Ultraschall Med 2007; 28(4): 380-386
DOI: 10.1055/s-2006-927115
Original Article

© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

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

Transkranielle Perfusionssonografie: Implementierung eines neuen Untersuchungsmodus mit niedrigem MI und hoher BildrateJ. U. Harrer1 , S. Hornen1 , J. Valaikiene2, 3 , M. F. Oertel4 , C. Klötzsch1, 5 , F. Schlachetzki3
  • 1Department of Neurology, RWTH Aachen University Hospital, Aachen, Germany
  • 2Department of Neurology, Vilnius University Hospital, Santariskiu Klinikos, Vilnius, Lithuania
  • 3Department of Neurology, University of Regensburg, Regensburg, Germany
  • 4Department of Neurosurgery, RWTH Aachen University Hospital, Aachen, Germany
  • 5Kliniken Schmieder Allensbach/Hegau Klinikum Singen, Germany
Further Information

Publication History

received: 10.11.2005

accepted: 2.5.2006

Publication Date:
16 July 2007 (online)

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.

References

  • 1 Postert T, Muhs A, Meves S. et al . Transient response harmonic imaging.  Stroke. 1998;  29 1901-1907
  • 2 Postert T, Hoppe P, Federlein J. et al . Contrast agent specific imaging modes for the ultrasonic assessment of parenchymal cerebral echo contrast enhancement.  J Cereb Blood Flow Metab. 2000;  20 1709-1716
  • 3 Seidel G, Greis C, Sonne J. et al . Harmonic gray scale imaging of the human brain.  J Neuroimaging. 1999;  9 171-174
  • 4 Seidel G, Algermissen C, Christoph A. et al . Harmonic imaging of the human brain. Visualization of brain perfusion with ultrasound.  Stroke. 2000;  31 151-154
  • 5 Seidel G, Albers T, Meyer K. et al . Perfusion harmonic imaging in acute middle cerebral artery infarction.  Ultrasound Med Biol. 2003;  29 1245-1251
  • 6 Seidel G, Meyer-Wiethe K, Berdien G. et al . Ultrasound perfusion imaging in acute middle cerebral artery infarction predicts outcome.  Stroke. 2004;  35 1107-1111
  • 7 Meairs S, Daffertshofer M, Neff W. et al . Pulse-inversion contrast harmonic imaging: ultrasonographic assessment of cerebral perfusion.  Lancet. 2000;  355 550-551
  • 8 Schlachetzki F, Hoelscher T, Dorenbeck U. et al . Sonographic parenchymal and brain perfusion imaging: preliminary results in four patients following decompressive surgery for malignant middle cerebral artery infarct.  Ultrasound Med Biol. 2001;  27 21-31
  • 9 Stolz E, Allendörfer J, Jauss M. et al . Sonographic harmonic grey scale imaging of brain perfusion: scope of a new method demonstrated in selected cases.  Ultraschall in Med. 2002;  81 320-324
  • 10 Federlein J, Postert T, Meves S. et al . Ultrasonic evaluation of pathological brain perfusion in acute stroke using second harmonic imaging.  J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2000;  69 616-622
  • 11 Harrer J U, Klötzsch C. Second harmonic imaging of the human brain: The practicability of coronal insonation planes and alternative perfusion parameters.  Stroke. 2002;  33 1530-1535
  • 12 Harrer J U, Mayfrank L, Mull M. et al . Second harmonic imaging: A new ultrasound technique to assess human brain tumor perfusion.  J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2003;  74 333-338
  • 13 Harrer J U, Klötzsch C, Stracke C P. et al . Cerebral perfusion sonography in comparison with perfusion MRT: a study in healthy volunteers.  Ultraschall in Med. 2004;  25 263-269
  • 14 Harrer J U, Möller-Hartmann W, Oertel M F. et al . Perfusion imaging of high-grade gliomas: comparison of contrast harmonic imaging and magnetic resonance imaging.  J Neurosurg. 2004;  101 700-703
  • 15 Eyding J, Krogias C, Wilkening W. et al . Detection of cerebral perfusion abnormalities in acute stroke using phase inversion harmonic imaging (PIHI): preliminary results.  J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2004;  75 926-929
  • 16 Wiesmann M, Seidel G. Ultrasound perfusion imaging of the human brain.  Stroke. 2000;  31 2421-2425
  • 17 Meves S H, Wilkening W, Thies T. et al . Comparison between echo contrast agent-specific imaging modes and perfusion-weighted magnetic resonance imaging for the assessment of brain perfusion.  Stroke. 2002;  33 2433-2437
  • 18 Bartels E, Bittermann H J. Kontrastverstärkte transkranielle sonographische Darstellung der zerebralen Perfusion bei Schlaganfällen nach dekompressiver Kraniotomie.  Ultraschall in Med. 2004;  25 206-213
  • 19 Lindner C, Woydt M. Erste Methode zur sonographischen Messung des relativen zerebralen Blutflusses mittels kontrastmittelverstärktem harmonic imaging Ultraschall.  Ultraschall in Med. 2004;  25 S93
  • 20 Schrope B, Newhouse V L. Second harmonic ultrasonic blood perfusion measurement.  Ultrasound Med Biol. 1993;  19 567-579
  • 21 Burns P N. Harmonic imaging with ultrasound contrast agents.  Clin Radiol. 1996;  51 50-55
