Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Oksygeneringsfølsom MR av hjertet med vasoaktive pustemanøvrer for ikke-invasiv vurdering av koronar mikrovaskulær dysfunksjon

Published: August 17, 2022 doi: 10.3791/64149
Automatic Translation
1,2, 1, 1,3
1Faculty of Medicine and Health Sciences, McGill University, 2Faulty of Medicine and Dentistry, University of Alberta, 3Departments of Medicine and Diagnostic Radiology, McGill University

Summary

Vurderingen av mikrovaskulær funksjon ved oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning i kombinasjon med vasoaktive pustemanøvrer er unik i sin evne til å vurdere raske dynamiske endringer i myokardial oksygenering in vivo og kan derfor tjene som en kritisk viktig diagnostisk teknikk for koronar vaskulær funksjon.

Abstract

Oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning (OS-CMR) er en diagnostisk teknikk som bruker de iboende paramagnetiske egenskapene til deoksyhemoglobin som en endogen kilde til vevskontrast. Brukt i kombinasjon med standardiserte vasoaktive pustemanøvrer (hyperventilering og apné) som en potent ikke-farmakologisk vasomotorisk stimulus, kan OS-CMR overvåke endringer i myokardial oksygenering. Kvantifisering av slike endringer i løpet av hjertesyklusen og gjennom vasoaktive manøvrer kan gi markører for koronar makro- og mikrovaskulær funksjon og dermed omgå behovet for eventuelle ytre, intravenøse kontrast- eller farmakologiske stressmidler.

OS-CMR bruker den velkjente følsomheten til T2*-vektede bilder for oksygenering av blod. Oksygeneringsfølsomme bilder kan anskaffes på hvilken som helst hjerte-MR-skanner ved hjelp av en modifisert standard klinisk steady-state free precession (SSFP) cine-sekvens, noe som gjør denne teknikken leverandør-agnostisk og enkelt implementert. Som en vasoaktiv pustemanøver bruker vi en 4 minutters pusteprotokoll på 120 s fri pust, 60 s tempohyperventilering, etterfulgt av et ekspiratorisk pustehold på minst 30 s. Den regionale og globale responsen av oksygenering av myokardvev på denne manøveren kan vurderes ved å spore signalintensitetsendringen. Endringen i løpet av de første 30 årene av pusten etter hyperventilering, referert til som pusteindusert myokardial oksygeneringsreserve (B-MORE), har blitt studert hos friske mennesker og ulike patologier. En detaljert protokoll for å utføre oksygenfølsomme CMR-skanninger med vasoaktive manøvrer er gitt.

Som demonstrert hos pasienter med mikrovaskulær dysfunksjon i ennå ufullstendig forstått tilstander, slik som induserbar iskemi uten obstruktiv koronar stenose (INOCA), hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon (HFpEF), eller mikrovaskulær dysfunksjon etter hjertetransplantasjon, gir denne tilnærmingen unik, klinisk viktig og komplementær informasjon om koronar vaskulær funksjon.

Introduction

Oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning (OS-CMR) bruker de iboende paramagnetiske egenskapene til deoksyhemoglobin som en endogen kilde til MR-kontrast 1,2,3. Brukt i kombinasjon med standardiserte vasoaktive pustemanøvrer (hyperventilering og apné) som en potent ikke-farmakologisk vasomotorisk stimulus, kan OS-CMR overvåke endringer i myokardial oksygenering som en markør for vaskulær funksjon, og dermed omgå behovet for eventuelle ekstrinsiske, intravenøse kontrast- eller farmakologiske stressmidler 4,5,6.

Pustemanøvrer, inkludert pustehold og hyperventilering, er svært effektive vasoaktive tiltak for å endre vasomotion, og på grunn av deres sikkerhet og enkelhet er de ideelle for kontrollert endotelavhengig vasomotion som en del av en diagnostisk prosedyre. Studier har vist en ekstra effektivitet når man kombinerer hyperventilering med et påfølgende pustehold4,7, som under en slik protokoll blir vasokonstriksjonen (gjennom den tilhørende reduksjonen av blodkarbondioksid) etterfulgt av vasodilatasjon (økning av karbondioksid i blodet); Dermed overgår et sunt vaskulært system gjennom hele spekteret fra vasokonstriksjon til vasodilatasjon med en sterk økning i myokardial blodstrøm, noe som igjen øker myokardial oksygenering og dermed den observerbare signalintensiteten i OS-CMR-bilder. Bruken av cine-bilder for oppkjøpet tillater også hjertefaseoppløste resultater med et bedre signal-støyforhold sammenlignet med adenosininfusjon8.

Åndedrettsmanøvrer kan erstatte farmakologiske stressmidler for å indusere vasoaktive forandringer som kan brukes til å vurdere koronar vaskulær funksjon. Dette reduserer ikke bare pasientrisiko, logistisk innsats og tilhørende kostnader, men bidrar også til å gi resultater som er klinisk mer meningsfylte. Farmakologiske stressmidler som adenosin utløser en endotelavhengig respons og reflekterer dermed selve endotelfunksjonen. En slik spesifikk vurdering av endotelfunksjonen så langt var bare mulig ved intrakoronar administrering av acetylkolin som endotelavhengig vasodilator. Denne prosedyren er imidlertid svært invasiv 2,9 og utføres derfor sjelden.

I mangel av tilgang til direkte biomarkører har flere diagnostiske teknikker brukt surrogatmarkører som vevsopptak av et eksogent kontrastmiddel. De er begrenset av behovet for en eller to intravenøse tilgangslinjer, kontraindikasjoner som alvorlig nyresykdom eller atrioventrikulært blokk, og behovet for fysisk tilstedeværelse av personale med opplæring i å håndtere potensielt alvorlige bivirkninger10,11. Den viktigste begrensningen ved dagens avbildning av koronarfunksjonen er imidlertid fortsatt at myokardperfusjon som surrogatmarkør ikke reflekterer oksygenering av myokardvev som den viktigste nedstrøms konsekvensen av vaskulær dysfunksjon2.

OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer har blitt brukt til å evaluere vaskulær funksjon i mange scenarier, inkludert friske individer, makrovaskulær sykdom hos pasienter med koronararteriesykdom (CAD), samt mikrovaskulær dysfunksjon hos pasienter med obstruktiv søvnapné (OSA), iskemi uten obstruktiv koronararteriestenose (INOCA), etter hjertetransplantasjon og hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon (HFpEF) 4, 7,12,13,14,15,16. I en CAD-populasjon ble protokollen for pusteindusert myokardial oksygeneringsreserve (B-MORE) som avledet fra OS-CMR vist seg å være trygg, gjennomførbar og sensitiv for å identifisere en nedsatt oksygeneringsrespons i myokardterritorier perfusert av en koronararterie med signifikant stenose13.

Ved mikrovaskulær dysfunksjon viste OS-CMR en forsinket myokardial oksygeneringsrespons hos pasienter med obstruktiv søvnapné, og en sløv B-MORE ble funnet hos pasienter med bevart ejeksjonsfraksjon og etter hjertetransplantasjon12,14,16. Hos kvinner med INOCA førte pustemanøveren til en unormalt heterogen myokardial oksygeneringsrespons, noe som fremhevet fordelen med den høye romlige oppløsningen til OS-CMR15. Denne artikkelen gjennomgår begrunnelsen og metodikken for å utføre OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer og diskuterer dens kliniske nytte i vurderingen av vaskulær patofysiologi hos pasientpopulasjoner med mikrovaskulær dysfunksjon, spesielt når det gjelder endoteldysfunksjon.

