Comparative Evaluation of Prognostic Value of Arterial Spin Labelling and Dynamic Susceptibility Contrast-Enhanced MR Imaging in High-Grade Gliomas

Abstract

Background and Purpose: Several studies have examined the predictive value of dynamic susceptibility contrast-enhanced (DSC) imaging and arterial spin labelling (ASL) in relation to histological grade, but less is known about their significance in terms of disease prognosis. Since ASL is gaining in importance, the purpose of this study was to evaluate the predictive value of both MRI techniques in assessing time to recurrence (TTR) in patients with high-grade gliomas and to examine for any interchangeability between them. Materials and Methods: Sixty-nine cases of WHO Grade 3–4 gliomas underwent both DSC and ASL MRI. Normalized ASL and DSC-based perfusion maps were analysed yielding mean and maximum values for relative cerebral blood volume (rCBV), relative cerebral blood flow (rCBF), leakage and ASL blood flow estimates. Maps were compared regarding the spatial distribution of maximum DSC-rCBV, DSC-rCBF and ASL-rCBF. Wilcoxon test and Bland Altman plot analysis were applied to compare DSC-rCBF and ASL-rCBF. Spearman’s rank correlation coefficient was determined for all perfusion parameters. Receiver operating characteristic curve analysis was applied to define the optimal cut-off of perfusion values for TTR. Survival curves were calculated by using the Kaplan-Meier method with log-rank test. Results: The median values of ASL-rCBF, DSC-rCBF, and DSC-rCBV were 5.3, 6.9, and 8.0, respectively. Spearman’s rank correlation showed significant correlation between the DSC parameters. There was neither significant correlation nor difference between ASL-rCBF and DSC-rCBF. Proportional bias was demonstrated in the Bland-Altman plot analysis of ASL-rCBF and DSC-rCBF values. In ROC analysis, rCBV outperformed other parameters as prognostic factor (area under curve (AUC) = 0.71). DSC-rCBF was slightly superior to ASLrCBF (AUC = 0.59 vs. 0.58). The combination of rCBV and ASL-rCBF (AUC = 0.71) was even to standalone rCBV. The best predictive value was achieved by combination of DSC-rCBV, DSC-rCBF, leakage and ASL-rCBF (AUC = 0.74). Unlikely to DSC-rCBV, DSC- and ASL-based rCBF parameters demonstrated moderate sensitivity and specificity for tumour recurrence with no statistically significant prognostic values in the survival analysis. Conclusions: There was neither correlation nor interchangeability between the DSC-rCBF and ASL-rCBF estimations, which demonstrated comparable, though not significant prognostic value for TTR. On contrary, rCBV measurements provided the best available sensitivity and specificity to predict tumour recurrence and survival time in these patients. Combination of DSC- and ASL-perfusion metrics showed encouraging results for increasing the prognostic value of each ”standalone” technique.

Einleitung: Verschiedene Studien haben sich mit dem diagnostischen Wert der dynamischen kontrastmittel-unterstützten Suszeptibilitäts-gewichteten (dynamic susceptibility contrast enhanced, DSC) Bildgebung und der arteriellen Spinmarkierung (Arterial Spin Labelling, ASL) bei Gliomen in Bezug auf ihre histologische Klassifikation befasst. Über den prädiktiven Wert dieser Magnetresonanztomographie-Techniken hinsichtlich der Prognose der Patienten ist bisher jedoch weniger bekannt. Da die kontrastmittelfreie ASLBildgebung immer weiter an Bedeutung zunimmt, ist der Zweck dieser Studie, einerseits den prädiktiven Wert beider bildgebenden Methoden hinsichtlich der Vorhersage der rezidivfreien Überlebenszeit sowie andererseits deren Austauschbarkeit bei Patienten mit höhergradigen Gliomen zu untersuchen. Material und Methoden: Insgesamt lagen von 69 WHO Grad 3-4 Gliomen die Rohdaten der DSC- und der ASL-Bildgebung vor. Die DSC- und ASL-basierten Perfusionskarten wurden ausgewertet und jeweils die mittleren und maximalen Werte des relativen zerebralen Blutvolumens (relative cerebral blood volume, rCBV), des relativen zerebralen Blutflusses (relative cerebral blood flow, rCBF) und des Kontrastmittel-Austritts in den Extravasalraum (leakage) erfasst. Die Perfusionskarten wurden hinsichtlich der räumlichen Verteilung der maximalen Perfusionswerte innerhalb des Tumors miteinander verglichen. Mittels Wilcoxon-Mann-Whitney-Test und Bland-Altman-Diagramm wurden DSC und ASL hinsichtlich rCBF miteinander verglichen. Der Rangkorrelationskoeffizient nach Spearman wurde für alle Perfusionsparameter bestimmt. Um den optimalen Schwellen-Perfusionswert zur Vorhersage des rezidivfreien Intervalls zu bestimmen, wurde eine Receiver Operating Characteristic (ROC)- Kurve erstellt. Die Überlebenskurven wurden nach Kaplan-Meier mit dem Log-Rang-Test erstellt. Ergebnisse Der Median von ASL-rCBF, DSC-rCBF und DSC-rCBV lag bei 5,3; 6,9; bzw. 8,0. Die Rangkorrelation nach Spearman ergab für alle DSCPerfusionsparameter eine signifikante Korrelation. Für ASL-rCBF und DSCrCBF konnte weder eine signifikante Korrelation noch ein signifikanter Unterschied nachgewiesen werden (Wilcoxon-Mann-Whitney-Test p = 0,07). Im Bland-Altman-Diagramm zeigte sich eine leichte asymmetrische Verzerrung, so dass insbesondere bei höheren Durchschnittswerten keine Austauschbarkeit der DSC-rCBF- und ASL-rCBF-Werte vorlag. In der ROC-Analyse erzielte DSCrCBV das beste Ergebnis als einzelstehender Prognosefaktor (Area under the curve, AUC = 0,71). DSC-rCBF war dem ASL-rCBF mit einer AUC von 0,59 gegenüber 0,58 leicht überlegen. Die Kombination von DSC-rCBV und ASLrCBF (AUC = 0,71) war dem alleinigen DSC-rCBV ebenbürtig. Der beste prädikative Wert konnte durch eine Kombination von DSC-rCBV, DSC-rCBF, leakage und ASL-rCBF (AUC = 0,74) erzielt werden. DSC- und ASL-rCBF wiesen eine moderate Sensitivität und Spezifität für die Vorhersage der rezidivfreien Intervalle auf. Im Gegensatz zu DSC-rCBV (p = 0,002) unterschieden sich die Werte für die rezidivfreien Überlebenszeit in den Kaplan-Meier-Kurven jedoch nicht signifikant. Schlussfolgerung: Es konnte weder eine Korrelation noch eine Austauschbarkeit zwischen den DSC-rCBF- und den ASL-rCBF-Werten festgestellt werden. Der prädiktive Wert von ASL-rCBF war zwar mit DSC-rCBF vergleichbar, jedoch nicht signifikant hinsichtlich der Vorhersage der rezidivfreien Überlebenszeit. Die rCBV-Werte wiesen die beste Sensitivität und Spezifität bei der Vorhersage eines Rezidivs sowie der rezidivfreien Überlebenszeit auf. Die Kombination von DSC- und ASL-Perfusionswerten wies vielversprechende Ergebnisse auf, was die Steigerung des prognostischen Werts beider einzelnstehenden Techniken betrifft.