  • 22 Burns P N, Fritzsch T, Weitschies W. et al . Pseudo Doppler shifts from stationary tissue due to stimulated emission of ultrasound from a new microsphere contrast agent.  Radiology. 1995;  197 (P)
  • 23 Bartels E, Henning S, Wellmer A. et al . Bestimmung des zerebralen Perfusionsdefizits bei Schlaganfallpatienten mittels der neuen transkraniellen kontrastmittelverstärkten CPS™-Technologie - Vorläufige Ergebnisse.  Ultraschall in Med. 2005;  26 478-486
  • 24 Seidel G, Meyer K. Harmonic imaging - a new method for the sonographic assessment of cerebral perfusion.  Eur J Ultrasound. 2001;  14 103-113
  • 25 Seidel G, Claassen L, Meyer K. et al . Evaluation of blood flow in the cerebral microcirculation: analysis of the refill kinetics during ultrasound contrast agent infusion.  Ultrasound Med Biol. 2001;  27 1059-1064
  • 26 Meyer K, Seidel G. Transcranial contrast diminution imaging of the human brain: A pilot study in healthy volunteers.  Ultrasound in Med Biol. 2002;  28 1433-1437
  • 27 Eyding J, Wilkening W, Krogias C. et al . Validation of the depletion kinetic in semiquantitative ultrasonographic cerebral perfusion imaging using 2 different techniques of data acquisition.  J Ultrasound Med. 2004;  23 1035-1040
  • 28 Eyding J, Krogias C, Wilkening W. et al . Parameters of cerebral perfusion in phase-inversion harmonic imaging (PIHI) ultrasound examinations.  Ultrasound Med Biol. 2003;  29 1379-1385
  • 29 Eyding J, Wilkening W, Reckhardt M. et al . Contrast burst depletion imaging (CODIM): a new imaging procedure and analysis method for semiquantitative ultrasonic perfusion imaging.  Stroke. 2003;  34 77-83
  • 30 Cangur H, Meyer-Wiethe K, Seidel G. Comparison of flow parameters to analyse bolus kinetics of ultrasound contrast enhancement in a capillary flow model.  Ultraschall in Med. 2004;  25 418-421
  • 31 Meyer-Wiethe K, Cangur H, Seidel G U. Comparison of different mathematical models to analyze diminution kinetics of ultrasound contrast enhancement in a flow phantom.  Ultrasound Med Biol. 2005;  31 93-98
  • 32 Kern R, Perren F, Schoenberger K. et al . Ultrasound microbubble destruction imaging in acute middle cerebral artery stroke.  Stroke. 2004;  35 1665-1670
  • 33 Wiesmann M, Meyer K, Albers T. et al . Parametric perfusion imaging with contrast-enhanced ultrasound in acute ischemic stroke.  Stroke. 2004;  35 508-513
  • 34 Porter T R, Li S, Jiang L. et al . Real-time visualization of myocardial perfusion and wall thickening in human beings with intravenous ultrasonographic contrast and accelerated intermittent harmonic imaging.  J Am Soc Echocardiogr. 1999;  12 266-271
  • 35 Tiemann K, Veltmann C, Ghanem A. et al . The impact on emission power on the destruction of echo contrast agents and on the origin of tissue harmonic signals using power pulse-inversion imaging.  Ultrasound Med Biol. 2001;  27 1525-1533
  • 36 Meyer K, Wiesmann M, Albers T. et al . Harmonic imaging in acute stroke: Detection of cerebral perfusion deficit with ultrasound and perfusion MRI.  J Neuroimaging. 2003;  13 166-168
  • 37 Reichenbach J R, Rother J, Jonetz-Mentzel. et al . Acute stroke evaluated by time-to-peak mapping during initial and early follow-up perfusion CT-studies.  Am J Neuroradiol. 1999;  20 1842-1850
  • 38 Meyer-Wiethe K, Cangür H, Schindler A. et al . Ultrasound perfusion imaging in acute ischemic stroke: time-intensity curve parameters detect disturbed brain perfusion and predict development of outcome.  Cerebrovasc Dis. 2005;  19 1
  • 39 Seidel G, Cangür H, Meyer-Wiethe K. et al . Sonographische Darstellung der Hirnperfusion zur Prädiktion des Hirninfarktes bei Patienten mit akutem Schlaganfall.  Akt Neurologie. 2005;  32 S275
  • 40 Claudon M, Jäger K. Es ist Zeit, Richtlinien für die Anwendung von Ultraschallkontrastmitteln zu erarbeiten.  Ultraschall in Med. 2004;  25 247-248
  • 41 EFSUMB Study Group . Guidelines for the safe use of contrast agents in ultrasound - January 2004.  Ultraschall in Med. 2004;  25 248-256
  • 42 Schlachetzki F, Valaikiene J, Koch H. et al . Transkranielle Perfusionssonographie mit niedrigem versus hohen mechanischen Index.  Akt Neurologie. 2005;  32 277
  • 43 Puls I, Berg D, Maurer M. et al . Transcranial sonography of the brain parenchyma: comparison of B-mode imaging and tissue harmonic imaging.  Ultrasound Med Biol. 2000;  26 189-194
  • 44 Grandin C B, Duprez T P, Smith A M. et al . Which MR-derived perfusion parameters are the best predictors of infarct growth in hyperacute stroke? Comparative study of relative and quantitative measurements.  Radiology. 2002;  223 361-370
  • 45 Thomalla G J, Kucinski T, Schoder V. et al . Prediction of malignant middle cerebral artery infarction by early perfusion- and diffusion-weighted magnetic resonance imaging.  Stroke. 2003;  34 1892-1899

Dr. J. U. Harrer

Dept. of Neurology, Aachen University Hospital

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