Ein neues Verfahren zur quantitativen CT-basierten Messung der Wasseraufnahme ischämischer Läsionen : Verhältnis von Dichte und direkter Volumetrie

Abstract

Ein neues Verfahren zur quantitativen CT-basierten Messung der Wasseraufnahme ischämischer Läsionen: Verhältnis von Dichte und direkter Volumetrie

Fragestellung: In Infarktläsionen korreliert die abnehmende Dichte in der Computertomographie (CT) mit dem Anstieg des prozentualen Wassergehaltes infolge des ischämischen Ödems. Dabei wurde diese Korrelation in früheren Arbeiten meist als linear beschreiben. Da sich die Dichte im CT jedoch nicht absolut mit Erhöhung des Wassergehaltes ändert, sondern relativ zum Ausgangswert, war unser Ziel ein korrigiertes, theoretisches Verhältnis vom ischämischen Ödem und CT-Dichte zu beschreiben und in vitro zu belegen. Darauf aufbauend sollte überprüft werden, ob sich in vivo durch die prozentuale Dichteminderung auf die Netto-Wasseraufnahme einer Infarktläsion schließen lässt zur Entwicklung eines neuen Biomarkers der Bildgebung im akuten Schlaganfall.

Methoden: Wir entwickelten eine theoretische Rationale zur Errechnung der Netto-Wasseraufnahme in Infarktläsionen basierend auf einem densitometrischen Verfahren. Die Präzision dieser Rationale wurde in vitro in einem Verdünnungsexperiment getestet, indem zu einer Ausgangslösung mit definierter Dichte und Volumen, kontinuierlich destilliertes Wasser hinzu pipettiert wurde. Im CT wurde dabei nach jedem Verdünnungsschritt die Dichte gemessen. Ziel war dabei, den Zusammenhang zwischen relativer Dichteänderung und Volumenanstieg zu ermitteln. Anschließend wurde, in einer multizentrischen, retrospektiven Studie an den CT-Datensätzen von 50 Schlaganfallpatienten, in vivo die Netto-Wasseraufnahme in die Infarktläsion mittels Densitometrie bestimmt und zur Validierung mit einem volumetrischen Verfahren korreliert.

Ergebnisse: Die Korrelation von errechneter relativer Dichteminderung und dem Anteil des hinzugefügten Wassers in der in vitro-Studie war signifikant (r= 0.995, p<0.0001). Die mittlere Netto-Wasseraufnahme der Infarktläsion in der in vivo-Studie, ermittelt durch Volumetrie, betrug 45,9 ml (± 27,9 ml), was einem mittleren prozentualen Anstieg des Wassergehaltes von 23 % (± 7,8 %) entsprach. Die relativen Dichtemessungen zeigten eine mittlere prozentuale Dichteabnahme von 21,5 % (± 6,7 %). Die Korrelation beider Verfahren zur Quantifizierung der Netto-Wasseraufnahme war signifikant (r = 0.91, p<0.0001). Der Bland-Altman Plot zeigte eine signifikante Übereinstimmung (Mittelwert: 0,02).

Schlussfolgerung: Das Volumen der Netto-Wasseraufnahme in Infarktläsionen kann durch relative CT-Dichtemessungen bestimmt werden. Die voxelweise Bildgebung der Wasseraufnahme eignet sich als pathophysiologischer Biomarker des ischämischen Schlaganfalls.

CT based imaging of voxel wise lesion water uptake in ischemic brain: relationship between density and direct volumetry

Purpose CT density reduction has been correlated with the degree of increased tissue water in ischemic infarct lesions in a linear relationship, however, the attenuation coefficient cannot change linearly. The purpose was to 1) prove a corrected theoretical relationship between ischemic edema and CT density in order to 2) establish voxel wise imaging of lesion water uptake.

Methods: We developed a theoretical rationale to calculate the net water uptake in ischemic lesions based on a densitometric assessment. The precision for those equations was tested in vitro in a set of increasingly diluted iodine solutions with successive CT density measurements. Furthermore, the method was evaluated in a retrospective multicentric study. In 50 edematous infarct lesions, the net water uptake by direct measurement (=volumetric difference between ischemic and normal hemisphere) was correlated with relative density decrease.

Results: In the in vitro-study, the correlation of relative density decrease and the ratio of added water was significant (r=0.995, p<0.0001). The mean uptake of water in the in vivo-study, measured by volumetry, was 45.9 ml (± 27.9 ml) and the mean %-water increase within lesion volume was 23.0 % (± 7.8 %). This was equivalent to %-water increase obtained from relative density: 21.5 (± 6.7 %). Both methods for measuring net water uptake were highly correlated (r = 0.91, P<0.0001) and Bland-Altman plot revealed significant agreement (Mean= 0.02).

Conclusion: Volume of water uptake in infarct lesions can be calculated from relative CT density measurements. Voxel wise imaging of water uptake depicts lesion pathophysiology and should especially be examined as possible biomarker of lesion age.