Den fysiologiske konteksten av pusteforsterket oksygeneringsfølsom MR
Under normale fysiologiske forhold motsvares en økning i oksygenbehovet av en tilsvarende økning i oksygenforsyningen gjennom økt blodstrøm, noe som resulterer i ingen endring i lokal deoksyhemoglobinkonsentrasjon. I motsetning til dette fører indusert vasodilatasjon til "overflødig" tilstrømning av oksygenrikt blod uten endring i oksygenbehov. Følgelig er mer av vevshemoglobin oksygenert, og dermed er det mindre deoksyhemoglobin, noe som fører til en relativ økning i OS-CMR-signalintensiteten 4,17. Hvis vaskulær funksjon er kompromittert, kan den ikke reagere riktig på en endret metabolsk etterspørsel eller stimulans for å øke myokardial blodstrøm.

I forbindelse med en stimulus for å fremkalle vasomotion, slik som tempohyperventilering fremkaller vasokonstriksjon eller et langt pust-hold som fremkaller karbondioksidmediert vasodilatasjon, vil nedsatt vasomotorisk aktivitet resultere i en relativ økning i lokal deoksyhemoglobinkonsentrasjon sammenlignet med andre regioner, og deretter en redusert endring i OS-CMR-signalintensitet. I forbindelse med induserbar iskemi vil nedsatt vaskulær funksjon resultere i økt lokal etterspørsel som ikke møtes av en lokal økning i myokardial blodstrøm, selv i fravær av epikardial koronar stenose. I OS-CMR-bilder fører netto lokal økning i deoksyhemoglobinkonsentrasjon til en reduksjon i lokal signalintensitet 2,18,19,20.

Svekket vaskulær glatt muskelrelaksasjon som respons på endotelavhengige og -uavhengige vasodilatorer (inkludert adenosin) er vist hos pasienter med koronar mikrovaskulær dysfunksjon 21,22,23,24,25,26,27 . Endoteluavhengig dysfunksjon antas å skyldes strukturelle avvik fra mikrovaskulær hypertrofi eller omkringliggende myokardpatologi. I motsetning til dette resulterer endoteldysfunksjon i både utilstrekkelig vasokonstriksjon og nedsatt (endotelavhengig) vasorelaksasjon, vanligvis forårsaket av tap av nitrogenoksidbioaktivitet i karveggen21,28. Endoteldysfunksjon har vært involvert i patogenesen av en rekke kardiovaskulære sykdommer, inkludert hyperkolesterolemi, hypertensjon, diabetes, CAD, obstruktiv søvnapné, INOCA og HF 23,24,28,29,30,31,32. Faktisk er endoteldysfunksjon den tidligste manifestasjonen av koronar aterosklerose33. Avbildningen av endotelfunksjon har svært sterkt potensial, gitt sin rolle som en signifikant prediktor for uønskede kardiovaskulære hendelser og langsiktige resultater, med dype prognostiske implikasjoner i kardiovaskulære sykdomstilstander 23,29,30,31,34,35.

I motsetning til perfusjonsavbildning, gjør pusteindusert myokardial oksygeneringsreserve (B-MORE), definert som den relative økningen i myokardial oksygenering under et posthyperventilerende pustehold, det mulig å visualisere konsekvensene av en slik vasoaktiv utløser på global eller regional oksygenering selv 2,36. Som en nøyaktig nedstrøms markør for vaskulær funksjon, kan B-MORE derfor ikke bare identifisere vaskulær dysfunksjon, men også faktisk induserbar iskemi, noe som indikerer et mer alvorlig lokalt perfusjons- eller oksygeneringsproblem18,19,37. Dette oppnås gjennom OS-CMRs evne til å visualisere den relative reduksjonen i deoksygenert hemoglobin, som er rikelig i myokardets kapillære system, som i seg selv representerer en betydelig andel myokardvev24.

OS-CMR-sekvens
Den magnetiske resonansavbildningen (MRI) som brukes til OS-CMR-avbildning, er en prospektivt gated, modifisert, balansert, steady-state, fri presesjon (bSSFP) sekvens oppnådd i to kortaksede skiver. Denne bSSFP-sekvensen er en standard klinisk sekvens som er tilgjengelig (og modifiserbar) på alle MR-skannere som utfører hjerte-MR, noe som gjør denne teknikken leverandøragnostisk og enkel implementert. I en vanlig bSSFP-cinesekvens modifiseres ekkotid, repetisjonstid og vippevinkel for å sensibilisere den resulterende signalintensiteten til BOLD-effekten og dermed skape en oksygeneringsfølsom sekvens. Denne tilnærmingen, en T2-forberedt bSSFP-avlesning, har tidligere vist seg å være egnet for å anskaffe oksygeneringsfølsomme bilder med høyere signal-til-støy-forhold, høyere bildekvalitet og raskere skannetider sammenlignet med tidligere gradientekkoteknikker som ble brukt til BOLD-avbildning38. Å utføre pusteforbedret OS-CMR med denne tilnærmingen kan brukes med svært få, milde bivirkninger (tabell 1). Merk at mer enn 90% av deltakerne fullfører denne protokollen med tilstrekkelig lange pustetider 4,12,13,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle MR-skanninger som bruker OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer, bør utføres i samsvar med lokale institusjonelle retningslinjer. Protokollen nedenfor er brukt i studier som er godkjent av flere institusjonelle komiteer for human forskningsetikk. Det ble innhentet skriftlig samtykke for alle data og resultater fra mennesker som er beskrevet i denne protokollen og dette manuskriptet.

1. Bred oversikt

  1. Varier inklusjons- og eksklusjonskriteriene avhengig av studiepopulasjonen av interesse. Bruk følgende generelle, vanlige eksklusjonskriterier for en OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrerprotokoll: generelle MR-kontraindikasjoner (f.eks. MR-inkompatible enheter som pacemakere eller defibrillatorer, implantert materiale eller fremmedlegemer), forbruk av koffein eller vasoaktiv medisinering i 12 timer før MR, og alder <18 år.
  2. Skaff deg først standard klinisk lokalisatorspeider og ventrikkelstruktur og funksjonsbilder før du anskaffer OS-oppkjøpene. Bruk bSSFP-cine-bildene med lang akse til å planlegge stykkeplasseringen av OS-anskaffelsene.
    MERK: En gjennomgang av standardiserte kliniske CMR-protokoller er beskrevet andre steder39.
  3. Puste-hold ved baseline
    1. Skaff deg den første OS-CMR-serien som en kort, grunnleggende innåndingsanskaffelse for å vurdere bildekvalitet og stykkeplassering, se etter artefakter, samt tjene som en signalintensitetsgrunnlinje.
    2. Utfør en kort (~ 10 s), enkelt hjertesyklusoppkjøp etter at deltakeren har pustet normalt. Sørg for at pusteholdet er ferdig ved utløpsdato.
  4. Kontinuerlig oppkjøp med vasoaktiv pustemanøver
    1. Skaff deg den andre OS-CMR-serien som en 4 min, kontinuerlig innsamling bestående av 2 min fri pusting og 1 min tempohyperventilering, etterfulgt av et frivillig, maksimalt pustehold (~1 min). Ettersom den kontinuerlige innsamlingen oppnår flere hjertesykluser over 4 minutter, modifiser en ekstra parameter (antall hjertesykluser oppnådd ved oppkjøpet) for å gjøre denne serien til et oppkjøp med gjentatte målinger
      MERK: Minste nødvendige pustelengde er 30 s, selv om et pustetak på 60 s regnes som standard.
    2. Formidle instruksjonene for den vasoaktive pustemanøveren til deltakerne i MR-skanneren ved å dirigere deltakeren manuelt gjennom pustemanøveren gjennom en mikrofon koblet til MR-høyttalersystemet eller gjennom en forhåndsinnspilt .mp3-fil (tilleggsfil 1) som kan spilles av for deltakeren gjennom MR-høyttalersystemet.
    3. Start den vasoaktive pustemanøveren med fri pust (etter 120 s med fri pust begynner hyperventilering). Veiled deltakeren gjennom tempopust med bruk av hørbare pip fra en metronom med en frekvens på 30 pust / min (ett pip indikerer pust inn, ett pip indikerer å puste ut). Ved 55 s-merket for hyperventilering, gi en siste talekommando for å "ta et dypt pust inn og pust deretter ut og hold pusten" for å sikre at pusteholdet utføres på et utløpsnivå.
      MERK: Endringen i blod CO 2 er mye mer uttalt med pustehold ved utløp (lungeoverflaten er mindre, noe som minimerer gjenværende diffusjon av CO2 i alveolene).
  5. Bildeanalyse
    1. For å måle B-MORE, vurder det første endesystoliske bildet under pustehold som tid 0 s. Sammenlign de globale eller regionale signalintensitetsverdiene for det systoliske bildet som er tatt nærmest 30 s av pusteholdet, med bildesignalintensiteten ved 0 s-tidspunktet. Rapporter BMORE som en prosentvis endring i signalintensitet ved 30 s sammenlignet med tid 0 s av puste-hold.

