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Dynamic susceptibility contrast MRI-derived oxygen metabolism and perfusion metrics for distinguishing radiation necrosis from tumor progression in irradiated brain metastases - 15/01/26

Doi : 10.1016/j.diii.2026.01.002 
Maud Koldeweij a, g, Thiebaud Picart b, g, Laure Thomas c, g, Emilien Jupin-Delevaux a, g, Chloé Dumot b, g, Loïc Feuvret d, g, Andrea Gambino a, g, Delphine Gamondès a, g, Francesco Lavra a, g, Marc Hermier a, g, François Cotton d, f, g, Jérôme Honnorat c, f, g, François Ducray c, g, h, Yves Berthezène a, e, g, Alexandre Bani-Sadr a, e, g,
a Department of Neuroradiology, East Group Hospital, Hospices Civils de Lyon, 69500 Bron, France 
b Department of Neurosurgery, East Group Hospital, Hospices Civils de Lyon, 69500 Bron, France 
c Department of Neuro-Oncology, East Group Hospital, Hospices Civils de Lyon, 69500 Bron, France 
d Department of Radiation Therapy, East Group Hospital, Hospices Civils de Lyon, 69500 Bron, France 
e Department of Radiology, South Lyon Hospital, Hospices Civils de Lyon, 69495 Oullins, France 
f CREATIS Laboratory, CNRS UMR 5220, INSERM U1294, Claude Bernard Lyon I University, 69100 Villeurbanne, France 
g French Reference Center on Paraneoplastic Neurological Syndrome, Hospices Civils De Lyon, Institute MeLiS UMR INSERM U1314 / CNRS 5284, Université Claude-Bernard Lyon-1, 69008 Lyon, France 
h Cancer Initiation and Tumoral Cell Identity Department, Cancer Research Center of Lyon (CRCL) INSERM 1052, CNRS 5286, 69008 Lyon, France 

Corresponding author.
Sous presse. Épreuves corrigées par l'auteur. Disponible en ligne depuis le Thursday 15 January 2026

Highlights

In patients with irradiated brain metastases, distinguishing true tumor progression from radiation necrosis remains challenging.
Lesions with true progression demonstrate greater relative cerebral blood volume (rCBV), whereas those with radiation necrosis show greater relative oxygen extraction fraction (rOEF) on dynamic susceptibility contrast perfusion MRI.
Although combining rCBV with rOEF does not improve diagnostic capabilities beyond either parameter alone, increased rOEF is associated with longer overall survival.
Dynamic susceptibility contrast-derived rOEF may serve as a non-invasive imaging marker for the diagnosis of radiation necrosis after radiation of brain metastases.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abstract

Purpose

The purpose of this study was to determine the capabilities of dynamic susceptibility contrast (DSC)‑derived microvascular and oxygen metabolism metrics to distinguish radiation necrosis (RN) from tumor progression (TP) in irradiated brain metastases.

Materials and methods

Fifty‑eight patients who completed cranial irradiation and underwent DSC perfusion MRI between August 2014 and August 2024 were retrospectively included. There were 31 men and 27 women, with a median age of 60.5 years (first quartile [Q1], 52.3; third quartile [Q3], 68.8). Perfusion, microvascular, and metabolic maps were generated with commercially available software. Lesion‑to‑white‑matter ratios were computed for all DSC-derived microvascular and oxygenation metrics including relative cerebral blood volume (rCBV) and oxygen extraction fraction (rOEF). Reference diagnoses were histopathology (n = 11) or multidisciplinary follow‑up ( n = 47). Logistic regression analysis was used to identify metrics associated with RN versus TP, and receiver operating characteristic curve analysis was used to estimate diagnostic performance. For prognosis, overall survival was analyzed using Cox proportional hazards models.

Results

A total of 58 brain lesions were studied, including 34 TPs and 24 RNs. Patients with RN had longer overall survival than those with TP (median not reached vs . 22 months; P = 0.01). Among all metrics, only rCBV and rOEF differed significantly. TP showed higher median rCBV (1.8; Q1, 1.2; Q3, 2.8) than RN (1.1; Q1, 0.6; Q3, 1.9) ( P = 0.02). RN exhibited greater median rOEF (1.9; Q1, 1.4; Q3, 2.1) than TP (1.5; Q1, 1.3; Q3, 1.8, P = 0.03). rCBV achieved an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.69 (95 % confidence interval [CI]: 0.54–0.83), rOEF an AUC of 0.66 (95 % CI: 0.52–0.81), and their combination and AUC of 0.74 (95 % CI: 0.60–0.87) without significant differences ( P ≥ 0.19). After adjusting for rCBV in multivariable analysis, rOEF remained significantly associated with RN (odds ratio, 0.23; 95 % CI: 0.06–0.72; P = 0.02). A greater rOEF was also associated with a longer overall survival in Cox analysis (adjusted hazard ratio, 0.72; 95 % CI: 0.55–0.95. P = 0.02).

Conclusion

Elevated rCBV is in favor of the diagnosis of TP whereas increased rOEF is in favor of the diagnosis of RN in patients with irradiated brain metastases. Although combining metrics did not confer significant diagnostic advantages, rOEF shows an independent association with longer overall survival.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Brain MRI, Cerebral blood volume, Oxygen extraction fraction, Perfusion MRI, Radiation necrosis, Tumor progression

Abbreviations : AUC, CBF, CBV, CI, CMRO 2 , COV, CTH, DSC, MRI, OEF, OS, Q1, Q3, TP, rCBV, rCMRO 2 , rOEF, RN, ROC, ROI


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