Abstract The European Prevention of Alzheimer Dementia (EPAD) is a multi-center study that aims to characterize the preclinical and prodromal stages of Alzheimer’s Disease. The EPAD imaging dataset includes core (3D T1w, 3D FLAIR) and advanced (ASL, diffusion MRI, and resting-state fMRI) MRI sequences. Here, we give an overview of the semi-automatic multimodal and multisite pipeline that we developed to curate, preprocess, quality control (QC), and compute image-derived phenotypes (IDPs) from the EPAD MRI dataset. This pipeline harmonizes DICOM data structure across sites and performs standardized MRI preprocessing steps. A semi-automated MRI QC procedure was implemented to visualize and flag MRI images next to site-specific distributions of QC features — i.e. metrics that represent image quality. The value of each of these QC features was evaluated through comparison with visual assessment and step-wise parameter selection based on logistic regression. IDPs were computed from 5 different MRI modalities and their sanity and potential clinical relevance were ascertained by assessing their relationship with biological markers of aging and dementia. The EPAD v1500.0 data release encompassed core structural scans from 1356 participants 842 fMRI, 831 dMRI, and 858 ASL scans. From 1356 3D T1w images, we identified 17 images with poor quality and 61 with moderate quality. Five QC features — Signal to Noise Ratio (SNR), Contrast to Noise Ratio (CNR), Coefficient of Joint Variation (CJV), Foreground-Background energy Ratio (FBER), and Image Quality Rate (IQR) — were selected as the most informative on image quality by comparison with visual assessment. The multimodal IDPs showed greater impairment in associations with age and dementia biomarkers, demonstrating the potential of the dataset for future clinical analyses.

Blood-brain-barrier (BBB) dysfunction is a hallmark of aging-related disorders, including cerebral small vessel disease and Alzheimer’s disease. An emerging biomarker of BBB dysfunction is time of exchange (Tex) of water across the BBB as measured by multi-echo arterial spin labeling MRI. We evaluated Tex across the age spectrum in 40 adults from two cohorts of healthy controls, and demonstrated that Tex is higher in gray than in white matter, higher in females than in males, and that Tex decreases with age. These findings suggest that BBB permeability changes over the lifespan can be investigated using arterial spin labeling approaches.

Abstract Cerebral perfusion models were found to be promising research tools to predict the impact of acute ischaemic stroke and related treatments on cerebral blood flow (CBF) linked to patients’ functional outcome. To provide insights relevant to clinical trials, perfusion simulations need to become suitable for group-level investigations, but computational studies to date have been limited to a few patient-specific cases. This study set out to overcome issues related to automated parameter inference, that restrict the sample size of perfusion simulations, by integrating neuroimaging data. Seventy-five brain models were generated using measurements from a cohort of 75 healthy elderly individuals to model resting-state CBF distributions. Computational perfusion model geometries were adjusted using healthy reference subjects’ T1-weighted MRI. Haemodynamic model parameters were determined from CBF measurements corresponding to arterial spin labelling perfusion MRI. Thereafter, perfusion simulations were conducted for 150 acute ischaemic stroke cases by simulating an occlusion and cessation of blood flow in the left and right middle cerebral arteries. The anatomical (geometrical) fitness of the brain models was evaluated by comparing the simulated grey and white matter (GM and WM) volumes to measurements in healthy reference subjects. Statistically significant, strong positive correlations were found in both cases (GM: Pearson’s r 0.74, P -value< 0.001; WM: Pearson’s r 0.84, P -value< 0.001). Haemodynamic parameter tuning was verified by comparing total volumetric blood flow rate to the brain in reference subjects and simulations resulting in Pearson’s r 0.89, and P -value< 0.001. In acute ischaemic stroke cases, the simulated infarct volume using a perfusion-based proxy was 197±25 ml. Computational results showed excellent agreement with anatomical and haemodynamic literature data corresponding to T1-weighted, T2-weighted, and phase-contrast MRI measurements both in healthy scenarios and in acute ischaemic stroke cases. Simulation results represented solely worst-case stroke scenarios with large infarcts because compensatory mechanisms, e.g. collaterals, were neglected. The established computational brain model generation framework provides a foundation for population-level cerebral perfusion simulations and for in silico clinical stroke trials which could assist in medical device and drug development.

Arterial spin labeling (ASL) has undergone significant development since its inception, with a focus on improving standardization and reproducibility of its acquisition and quantification. In a community-wide effort towards robust and reproducible clinical ASL image processing, we developed the software package ExploreASL, allowing standardized analyses across centers and scanners. The procedures used in ExploreASL capitalize on published image processing advancements and address the challenges of multi-center datasets with scanner-specific processing and artifact reduction to limit patient exclusion. ExploreASL is self-contained, written in MATLAB and based on Statistical Parameter Mapping (SPM) and runs on multiple operating systems. The toolbox adheres to previously defined international standards for data structure, provenance, and best analysis practice. ExploreASL was iteratively refined and tested in the analysis of >10,000 ASL scans using different pulse-sequences in a variety of clinical populations, resulting in four processing modules: Import, Structural, ASL, and Population that perform tasks, respectively, for data curation, structural and ASL image processing and quality control, and finally preparing the results for statistical analyses on both single-subject and group level. We illustrate ExploreASL processing results from three cohorts: perinatally HIV-infected children, healthy adults, and elderly at risk for neurodegenerative disease. We show the reproducibility for each cohort when processed at different centers with different operating systems and MATLAB versions, and its effects on the quantification of gray matter cerebral blood flow. ExploreASL facilitates the standardization of image processing and quality control, allowing the pooling of cohorts to increase statistical power and discover between-group perfusion differences. Ultimately, this workflow may advance ASL for wider adoption in clinical studies, trials, and practice.