2. Prosedyre før skanning

  1. Sørg for at hver deltaker passerer spørreskjemaet for MR-sikkerhet og kompatibilitet fra den lokale institusjonen (MR General Kontraindikasjonsskjema), som skal inneholde spørsmål om tidligere medisinsk og kirurgisk historie og identifisere tilstedeværelsen av implantat, enhet eller metallisk fremmedlegeme i eller på operasjonsstedet til deltakeren40.
  2. Få en graviditetstest, hvis aktuelt.
  3. Kontroller at pasienten har avstått fra vasoaktiv medisinering og koffein i 12 timer før MR-skanningen.
  4. Vis deltakeren instruksjonsvideoen for pustemanøveren (tilleggsvideo S1).
    1. Utfør en treningsøkt på 60 s med tempohyperventilering etterfulgt av et maksimalt frivillig pustehold med hver deltaker utenfor MR-skanningsrommet og gi tilbakemelding på ytelsen til hyperventileringen.
    2. Instruer deltakerne om at de ganske enkelt kan fortsette å puste når de har en sterk trang til å gjøre det.
      MERK: Se diskusjonen for punkter å merke seg og gi tilbakemelding på til deltakerne.

3. MR-oppkjøp av oksygeneringsfølsomme sekvenser

  1. Endre tre parametere fra standard bSSFP-sekvens på MR-konsollen: øke repetisjonstiden (TR), øke ekkotiden (TE), redusere vendevinkelen (FA).
    MERK: De modifiserte verdiene er avhengig av feltstyrken til MR-skanneren (tabell 2). Økende TR og TE og redusert FA resulterer i en økning i T2* eller oksygeneringsfølsomheten til MR-sekvensen. Disse modifikasjonene vil da resultere i en økning i båndbredde og baseoppløsning av sekvensen.
  2. Opprett to OS-serier, en grunnlinje (merket: OS_base) og den kontinuerlige innsamlingen der pustemanøveren utføres (merket: OS_cont_acq). La OS-sekvensen for grunnlinje være uendret. I operativsystemet kontinuerlig oppkjøp, øk de gjentatte tiltakene fra 1 til ~ 25-40 (avhengig av skannertype). Øk antall hjertesykluser (mål) til innsamlingstiden er ~4,5 min.
    MERK: To OS-CMR-sekvenser er nødvendig: OS baseline acquisition og OS kontinuerlig oppkjøp med vasoaktive pustemanøvrer. Delene nedenfor beskriver disse trinnene.

4. Anskaffelse av operativsystem

  1. For skiveresept, planlegg i en endesystolisk stillbilde med en lang aksevisning (to- eller firekammerbilde). Foreskrive to kortakseskiver - en i midten til basal og den andre på mid-til-apikal ventrikkelnivå. Se diskusjonen for punkter å vurdere angående stykkeplassering.
  2. Justeringer av sekvensparametere
    1. Juster sekvensparametrene etter behov for en gitt deltaker. Se tabell 3 for sekvensparametere enn det som kan eller ikke kan endres.
    2. Juster gjennomsnittlig avstand mellom skiver basert på størrelsen på deltakerens hjerte og sørg for riktig stykkeplassering.
    3. Juster synsfeltet for å unngå tekstbrytingsartefakter om nødvendig. Gjør ditt ytterste for å holde synsfeltet mellom 360 mm og 400 mm.
  3. Shim volum
    1. Juster mellomleggsvolumet slik at det er stramt rundt venstre ventrikkel i både lang- og kortaksevisning.
  4. Sekvens oppkjøp
    1. Godkjenn sekvensen og kjør den under utløpstiden. Kontroller at denne baseline OS-sekvensen varer ~10 s, basert på hjertefrekvensen og MR-skanneren.
  5. Kontroll av bildekvalitet
    1. Sjekk begge skivene av den oppkjøpte serien - se etter åndedrettsbevegelser, dårlig stykkeplassering eller tilstedeværelse av gjenstander. Gjenta baseline OS-sekvensen til tilstrekkelig bildekvalitet er oppnådd.
  6. For feilsøking, hvis stykkeplasseringen er for basal eller for apikal, juster den foreskrevne stykkeplasseringen for å være nærmere midtventrikkelnivået. Hvis det er en artefakt til stede, følger du trinnene nedenfor:
    1. Kontroller retningen for fasekoding.
    2. Gjør synsfeltet større.
    3. Juster mellomleggsvolumet rundt venstre ventrikkel.

5. OS kontinuerlig oppkjøp med vasoaktive pustemanøvrer

MERK: Sørg for at hver deltaker har blitt instruert om riktig utførelse av pustemanøveren før de er i MR-skanneren (se avsnitt 2).

