transkranielle UPI mit hohem MI und dementsprechend niedriger FR erforderlich, um eine ausreichende Eindringtiefe bei gleichzeitig adäquater Kontrastverstärkung zu erreichen.

Abstract

Purpose: Conventional transcranial ultrasound perfusion imaging (UPI) depends on bolus injection and is limited to triggered imaging. To improve our set-ups, we compared two imaging modalities with two different frame rates (FR) and mechanical indices (MI), intending to approach conditions more similar to real time imaging in order to increase parameter precision. Materials and Methods: Fifteen healthy volunteers were investigated twice with UPI after i. v. administration of 1 ml of SonoVue®: first, with a high MI (1.6) and a low FR (0.67 Hz)) and second, with a low MI (1.0) and a high FR (5 Hz). Apart from visual analysis, time-intensity curves were calculated from three regions of interest (ROI) and peak intensity (PI), time to PI (TP), and area-under-the-curve (AUC) were compared between the two imaging modalities. Results: Visually, only scarce contrast enhancement was observed in 10/15 probands, and penetration depth was markedly lower at the low MI/high FR setting, while the high MI/low FR setting lead to very intense enhancement in 13/15 individuals. Signal-to-noise-ratio was higher at the low MI/high FR setting. TP was not significantly different between the two set-ups (p > 0.05). PI and AUC were significantly lower at the low MI/high FR setting (p≤ 0.001), and both parameters correlated well in corresponding ROIs (p < 0.05 or < 0.01 in 8/9 ROIs). Parameter images reflected the differences of these two semi-quantitative parameters. Conclusion: In patients with excellent bone windows, the new set-up seems to offer highly precise kinetic analysis with an excellent signal-to-noise ratio. In the majority of patients, however, conventional transcranial UPI is limited to high MI and a resulting rather low FR to allow sufficient penetration depth and contrast enhancement.

Key words

harmonic imaging - brain perfusion - transcranial sonography - ultrasound contrast agents - microcirculation

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