  1. Sekvensiell planlegging
    1. Hvis mulig, kopier stykkeposisjon og juster volumet fra OS-grunnlinjebildet eller dupliser OS-sekvensen for grunnlinjen, og øk fra 1 til ~25-40 ved gjentatte målinger (eller nær 4,5 min anskaffelsestid).
  2. Kontroller plasseringen av bildet og stykket, og ta deretter opp syklusen.
  3. Hvis mulig, åpne live stream-vinduet.
  4. I kontrollrommet kobler du en enhet med pustemanøverens instruksjoner .mp3 filen til hjelpeinngangen eller forbereder deg på å holde den over mikrofonen som projiseres inn i MR-skanneren. Alternativt kan du manuelt veilede deltakeren gjennom pustemanøveren ved hjelp av en stoppeklokke for timing og muntlig gi instruksjoner gjennom mikrofonen som er koblet til MR-høyttalersystemet.
  5. Sekvens oppkjøp
    1. Trykk samtidig på play for OS Continuous Acquisition-sekvensen på MR-skanneren og spill for .mp3 pusteinstruksjonsfilen eller start stoppeklokken hvis deltakeren blir manuelt instruert.
    2. Hvis du manuelt veileder deltakeren gjennom pustemanøvrene, må du be dem om å puste inn og puste ut, deretter holde pusten i 10 sekunder, og begynne å hyperventilere så snart de hører metronompipet.
    3. Gi beskjed til deltakeren ved 40 s-merket om hyperventilering (2:40 på stoppeklokken).
    4. På 55 s tidspunkt for hyperventilering (2:55 på stoppeklokken), instruer deltakeren til å "ta et dypt pust inn, puste ut og hold pusten".
      MERK: De frie puste- og hyperventileringsbildene vil ha bevegelsesartefakter. Dette er forventet. Det skal imidlertid ikke være noen bevegelsesartefakter under pusteholdet. Det er kritisk viktig at de pustende bildene blir tatt etter utånding (komfortabel endeekspiratorisk stilling). Bare et pustehold etter utånding fører til den raske økningen av blod CO2 i løpet av de første 30 sekundene av den påfølgende pusten, med tilhørende endring av koronar blodstrøm og myokardial oksygenering.
    5. Overvåk deltakerens ytelse av hyperventilering gjennom kontrollromvinduet eller MR-skannerkameraet for å sikre tilstrekkelig ytelse av dyp pusting. Hvis belg brukes, må du overvåke amplitutetoppene på respiratorisk gating-seeren. Hvis hyperventilering ikke utføres tilstrekkelig etter første veiledning, avbryter du anskaffelsen og gjentar sekvensen for kontinuerlig innsamling av operativsystemet.
    6. Overvåk for eventuelle små åndedrag tatt av deltakerne gjennom hele pusten. Dette gjøres ved å overvåke sporingen av et respirasjonsbelte på MR-konsollen eller visuelt gjennom vinduet/kameraet.
    7. Når deltakeren begynner å puste på slutten av pusten, stopp oppkjøpet.
    8. Etter slutten av oppkjøpet, spør deltakeren om de opplevde noen bivirkninger og la deltakeren puste normalt i 3 minutter.
  6. Feilsøking: gjenta oppkjøp
    1. Hvis pustemanøvrene må gjentas, gjenta den grunnleggende OS-sekvensen.
      MERK: En periode på 2-3 minutter før oppkjøpet gjentas er nødvendig for at fysiologien skal gå tilbake til baseline. Tidligere data har vist at fysiologien ikke går tilbake til baseline etter 1 min41.
    2. Hvis bildekvaliteten til OS-grunnlinjesekvensen er tilstrekkelig, gjenta operativsystemets kontinuerlige oppkjøp og ytelse av pustemanøvrene.

6. Bildeanalyse

  1. Importer OS-CMR-bildedatasettene til et DICOM-visningsprogram med bildekontureringsfunksjoner, best med funksjonalitet for automatisk å analysere oksygeneringsfølsomme signalintensitetsendringer.
  2. Markører og deres måling
    1. Skaff deg et grunnlinjebilde under en kort, baseline breath-hold oppkjøp før hyperventilering (hvile). Sammenlign det første bildet av pust-hold (som representerer slutten av "stress" stimulus) til baseline bildet.
      MERK: Hyperventilering er en vasokonstriktiv stimulus som reduserer myokardial oksygenering (sunn: %ΔSI ≈-5% til -10%13).
    2. Få mange bilder (og hjertesykluser) under pusten. Bruk det første bildet av breath-hold som grunnlinje og sammenlign alle følgende bilder til dette bildet.
      MERK: Breath-hold er en vasodilaterende stimulus som øker myokardial oksygenering (%ΔSI ≈ +5%-15%12,13,14,16).
    3. Myokardiale konturer
      For manuell analyse: valg av hjertefase
      1. Siden pusteholdet kan inneholde mer enn 400 bilder, analyser bare en enkelt fase av hver hjertesyklus. Som et resultat, fokuser analysen på de systoliske bildene av hver hjertesyklus.
      2. Identifiser de endesystoliske bildene av hver hjertesyklus.
      3. Tegn epikardiale og endokardiale konturer rundt myokardiet.
      4. Vindu bildet for å se etter gjenstander, som vil vises som enten mørke (følsomhet) eller lyse områder på grunn av dårlig gating i myokardiet.
        MERK: Unngå å inkludere piksler med partielle volumeffekter fra venstre og høyre ventrikkelblodansamling. De fleste kontureringsfeil oppstår fra endokardial kontur, inkludert piksler med partielle volumeffekter og resulterende kunstig forhøyet signalintensitet fra venstre ventrikkelblodbasseng. For å unngå dette, tegne endokardialkonturen en hel piksel inne i myokardiet. På samme måte må du sørge for at epikardkonturen er en hel piksel inne i myokardiet for å unngå delvolumeffekter fra høyre ventrikkelblodbasseng, epikardfett eller luft-lungegrensesnitt.
      5. Kopier og lim inn endokardiale og epikardiale konturer fra det første endesystoliske bildet av hjertesyklusen til det endelige systoliske bildet av neste hjertesyklus. Juster konturene etter behov.
        For automatisert analyse:
        MERK: Med automatiserte kontureringsfunksjoner, hvis ønskelig, kan alle faser av hjertesyklusen kontureres og analyseres.
      6. Kontroller alle bildene for å sikre nøyaktig konturering.
        MERK: Noen kommersielt tilgjengelige automatiserte kontureringsfunksjoner har blitt opplært på datasett som ble konturert for volumetrisk analyse. Disse konturene er utsatt for partielle volumeffekter da de er ment å grense til blodbassenget og myokardiet. OS-CMR-konturene må være helt inne i myokardiet.

7. Segmentering for regional analyse

  1. For å få regional informasjon, identifiser anteroseptal og inferoseptal innsetting av høyre ventrikkel for å dele myokardiet i American Heart Association (AHA) segmentering42.

8. Beregning av B-MORE

  1. Uttrykk B-MORE som en prosentvis endring i signalintensitet fra baseline til vasodilatasjon (se ligning 1):
    Equation 1(1)
  2. Beregn den globale B-MORE som den globale gjennomsnittlige myokardsignalintensiteten til endesystoliske bilder ved 30 s sammenlignet med 0 s av pustehold8 (se ligning 2):
    Equation 2(2)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tolking av B-MORE
I tidligere publiserte studier som benytter OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer, ble den globale eller regionale B-MORE beregnet ved å sammenligne det første endesystoliske bildet av pusteholdet med det systoliske bildet nærmest 15 s, 30 s, 45 s, etc. av pusteholdet. Den end-systoliske fasen av hjertesyklusen ble valgt av flere grunner. Det systoliske bildet er den mest konsistente fasen som er identifisert blant og mellom leserne: det inneholder det største antallet piksler i myokardiet, det forekommer normalt på omtrent samme utløsertid uavhengig av deltakerens hjertefrekvens, og det er alltid tilstede i oppkjøpet (mens endediastolen kanskje ikke vises i prospektivt inngjerdede bilder gjennom et pustehold der hjertefrekvensen kan endres).

Fra et fysiologisk perspektiv ble 0 s og 30 s tidspunktene for pusteholdet spesielt valgt av følgende grunner. Tid 0 s (eller det første endesystoliske bildet av pusteholdet) er en vurdering av signalintensitet etter en periode med "stress" (60 s hyperventilering) og derfor poenget med maksimal vasokonstriksjon. Oversatt til signalintensitet representerer dette redusert myokardial blodstrøm uten økning i etterspørselen, noe som resulterer i en lokal økning i deoksyhemoglobinkonsentrasjon og redusert signalintensitet sammenlignet med baseline. Gjennom pusten øker signalintensiteten med karbondioksidmediert vasodilatasjon, noe som effektivt øker myokardial blodstrøm i sammenheng med ingen økning i lokal etterspørsel. Ved ~ 15 s tidspunkt for pusteholdet begynner signalintensitetskurven å platå 4,8. Derfor er det teoretiske minimumspusten som kreves for OS-CMR-analyse 15 s (eller to hjertesykluser oppnådd for å vurdere forskjellen mellom to datapunkter). Imidlertid har 30 s tidspunktet for pusteholdet vist seg å være mer robust og anses derfor som den sanne minimumskravet til pustelengde.

Etter beregning av global B-MORE (sammenligning av 30 s til 0 s av breath-hold), kan disse dataene vises visuelt og kvantitativt. Kvantitativt har globale B-MORE-verdier blitt sammenlignet mellom friske frivillige og pasienter med OSAS, CAD, INOCA og HFpEF, samt posthjertetransplantasjon 12,13,14,15,16 (tabell 4). Visuelt kan pikselvise fargeoverleggskart genereres for å forsterke kvantitative målinger i vurderingen av myokardial oksygenering (figur 1).

Figure 1
Figur 1: Myokardoksygeneringsreserve visualisert med et signalintensitetskart for å vurdere global og/eller regional vevsoksygenering oppnådd med OS-CMR og vasoaktive pustemanøvrer. (A) Global myokardial oksygenering opprettholdes hos en frisk frivillig; (B) en reduksjon i regional myokardial oksygenering hos en pasient med venstre fremre synkende stenose (100 % okklusjon ved kvantitativ koronar angiografi); (C) en global reduksjon i myokardial oksygenering hos en pasient med hjertesvikt. Fargelinjen gir en visuell representasjon av myokardial oksygenering, med svart / blå som representerer nedsatt og grønt som representerer en sunn myokardial oksygeneringsrespons. Forkortelser: OS-CMR = oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning; LAD = venstre fremre synkende. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Visuell fremstilling av full OS-CMR-skanning med vasoaktive pustemanøvrer. (A) Standardopptakene av en skanning av hjertemagnetisk resonansavbildning, inkludert lokalisatorer, kortaksede og langaksede cinefunksjonsbilder og vevskarakteriseringsbilder (for eksempel T1- og/eller T2-kartlegging). (B) Ytelsen, fysiologiske effekter, oppkjøp og endringer i MR-signalintensitet gjennom hele den vasoaktive pustemanøveren. Forkortelser: OS-CMR = oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning; DeoksyHb = deoksyhemoglobin. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Prosedyrer Risiki Grunner Frekvens Alvorlighetsgraden Persistens
MR av hjerte Hodepine, kvalme Magnetfelt Vanlige (10 %) Lett til alvorlig Vendbar
Angst, klaustrofobi Begrenset plass Sjeldne (<5 %) Lett til alvorlig Vendbar
Puste manøvrer Prikkende fingre Hyperventilering Vanlige (20 %) Lys Reversibel (<60 s)
Svimmelhet, hodepine Hyperventilering Vanlige (10 %) Lys Reversibel (<60 s)
Munntørrhet Hyperventilering Sjeldne (<5 %) Lys Reversibel (<60 s)

Tabell 1: Rapporterte bivirkninger ved skanning av hjertemagnetisk resonansavbildning og utførelse av vasoaktive pustemanøvrer. De rapporterte dataene ble samlet inn fra studier utført ved McGill University Health Center i over 300 deltakere (upubliserte data samlet inn ved Research Institute of the McGill University Health Center).

3T 1.5T
bSSFP mSSFP (OS) bSSFP mSSFP (OS)
Repetisjonstid (TR) 2,9 ms 3,5 ms 31,1 ms 39 ms
Ekkotid (TE) 1,21 ms 1,73 ms 1,21 ms 1,63 ms
Vendevinkel (FA) 80 grader 35 grader 39 grader 35 grader
Voxel størrelse 1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm 2,0 mm x 2,0 mm x 10,0 mm 1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm 1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm
Båndbredde (Hertz/Pixel) 947 1302 1313 1302

Tabell 2: Parameterforskjeller mellom balansert SSFP og modifisert SSFP (BOLD) sekvens ved 3 Tesla og 1,5 Tesla. Forkortelser: SSFP = steady-state, fri presesjon; bSSFP = balansert SSFP; mSSFP = modifisert SSFP; OS = oksygenfølsom; BOLD = oksygennivå i blodet.

Modifiserbare Ikke-modifiserbar
Synsfelt (mm) 360-400 Stykketykkelse (mm) 10
Gap (%) 0-200 Vend vinkel 35
Anskaffelsestid (s/måling) 8 Segmenter 12
Målinger 1 (baseline) eller 25+ (kontinuerlig anskaffelse) EKG Utløst/prospektiv
Anskaffelsesvindu Ingen faste begrensninger TE (ms) 1.7
TR (ms) 40.68 (3.4)
Båndbredde (Hertz/Pixel) 1302

Tabell 3: Modifiserbare og ikke-modifiserbare OS-CMR-sekvensparametere under bildeopptak. Forkortelser: OS-CMR = oksygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansavbildning; EKG = elektrokardiografi; TE = ekkotid; TR = repetisjonstid.

Sykdom Tilstand Sunne kontroller Pasientpopulasjoner p-verdi*
Alder B-MER Alder B-MER
OSAS 49±12 (n=36) 9.8±6.7 60±12 (n=29) 4.3±7.6 0.01
CAD 27±4 (n=10) 11.3±6.1 64±11 (n=26) 2.1±4.4 <0.001
INOCA 52±4 (n=20) 4.97±4.2 54±6 (n=20) 5.0±6.82 0.75
Post hjertetransplantasjon 47±8 (n=25) 6.4±6.0 59±11 (n=46) 2.6±4.6 0.01
Hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon 56±5 (n=12) 9.1±5.3 61±11 (n=29) 1.7±3.9 <0.001

Tabell 4: Global pusteindusert myokardial oksygeneringsreserve (B-MORE) verdier fra tidligere publiserte studier ved bruk av OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer 12,13,14,15,16. B-MORE-verdier representeres som gjennomsnitt ± standardavvik. *p-verdi for B-MORE-sammenligning. Forkortelser: B-MORE = pusteindusert myokardial oksygeneringsreserve; CAD = koronarsykdom; HFpEF = hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon; INOCA = iskemi uten obstruktiv koronar stenose; OSAS = obstruktiv søvnapné syndrom.

Tilleggsfil 1: Forhåndsinnspilt .mp3 fil som veileder pasienten gjennom den vasoaktive pustemanøveren. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsvideo F1: Video om instruksjonspustemanøver. Vennligst klikk her for å laste ned denne videoen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tilføyelsen av en OS-CMR-anskaffelse med standardiserte, vasoaktive pustemanøvrer til en allerede etablert forsknings- eller klinisk MR-protokoll gir liten tid til den totale skanningen. Med dette korte tillegget kan man få informasjon om underliggende makro- og mikrovaskulær funksjon (figur 2). En viktig konsekvens av endoteldysfunksjon er vaskulaturens manglende evne til å reagere på fysiologiske stimuli, som først demonstrert gjennom unormal strømningsmediert avslapning i hjertet43. OS-CMR med endotelavhengige vasoaktive pustemanøvrer muliggjør direkte overvåking av myokardial oksygenering under vasoaktive pustemanøvrer og omgår behovet for eksogene kontrastmidler og farmakologiske vasoaktive stressmidler. Hyperventilering og apné utløser en reproduserbar, målbar vaskulær respons gjennom endotelet og kan derfor gi en mer fysiologisk modell enn andre metoder for å vurdere mikrovaskulær funksjon.

Funn fra studier med OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer har gitt viktige bidrag til forståelsen av den underliggende patofysiologien hos pasienter med iskemiske tilstander uten forklarende koronarstenose, spesifikt INOCA, hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon og inflammasjon (f.eks. etter hjertetransplantasjon). Det potensielle tillegget av OS-CMR med standardiserte vasoaktive pustemanøvrer for å identifisere pasienter med iskemisk brystsmerte som forklarende mikrovaskulær dysfunksjon eller til klinisk utredning av hjerte- og hjertetransplanterte pasienter med bevart ejeksjonsfraksjon og hjertetransplantasjon, vil forbedre klinisk beslutningstaking betydelig i disse pasientpopulasjonene44.

Når du utfører OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer, er det noen aspekter å se etter i deltakernes utførelse av pustemanøvrene og i bildene. Vanligvis prøver deltakerne å holde tritt med tempoet i metronomen (30 pust / min) og puster ikke dypt. Det er viktigere å puste dypt enn det er å holde tempoet oppe på 30 pust/min (f.eks. er "magepusting" mer effektivt enn overfladisk brystpust). Hos friske deltakere forventes hjertefrekvensen å øke med ~20 slag/min under hyperventilering. Pasientdeltakere har en tendens til å ha en hjertefrekvensøkning på 5-10 slag / min45. Noen deltakere kan bli fristet til å ta et lite pust inn for å øke tiden av pusten-hold. Pasienter bør derfor informeres om at testen vil miste sin diagnostiske nøyaktighet hvis protokollen ikke følges nøye, og at ethvert lite åndedrag vil avslutte testen.

Hvis en skiveplassering er for basal (nær valvularplanet), kan det hende at utstrømningskanalene ikke tillater differensiering av LV fra RV eller kan være i venstre ventrikkels utstrømningskanal som et resultat av gjennomgående planbevegelse og vil påvirke evnen til å analysere bildene. Hvis et stykke er for apikabelt, kan bildene ikke være vinkelrett på ventrikkelveggen, og kan derfor inneholde blod eller parakardialvev og svekke evalueringen. I tillegg, hvis et stykke er for apikabelt, er det betydelig færre piksler av ekte myokard, noe som øker risikoen for å inkludere piksler med delvise volumeffekter i analysen.

Global svekkelse av myokardial oksygenering
OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer har tidligere vist en svekket global myokardial oksygeneringsreserve hos pasienter med OSA og hjertesvikt og hjertetransplanterte 12,14,16. Funnet av en global reduksjon i B-MORE hos pasienter med hjertesvikt med bevart ejeksjonsfraksjon er i konflikt med funnene i en tidligere studie som viste nedsatt myokardperfusjon, men opprettholdt myokardial oksygenering hos pasienter med ikke-iskemisk HF46. Imidlertid brukte de tidligere studiene adenosin, en endotel-uavhengig vasodilator, som stressmiddel. Endotelavhengig mikrovaskulær dysfunksjon og potensiell innvirkning på myokardial oksygenering ble derfor ikke undersøkt. Tilstedeværelsen eller fraværet av endoteldysfunksjon hos pasienter med kronisk hjertesvikt har viktige kliniske implikasjoner, da alvorlighetsgraden av endoteldysfunksjon ikke bare kan bestemme den kliniske presentasjonen, men også ha prognostisk verdi med hensyn til fremtidig sykehusinnleggelse, hjertetransplantasjon eller død34,47.

Tilstedeværelsen av en markert global reduksjon i B-MORE hos hjertetransplanterte pasienter både med og uten hjerteallograft vaskulopati sammenlignet med friske kontrollpersoner er et viktig funn for å kaste lys over underliggende patofysiologi og tidspunktet og reduksjonen av invasiv oppfølgingstesting og har prognostiske implikasjoner. Reduksjonen i B-MORE hos hjertetransplanterte pasienter med og uten hjerteallograft vaskulopati er sannsynligvis et resultat av redusert koronar vasoreaktivitet. Denne forklaringen støttes i tillegg av assosiasjonen av ytterligere B-MORE-utfall med alvorlighetsgraden av hjerteallograft vaskulopati14. Siden årlig screening for mikrovaskulær dysfunksjon med invasiv koronar angiografi anbefales hos pasienter etter hjertetransplantasjon48, kan OS-CMRs evne til vasoaktive pustemanøvrer til å identifisere og overvåke alvorlighetsgraden av mikrovaskulær dysfunksjon i denne pasientpopulasjonen gi en alternativ ikke-invasiv og nålefri screeningmetodikk.

Regional svekkelse av myokardial oksygenering
I mange sentre har 50% -70% av pasientene som gjennomgår invasiv koronar angiografi ikke signifikant obstruktiv koronar stenose, noe som krever en ikke-invasiv bildebehandlingsteknikk for både å identifisere INOCA og gi prognostisk informasjon om kardiovaskulære utfall i denne ikke godt forståtte pasientpopulasjonen. Den kliniske evalueringen av pasienter med INOCA har historisk anvendt koronar reaktivitetstesting, inkludert måling av indeksen for mikrosirkulasjonsresistens under invasiv koronar angiografi25,26. Imidlertid er denne metoden begrenset av dens invasivitet, mangel på reproduserbarhet og kostnad. I tillegg vurderer invasiv angiografi ikke nivået av den kritiske nedstrøms patofysiologiske effekten, dvs. effekten på myokardial oksygenering. Nylig viste OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer hos kvinner med INOCA spennende funn. Selv om det ikke var noen svekkelse i den globale B-MORE sammenlignet med aldersmatchede friske kontroller, viste koronar vaskulær respons, som definert ved endring i myokardial oksygenering, et heterogent mønster av nedsatt oksygeneringsrespons sammenlignet med aldersmatchede friske personer15.

De observerte regionale variasjonene i endotelfunksjon og myokardial oksygenering hos pasienter med brystsmerter og INOCA gir viktig innsikt i fysiologien bak mikrovaskulær dysfunksjon i denne pasientpopulasjonen. Regionale variasjoner i myokardial oksygenering kan potensielt medieres gjennom lokale abnormiteter i endotelavledede relakserende faktorer, unormale nevrale stimuli til koronar mikrosirkulasjon som resulterer i regionalitet av strømning og oksygenering, eller en koronar vaskulær stjele49. En alternativ forklaring på disse funnene kan være heterogenitet i etiologiene som ligger til grunn for INOCA50. Visualiseringen av vevets oksygeneringsstatus og dens regionale heterogenitet ved kart oppnådd av OS-CMR med pustemanøvrer antyder at denne metoden kan spille en viktig rolle i en mer direkte og omfattende undersøkelse av regional myokardial vaskulær funksjon hos disse pasientene utover et forenklet globalt mål for perfusjon eller oksygenering.

Begrensninger
Noen begrensninger i metodikken gjenstår. Fra et fysiologisk perspektiv krever bruk av BOLD-effekten for å gjøre slutninger om oksygenering av vev hensyn til andre variabler, da OS-CMR-signalintensiteten også påvirkes av blodinnstrømning og blodvolum 2,51. Heldigvis er effektene på signalintensiteten synergistiske og fysiologisk forbundet (indusert koronar vasodilatasjon øker samtidig blodstrømmen, blodvolumet og oksygeneringen av blodet). Den potensielle skjevheten til disse confounderne er derfor systematisk og ensrettet, med liten relevans når man vurderer mikrovaskulær funksjon. Andre faktorer relatert til blodet (hemoglobin, hematokrit) og feltstyrke har blitt identifisert som potensielle forstyrrende faktorer i OS-CMR-bildetolkning og analyse51,52 og må tas i betraktning hvis det er betydelig unormalt. For å løse disse faktorene kan nye biomarkører avledet fra OS-CMR-signalintensitetsrespons kontrollere for eller minimere de forstyrrende effektene av hemodilusjonstilstand og hematokrit, for eksempel ved å normalisere signalintensitetsresponsen til venstre eller høyre ventrikulær blodpool av hver deltaker.

Inntil nylig har evalueringen av OS-MR-data krevd arbeidskrevende manuell annotering, segmentering og analyse. Brukervennlige etterbehandlingsverktøy for automatisert eller halvautomatisk analyse av dynamiske OS-CMR-datasett utvikles53. Til slutt mangler det populasjonsbaserte normalverdier og kliniske studier som sammenligner OS-CMR-resultater med invasive målinger av mikrovaskulær dysfunksjon, samt data om prognose, kostnadseffektivitet og virkningen av bruken på kliniske utfall.

Konklusjon
Ikke-invasiv overvåking av dynamiske regionale eller globale endringer i myokardial oksygenering av OS-CMR med vasoaktive pustemanøvrer gir unik, klinisk meningsfull informasjon om koronar vaskulær funksjon og kan spille en spesielt viktig rolle hos pasienter med mikrovaskulær dysfunksjon. Ytterligere kliniske studier bør utføres for å undersøke den kliniske nytten i ulike pasientpopulasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

MGF er oppført som innehaver av United States Patent No. 14/419,877: Inducing and measuring myocardial oxygenation changes as a for heart disease; United States Patent No. 15/483,712: Måling av oksygeneringsendringer i vev som markør for vaskulær funksjon; United States Patent No 10,653,394: Måling av oksygeneringsendringer i vev som markør for vaskulær funksjon - fortsettelse; og Canadian Patent CA2020/051776: Metode og apparat for bestemmelse av biomarkører for vaskulær funksjon ved bruk av dristige CMR-bilder. EH er oppført som innehaver av International Patent CA2020/051776: Metode og apparat for bestemmelse av biomarkører for vaskulær funksjon ved bruk av dristige CMR-bilder.

Acknowledgments

Dette papiret og metodikkgjennomgangen ble gjort mulig av hele teamet av Courtois CMR Research Group ved McGill University Health Center. Spesiell takk til våre MR-teknologer Maggie Leo og Sylvie Gelineau for skanning av våre deltakere og tilbakemelding på dette manuskriptet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
balanced SSFP MRI sequence Any To modify to create the OS-CMR sequence
DICOM/ Imaging Viewer Any Best if the viewer has the ability for quantitative measurements (i.e., Area19 prototype software)
Magnetic Resonance Imaging scanner Any 3 Tesla or 1.5 Tesla
Metronome Any Set to 30 breaths per minute. To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants.
Speaker system Any To communicate breathing maneuver instrucitons to participants through
Stopwatch Any To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (24), 9868-9872 (1990).
  2. Friedrich, M. G., Karamitsos, T. D. Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 15, 43 (2013).
  3. Guensch, D. P., et al. The blood oxygen level dependent (BOLD) effect of in-vitro myoglobin and hemoglobin. Scientific Reports. 11 (1), 11464 (2021).
  4. Guensch, D. P., et al. Breathing manoeuvre-dependent changes in myocardial oxygenation in healthy humans. European Heart Journal - Cardiovascular Imaging. 15 (4), 409-414 (2014).
  5. Fischer, K., Guensch, D. P., Shie, N., Lebel, J., Friedrich, M. G. Breathing maneuvers as a vasoactive stimulus for detecting inducible myocardial ischemia - An experimental cardiovascular magnetic resonance study. PloS One. 11 (10), 0164524 (2016).
  6. Friedrich, M. G. Tracking myocardial oxygenation over a breath hold with blood oxygen level−dependent MRI: A radically different approach to study ischemia. Radiology. 294 (3), 546-547 (2020).
  7. Teixeira, T., Nadeshalingam, G., Fischer, K., Marcotte, F., Friedrich, M. G. Breathing maneuvers as a coronary vasodilator for myocardial perfusion imaging. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 44 (4), 947-955 (2016).
  8. Fischer, K., Guensch, D. P., Friedrich, M. G. Response of myocardial oxygenation to breathing manoeuvres and adenosine infusion. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 16 (4), 395-401 (2015).
  9. Ong, P., Athanasiadis, A., Sechtem, U. Intracoronary acetylcholine provocation testing for assessment of coronary vasomotor disorders. Journal of Visualized Experiments. (114), e54295 (2016).
  10. Voigtländer, T., et al. The adverse events and hemodynamic effects of adenosine-based cardiac MRI. Korean Journal of Radiology. 12 (4), 424-430 (2011).
  11. Tsang, K. H., Chan, W. S. W., Shiu, C. K., Chan, M. K. The safety and tolerability of adenosine as a pharmacological stressor in stress perfusion cardiac magnetic resonance imaging in the Chinese population. Hong Kong Medical Journal. 21 (6), 524-527 (2015).
  12. Roubille, F., Fischer, K., Guensch, D. P., Tardif, J. -C., Friedrich, M. G. Impact of hyperventilation and apnea on myocardial oxygenation in patients with obstructive sleep apnea - An oxygenation-sensitive CMR study. Journal of Cardiology. 69 (2), 489-494 (2017).
  13. Fischer, K., et al. Feasibility of cardiovascular magnetic resonance to detect oxygenation deficits in patients with multi-vessel coronary artery disease triggered by breathing maneuvers. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 20 (1), 31 (2018).
  14. Iannino, N., et al. Myocardial vascular function assessed by dynamic oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging long-term following cardiac transplantation. Transplantation. 105 (6), 1347-1355 (2021).
  15. Elharram, M., et al. Regional heterogeneity in the coronary vascular response in women with chest pain and nonobstructive coronary artery disease. Circulation. 143 (7), 764-766 (2021).
  16. Fischer, K., et al. Insights into myocardial oxygenation and cardiovascular magnetic resonance tissue biomarkers in heart failure with preserved ejection fraction. Circulation: Heart Failure. 15 (4), 008903 (2022).
  17. Li, D., Dhawale, P., Rubin, P. J., Haacke, E. M., Gropler, R. J. Myocardial signal response to dipyridamole and dobutamine: demonstration of the BOLD effect using a double-echo gradient-echo sequence. Magnetic Resonance in Medicine. 36 (1), 16-20 (1996).
  18. Arnold, J. R., et al. Myocardial oxygenation in coronary artery disease: insights from blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging at 3 tesla. Journal of the American College of Cardiology. 59 (22), 1954-1964 (2012).
  19. Karamitsos, T. D., et al. Relationship between regional myocardial oxygenation and perfusion in patients with coronary artery disease: Insights from cardiovascular magnetic resonance and positron emission tomography. Circulation: Cardiovascular Imaging. 3 (1), 32-40 (2010).
  20. Friedrich, M. G., Niendorf, T., Schulz-Menger, J., Gross, C. M., Dietz, R. Blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging in patients with stress-induced angina. Circulation. 108 (18), 2219-2223 (2003).
  21. Cai, H., Harrison, D. G. Endothelial dysfunction in cardiovascular diseases: The role of oxidant stress. Circulation Research. 87 (10), 840-844 (2000).
  22. Kothawade, K., Bairey Merz, C. N. Microvascular coronary dysfunction in women: Pathophysiology, diagnosis, and management. Current Problems in Cardiology. 36 (8), 291-318 (2011).
  23. Gimbrone, M. A., García-Cardeña, G. Endothelial cell dysfunction and the pathobiology of atherosclerosis. Circulation Research. 118 (4), 620-636 (2016).
  24. Vancheri, F., Longo, G., Vancheri, S., Henein, M. Coronary microvascular dysfunction. Journal of Clinical Medicine. 9 (9), 2880 (2020).
  25. Camici, P. G., Crea, F. Coronary microvascular dysfunction. The New England Journal of Medicine. 356 (8), 830-840 (2007).
  26. Ford, T. J., et al. Assessment of vascular dysfunction in patients without obstructive coronary artery disease: Why, how, and when. JACC: Cardiovascular Interventions. 13 (16), 1847-1864 (2020).
  27. Taqueti, V. R., Di Carli, M. F. Coronary microvascular disease pathogenic mechanisms and therapeutic options: JACC state-of-the-art review. Journal of the American College of Cardiology. 72 (21), 2625-2641 (2018).
  28. Budhiraja, R., Parthasarathy, S., Quan, S. F. Endothelial dysfunction in obstructive sleep apnea. Journal of Clinical Sleep Medicine. 3 (4), 409-415 (2007).
  29. Sena, C. M., Pereira, A. M., Seiça, R. Endothelial dysfunction - A major mediator of diabetic vascular disease. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease. 1832 (12), 2216-2231 (2013).
  30. Vanhoutte, P. M., Shimokawa, H., Feletou, M., Tang, E. H. C. Endothelial dysfunction and vascular disease - A 30th anniversary update. Acta Physiologica. 219 (1), 22-96 (2017).
  31. Juni, R. P., Duckers, H. J., Vanhoutte, P. M., Virmani, R., Moens, A. L. Oxidative stress and pathological changes after coronary artery interventions. Journal of the American College of Cardiology. 61 (14), 1471-1481 (2013).
  32. Simsek, E. C., et al. Endothelial dysfunction in patients with myocardial ischemia or infarction and nonobstructive coronary arteries. Journal of Clinical Ultrasound. 49 (4), 334-340 (2021).
  33. Stillman, A. E., et al. Imaging the myocardial ischemic cascade. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 34 (8), 1249-1263 (2018).
  34. Fischer, D., et al. Endothelial dysfunction in patients with chronic heart failure is independently associated with increased incidence of hospitalization, cardiac transplantation, or death. European Heart Journal. 26 (1), 65-69 (2005).
  35. Hurst, T., Olson, T. H., Olson, L. E., Appleton, C. P. Cardiac syndrome X and endothelial dysfunction: New concepts in prognosis and treatment. The American Journal of Medicine. 119 (7), 560-566 (2006).
  36. Bauer, W. R., et al. Theory of the BOLD effect in the capillary region: An analytical approach for the determination of T*2 in the capillary network of myocardium. Magnetic Resonance in Medicine. 41 (1), 51-62 (1999).
  37. Manka, R., et al. BOLD cardiovascular magnetic resonance at 3.0 tesla in myocardial ischemia. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 12 (1), 54 (2010).
  38. Dharmakumar, R., Qi, X., Hong, J., Wright, G. A. Detecting microcirculatory changes in blood oxygen state with steady-state free precession imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 55 (6), 1372-1380 (2006).
  39. Kramer, C. M., et al. Standardized cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR) protocols: 2020 update. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 22 (1), 17 (2020).
  40. Expert Panel on MR Safety et al. ACR guidance document on MR safe practices: 2013. Journal of Magnetic Resonance Imaging: JMRI. 37 (3), 501-530 (2013).
  41. Macey, P. M., Kumar, R., Ogren, J. A., Woo, M. A., Harper, R. M. Global brain blood-oxygen level responses to autonomic challenges in obstructive sleep apnea. PLoS One. 9 (8), 105261 (2014).
  42. Cerqueira, M. D., et al. Standardized myocardial segmentation and nomenclature for tomographic imaging of the heart. Circulation. 105 (4), 539-542 (2002).
  43. Hayoz, D., et al. Flow-mediated arterial dilation is abnormal in congestive heart failure. Circulation. 87 (6), 92-96 (1993).
  44. Hillier, E., Friedrich, M. G. The potential of oxygenation-sensitive CMR in heart failure. Current Heart Failure Reports. 18 (5), 304-314 (2021).
  45. Hawkins, S. M., et al. Hyperventilation-induced heart rate response as a potential marker for cardiovascular disease. Scientific Reports. 9 (1), 17887 (2019).
  46. Dass, S., et al. No evidence of myocardial oxygen deprivation in nonischemic heart failure. Circulation: Heart Failure. 8 (6), 1088-1093 (2015).
  47. Endemann, D. H., Schiffrin, E. L. Endothelial dysfunction. Journal of the American Society of Nephrology. 15 (8), 1983-1992 (2004).
  48. Costanzo, M. R., et al. The International Society of Heart and Lung Transplantation Guidelines for the care of heart transplant recipients. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 29 (8), 914-956 (2010).
  49. Lanza, G. A. Cardiac syndrome X: A critical overview and future perspectives. Heart. 93 (2), 159-166 (2007).
  50. Gould, K. L., Johnson, N. P. Coronary physiology beyond coronary flow reserve in microvascular angina: JACC state-of-the-art review. Journal of the American College of Cardiology. 72 (21), 2642-2662 (2018).
  51. Guensch, D. P., Nadeshalingam, G., Fischer, K., Stalder, A. F., Friedrich, M. G. The impact of hematocrit on oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18 (1), 42 (2016).
  52. Dharmakumar, R., et al. Assessment of regional myocardial oxygenation changes in the presence of coronary artery stenosis with balanced SSFP imaging at 3.0T: Theory and experimental evaluation in canines. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 27 (5), 1037-1045 (2008).
  53. Hillier, E., Benovoy, M., Friedrich, M. A fully automated post-processing tool identifies a reduced global myocardial oxygenation reserve in patients with ischemia and no obstructive coronary artery stenosis when compared to patients with significant CAD. SCMR 25th Annual Scientific Sessions. , (2022).

Tags

Oksygeneringsfølsom MR av hjertet vasoaktive pustemanøvrer ikke-invasiv vurdering koronar mikrovaskulær dysfunksjon myokardial oksygenering paramagnetiske egenskaper deoksyhemoglobin vevskontrast vasoaktive manøvrer koronar makro- og mikrovaskulær funksjon intravenøs kontrast farmakologiske stressmidler T2-vektede bilder steady-state fri presesjon (SSFP) cinesekvens pusteprotokoll tempohyperventilering ekspiratorisk pustehold
Oksygeneringsfølsom MR av hjertet med vasoaktive pustemanøvrer for ikke-invasiv vurdering av koronar mikrovaskulær dysfunksjon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hillier, E., Covone, J., Friedrich,… More

Hillier, E., Covone, J., Friedrich, M. G. Oxygenation-sensitive Cardiac MRI with Vasoactive Breathing Maneuvers for the Non-invasive Assessment of Coronary Microvascular Dysfunction. J. Vis. Exp. (186), e64149, doi:10.3791/64149 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter