Summary
酸素化感受性心磁気共鳴画像法と血管作動性呼吸法を組み合わせた微小血管機能の評価は、in vivo での心筋酸素化の急激な動的変化を評価する能力においてユニークであり、したがって、冠動脈血管機能の非常に重要な診断技術として役立つ可能性があります。
Abstract
酸素感受性心臓磁気共鳴画像法(OS-CMR)は、デオキシヘモグロビンの固有の常磁性特性を内因性組織造影剤として使用する診断技術です。OS-CMRは、強力な非薬理学的血管運動刺激として標準化された血管作動法(過換気および無呼吸)と組み合わせて使用することで、心筋酸素化の変化をモニターすることができます。心周期中および血管作動中のこのような変化を定量化することで、冠状動脈のマクロおよび微小血管機能のマーカーを提供し、それによって外因性、静脈内造影剤、または薬理学的ストレス剤の必要性を回避できます。
OS-CMRは、血中酸素化に対するT2*強調画像のよく知られた感度を使用します。酸素化に敏感な画像は、修正された標準的な臨床定常状態自由歳差運動(SSFP)シネシーケンスを使用して、任意の心臓MRIスキャナーで取得できるため、この手法はベンダーに依存せず、簡単に実装できます。血管作動性呼吸操作として、120 秒の自由呼吸、60 秒のペース過呼吸、その後少なくとも 30 秒の呼気停止の 4 分間の呼吸プロトコルを適用します。この操作に対する心筋組織の酸素化の地域的および全体的な応答は、信号強度の変化を追跡することによって評価できます。呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)と呼ばれる過換気後の息止めの最初の30秒間の変化は、健康な人やさまざまな病状で研究されています。酸素感受性CMRスキャンを血管作動性で実施するための詳細なプロトコルが提供されています。
閉塞性冠動脈狭窄症を伴わない誘発性虚血(INOCA)、駆出率が保たれた心不全(HFpEF)、心臓移植後の微小血管機能障害など、まだ完全に理解されていない状態の微小血管機能障害のある患者で実証されているように、このアプローチは、冠動脈血管機能に関するユニークで臨床的に重要で補完的な情報を提供します。
Introduction
酸素化感受性心臓磁気共鳴画像法(OS-CMR)は、デオキシヘモグロビンの固有の常磁性特性をMR造影剤の内因性源として使用します1,2,3。OS-CMRは、強力な非薬理学的血管運動刺激として標準化された血管作動性呼吸操作(過換気および無呼吸)と組み合わせて使用し、血管機能のマーカーとして心筋酸素化の変化を監視できるため、外因性、静脈内造影剤、または薬理学的ストレス剤の必要性を回避できます4,5,6。
息止めや過呼吸などの呼吸操作は、血管運動を変化させるための非常に効果的な血管作用手段であり、その安全性と簡便さから、診断手順の一部として制御された内皮依存性血管運動に最適です。研究は、過換気とその後の息止めを組み合わせる場合の追加の有効性を示しています4,7、そのようなプロトコルの間、血管収縮(関連する血中二酸化炭素の減少による)に続いて血管拡張(血中二酸化炭素の増加);したがって、健康な血管系は、心筋の血流が大幅に増加し、心筋の酸素化が増加し、OS-CMR画像で観察可能な信号強度が増加し、血管収縮から血管拡張までの全範囲に移行します。また、シネ画像の取得により、アデノシン注入と比較して、より優れたS/N比で心臓位相分解結果を得ることができます8。
呼吸操作は、冠状血管機能の評価に使用できる血管活性変化を誘発するための薬理学的ストレス剤に取って代わることができます。これにより、患者のリスク、物流の労力、および関連コストが削減されるだけでなく、臨床的により意味のある結果を提供するのに役立ちます。アデノシンなどの薬理学的ストレス物質は、内皮依存性反応を引き起こし、したがって、内皮機能自体を反映します。これまでの内皮機能のこのような特異的評価は、内皮依存性血管拡張薬としてのアセチルコリンの冠動脈内投与によってのみ可能であった。しかし、この手順は非常に侵襲的であり2,9、したがって、めったに実行されません。
直接的なバイオマーカーへのアクセスがないため、いくつかの診断技術では、外因性造影剤の組織取り込みなどの代替マーカーが使用されています。それらは、1つまたは2つの静脈内アクセスラインの必要性、重度の腎臓病や房室ブロックなどの禁忌、および潜在的に重篤な副作用を管理する訓練を受けたスタッフの物理的存在の必要性によって制限されます10,11。しかし、冠動脈機能の現在のイメージングの最も重要な制限は、代理マーカーとしての心筋灌流が、血管機能障害の最も重要な下流の結果としての心筋組織の酸素化を反映していないことです2。
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRは、健康な人、冠動脈疾患(CAD)患者の大血管疾患、閉塞性睡眠時無呼吸症候群(OSA)患者の微小血管機能障害、心臓移植後の閉塞性冠動脈狭窄症(INOCA)を伴う虚血、駆出率が保たれた心不全(HFpEF)など、多くのシナリオで血管機能を評価するために利用されています4。 7,12,13,14,15,16。CAD集団では、OS-CMRに由来する呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)のプロトコルは、重大な狭窄を伴う冠状動脈によって灌流された心筋領域における酸素化反応の障害を特定する上で、安全で、実行可能で、感度が高いことが証明されました13。
微小血管機能障害では、OS-CMRは閉塞性睡眠時無呼吸症候群の患者で心筋酸素化反応の遅延を示し、HFpEF患者および心臓移植後の患者では鈍いB-MOREが見られました12,14,16。INOCAの女性では、呼吸操作により心筋の酸素化反応が異常に不均一になり、OS-CMR15の高い空間分解能の利点が強調されました。この論文では、血管作動性呼吸操作でOS-CMRを実行する理論的根拠と方法論をレビューし、微小血管機能障害のある患者集団、特に内皮機能障害に関連する血管病態生理学の評価におけるその臨床的有用性について説明します。
呼吸増強酸素感受性MRIの生理学的背景
通常の生理学的条件下では、酸素要求量の増加は、血流の増加による酸素供給の同等の増加と一致し、局所的なデオキシヘモグロビン濃度に変化はありません。対照的に、誘発された血管拡張は、酸素要求量の変化なしに酸素化された血液の「過剰な」流入につながります。その結果、より多くの組織ヘモグロビンが酸素化され、したがって、デオキシヘモグロビンが少なくなり、OS-CMRシグナル強度の相対的な増加につながります4,17。血管機能が損なわれると、心筋の血流を増強するための代謝要求や刺激の変化に適切に応答できなくなります。
血管収縮を誘発するペースの速い過換気や、二酸化炭素媒介性血管拡張を誘発する長時間の息止めなど、血管運動を誘発する刺激の設定では、血管運動活動の障害は、他の領域と比較して局所的なデオキシヘモグロビン濃度の相対的な増加をもたらし、その結果、OS-CMR信号強度の変化の減少をもたらします。誘発性虚血の設定では、血管機能障害は、心外膜冠動脈狭窄がない場合でも、心筋血流の局所的な増加によって満たされない局所的な需要の増加をもたらします。OS-CMR画像では、デオキシヘモグロビン濃度の正味の局所的な増加は、局所的なシグナル強度の減少につながります2,18,19,20。
冠状動脈微小血管機能障害の患者では、内皮依存性および非依存性血管拡張薬(アデノシンを含む)に反応した血管平滑筋の緩和が弱まっています21、22、23、24、25、26、27.内皮非依存性機能障害は、微小血管肥大または周囲の心筋病変による構造異常によるものと考えられています。対照的に、内皮機能障害は、不十分な血管収縮と(内皮依存性の)血管弛緩障害の両方をもたらし、典型的には血管壁における一酸化窒素の生理活性の喪失によって引き起こされる21,28。内皮機能障害は、高コレステロール血症、高血圧、糖尿病、CAD、閉塞性睡眠時無呼吸症候群、INOCA、HF23、24、28、29、30、31、32など、多くの心血管疾患の病因に関与しています。実際、内皮機能障害は冠動脈アテローム性動脈硬化症の最も初期の症状です33。内皮機能のイメージングは、有害な心血管イベントと長期的な転帰の重要な予測因子としての役割を考えると、非常に強い可能性を秘めており、心血管疾患の状態に深い予後的影響を及ぼします23,29,30,31,34,35。
灌流画像法とは対照的に、過呼吸後の息止め中の心筋酸素化の相対的な増加として定義される呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)は、そのような血管作用性トリガーが全体的または地域的な酸素化自体に及ぼす影響を視覚化することを可能にします2,36。したがって、血管機能の正確な下流マーカーとして、B-MOREは血管機能障害だけでなく、実際の誘発性虚血も特定でき、より深刻な局所灌流または酸素化の問題を示します18,19,37。これは、OS-CMRが、それ自体が心筋組織のかなりの割合を占める心筋の毛細血管系に豊富に存在する脱酸素化ヘモグロビンの相対的な減少を視覚化する能力によって達成される24。
OS-CMR シーケンス
OS-CMRイメージングに使用される磁気共鳴画像法(MRI)シーケンスは、2つの短軸スライスで取得された前向きゲート、修正、平衡、定常状態、自由歳差運動(bSSFP)シーケンスです。このbSSFP配列は、心臓MRIを実行するすべてのMRIスキャナーで利用可能な(および変更可能な)標準的な臨床配列であり、この手法はベンダーに依存せず、簡単に実装できます。通常のbSSFPシネシーケンスでは、エコー時間、繰り返し時間、およびフリップ角度を変更して、結果として得られる信号強度をBOLD効果に感作し、酸素化に敏感なシーケンスを作成します。このアプローチは、T2で調製されたbSSFP読み出しであり、BOLDイメージングに用いられた以前の勾配エコー技術と比較して、より高いS/N比、より高い画質、およびより速いスキャン時間を有する酸素化感受性画像の取得に適していることが以前に示されている38。このアプローチで呼吸増強OS-CMRを実施すると、非常に少数の軽度の副作用で適用できます(表1)。注目すべきは、参加者の90%以上が、十分に長い息止め時間4,12,13,16でこのプロトコルを完了していることです。
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Protocol
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを使用するすべてのMRIスキャンは、地域の施設ガイドラインに準拠して実行する必要があります。以下に概説するプロトコルは、いくつかの機関のヒト研究倫理委員会によって承認された研究で使用されています。このプロトコルと原稿に記載されているすべての人間の参加者のデータと結果について、書面による同意が得られました。
1. 大まかな概要
- 対象とする研究集団に応じて、包含基準と除外基準を変えます。血管作動性呼吸操作プロトコルを備えたOS-CMRには、次の一般的で一般的な除外基準を使用します:一般的なMRI禁忌(例:ペースメーカーや除細動器などのMRI非対応デバイス、埋め込み材料、または異物)、MRI前の12時間のカフェインまたは血管作用薬の消費、および年齢<18歳。
- まず、OSを取得する前に、標準的な臨床ローカライザースカウトと心室の構造と機能の画像を取得します。bSSFP 長軸シネ画像を使用して、OS 取得のスライス配置を計画します。
注:標準化された臨床CMRプロトコルのレビューは、他の場所で説明されています39。 - ベースラインの息止め
- 最初のOS-CMRシリーズは、画質とスライス位置の評価、アーチファクトのチェック、信号強度のベースラインとして機能する、短いベースラインの息止め取得として取得できます。
- 参加者が正常に呼吸した後、短時間 (~10 秒) の単一心周期取得を実行します。呼気終了時に息止めが行われていることを確認してください。
- 血管作動性呼吸操作による連続取得
- 2 番目の OS-CMR シリーズを、2 分間の自由呼吸と 1 分間のペース過呼吸で構成される 4 分間の連続取得として取得し、その後、自発的に最大呼吸停止 (~1 分) を行います。連続取得では 4 分間にわたって複数の心周期を取得するため、1 つの追加パラメーター (取得によって取得された心周期の数) を変更して、このシリーズを反復測定取得にします
注意: 最低限必要な息止め時間は30秒ですが、60秒が標準と見なされます。 - MRIスピーカーシステムに接続されたマイクを介して、またはMRIスピーカーシステムを介して事前に録音された.mp3ファイル(補足ファイル1)を介して、呼吸操作全体を通して参加者に手動で指示することにより、MRIスキャナーの参加者に血管作動性呼吸操作の指示を伝えます。
- 自由呼吸で血管作動性呼吸操作を開始します(120秒の自由呼吸の後、過呼吸が始まります)。メトロノームから30回の呼吸/分の頻度でビープ音を鳴らして、参加者をペースの速い呼吸に導きます(ビープ音1回は息を吸うことを示し、ビープ音1回は息を吐くことを示します)。過呼吸の55秒のマークで、「深呼吸を吸ってから息を吐き、息を止めて」という最後の音声コマンドを与えて、息止めが呼気終了レベルで行われるようにします。
注:血中CO2の変化は、呼気終了時の息止めではるかに顕著です(肺表面が小さくなり、肺胞へのCO2の残留拡散が最小限に抑えられます)。
- 2 番目の OS-CMR シリーズを、2 分間の自由呼吸と 1 分間のペース過呼吸で構成される 4 分間の連続取得として取得し、その後、自発的に最大呼吸停止 (~1 分) を行います。連続取得では 4 分間にわたって複数の心周期を取得するため、1 つの追加パラメーター (取得によって取得された心周期の数) を変更して、このシリーズを反復測定取得にします
- 画像解析
- B-MOREを測定するには、息止め中の最初の収縮末端画像を時間0秒と考えます。息止めの 30 秒の時点に最も近い収縮期末期の画像の全体的または局所的な信号強度値を、0 秒の時点の画像信号強度と比較します。BMORE を、息止めの時間 0 秒と比較した 30 秒での信号強度の変化率として報告します。
2.スキャン前の手順
- すべての参加者が、過去の病歴および手術歴に関する質問を含み、参加者の手術部位内または手術部位におけるインプラント、デバイス、または金属異物の存在を特定する必要がある、地元の機関のMRI安全性および適合性に関する質問票(MRI一般禁忌フォーム)に合格するようにする40。
- 該当する場合は、妊娠検査を受けてください。
- 患者がMRIスキャンの12時間前に血管作用薬とカフェインを控えたことを確認します。
- 参加者に呼吸法の指導ビデオ(補足ビデオS1)を見せます。
- 60 秒間のペースの過呼吸の練習セッションを実行し、その後、MRI スキャン ルームの外にいるすべての参加者と最大限の自発的な息止めを行い、過呼吸のパフォーマンスに関するフィードバックを提供します。
- 参加者に、呼吸をしたいという強い衝動があれば、呼吸を再開できると指示します。
注:注意すべき点と参加者へのフィードバックについては、ディスカッションを参照してください。
3. 酸素感受性配列のMRI取得
- MRIコンソールで標準のbSSFPシーケンスから、繰り返し時間(TR)の増加、エコー時間の増加(TE)、フリップ角度(FA)の3つのパラメータを変更します。
注:変更された値は、MRIスキャナーの電界強度によって異なります(表2)。TRとTEを増やし、FAを減少させると、MRIシーケンスのT2*または酸素化感度が増加します。これらの変更により、シーケンスの帯域幅と基本分解能が向上します。 - ベースライン( ラベル:OS_base)と、呼吸操作が実行される連続取得(ラベル: OS_cont_acq)の2つのOSシリーズを作成します。ベースライン OS シーケンスは変更しないでおきます。OSの連続取得では、反復測定を1から~25-40に増やします(スキャナーの種類によって異なります)。取得時間が~4.5分になるまで、心周期(測定)の数を増やします。
注:2つのOS-CMRシーケンスが必要です:OSベースライン取得と血管作動性呼吸操作を伴うOS持続取得。次のセクションでは、これらの手順について説明します。
4. OSベースライン取得
- スライス処方の場合は、長軸ビュー(2チャンバーまたは4チャンバー画像)の収縮末期の静止フレームで計画します。2つの短軸スライスを処方します-1つは中〜基底部、もう1つは中〜心室レベルです。スライスの位置に関する考慮事項については、説明を参照してください。
- シーケンスパラメータの調整
- 特定の参加者の必要に応じて、シーケンスパラメータを調整します。変更可能な配列パラメータと変更できない配列パラメータについては、 表3 を参照してください。
- 参加者の心臓の大きさに基づいてスライス間の平均ギャップ/間隔を調整し、スライスの位置が適切であることを確認します。
- 必要に応じて、視野を調整して、ラップアーティファクトを回避します。視野を360mmから400mmの間に保つようにあらゆる努力をしてください。
- シムボリューム
- シムの音量を調整して、長軸と短軸の両方のビューで左心室の周りをタイトにします。
- 配列取得
- シーケンスを承認し、有効期限終了時の息止め中に実行します。このベースライン OS シーケンスが、心拍数と MRI スキャナーに基づいて ~10 秒続くことを確認します。
- 画質チェック
- 取得したシリーズの両方のスライスをチェックし、呼吸の動き、スライスの位置の悪さ、またはアーチファクトの存在を探します。適切な画質が得られるまで、ベースライン OS シーケンスを繰り返します。
- トラブルシューティングのために、スライス位置が基底または頂端すぎる場合は、処方されたスライス位置を心室中央レベルに近づけるように調整します。アーティファクトが存在する場合は、次の手順に従います。
- 位相符号化方向を確認してください。
- 視野を広くします。
- 左心室の周りのシムの音量を調整します。
5. 血管作動性呼吸操作によるOS連続取得
注意: MRIスキャナーに入る前に、すべての参加者が呼吸操作の適切なパフォーマンスについて指示されていることを確認してください(セクション2を参照)。
- シーケンス計画
- 可能であれば、スライス位置をコピーしてOSベースラインイメージから ボリュームを調整する か、ベースラインOSシーケンスを複製し、繰り返し測定して、1から~25-40(または4.5分に近い取得時間)に増やします。
- 画像とスライスの位置を確認し、キャプチャ サイクルを確認します。
- 可能であれば、ライブ ストリーム ウィンドウを開きます。
- 制御室で、呼吸操作手順の.mp3ファイルを含むデバイスを補助入力に接続するか、MRIスキャナーに投影されているマイクにかざす準備をします。または、タイミングを計るためにストップウォッチを使用して参加者に呼吸操作を手動で誘導し、MRIスピーカーシステムに接続されたマイクを介して口頭で指示を提供します。
- 配列取得
- 同時に、MRI スキャナーのOS連続取得シーケンスの再生を押し、.mp3呼吸指示ファイルを 再生 するか、参加者が手動で指示されている場合はストップウォッチを開始します。
- 参加者に呼吸操作を手動で誘導する場合は、息を吸って吐くように指示し、10秒間息を止め、メトロノームのビープ音が聞こえたらすぐに過呼吸を開始します。
- 過呼吸の 40 秒のマーク (ストップウォッチの 2:40) で参加者に通知します。
- 過呼吸の 55 秒の時点 (ストップウォッチの 2:55) で、参加者に「深呼吸をして、息を吐いて、息を止める」ように指示します。
注:自由呼吸と過呼吸の画像には、モーションアーティファクトがあります。これは 正常な動作です。ただし、息止め中にモーションアーティファクトがあってはなりません。息を止めた画像は、呼気後に取得することが非常に重要です(快適な呼気終末位置)。呼気 停止後の 息止めのみが、その後の息止めの最初の30秒間に血中CO2 の急激な増加をもたらし、それに伴う冠状動脈血流と心筋酸素化の変化を伴う。 - コントロールルームの窓またはMRIスキャナーカメラを介して参加者のペースの速い過呼吸のパフォーマンスを監視し、深呼吸の適切なパフォーマンスを確保します。ベローズを使用する場合は、呼吸同期ビューアで振幅のピークを監視します。最初のガイダンス後に過呼吸が適切に実行されていない場合は、取得を中止し、OSの連続取得シーケンスを繰り返します。
- 息を止めている間、参加者が小さな呼吸をしていないか監視します。これを行うには、MRIコンソールで呼吸ベルトのトレースを監視するか、ウィンドウ/カメラを介して視覚的に監視します。
- 息止めの終わりに参加者が呼吸を始めたら、取得を停止します。
- 取得終了後、参加者に副作用を経験したかどうかを尋ね、参加者が3分間正常に呼吸できるようにします。
- トラブルシューティング:リピート取得
- 呼吸操作を繰り返す必要がある場合は、ベースラインOSシーケンスを繰り返します。
注:生理機能をベースラインに戻すには、取得を繰り返す前に2〜3分の期間が必要です。以前のデータでは、生理機能は1分41後にベースラインに戻らないことが示されています。. - OSベースラインシーケンスの画質が適切であれば、OSの連続取得と呼吸操作の実行を繰り返します。
- 呼吸操作を繰り返す必要がある場合は、ベースラインOSシーケンスを繰り返します。
6. 画像解析
- OS-CMR画像データセットを、酸素化に敏感な信号強度の変化を自動的に分析する機能を備えた画像輪郭機能を備えたDICOMビューアにインポートします。
- マーカーとその測定
- 過呼吸(安静時)前の短いベースラインの息止め取得中にベースライン画像を取得します。息を止めた最初の画像(「ストレス」刺激の終わりを表す)をベースライン画像と比較します。
注: 過換気 は、心筋の酸素化を減少させる血管収縮刺激です(健康:%ΔSI ≈-5%から-10%13)。 - 息を止めている間に多くの画像(および心周期)を取得します。息を止めた最初の画像をベースラインとして使用し、後続のすべての画像をこの画像と比較します。
注:息止めは、心筋の酸素化を増加させる血管拡張刺激です(%ΔSI ≈ + 5%-15%12,13,14,16)。 - 心筋輪郭
手動分析の場合:心相選択- 息止めには 400 を超える画像を含めることができるため、各心周期の 1 つのフェーズのみを分析します。その結果、各心周期の収縮末期画像に分析を集中させます。
- 各心周期の収縮末期画像を特定します。
- 心筋の周りに心外膜と心内膜の輪郭を描きます。
- 画像をウィンドウ化して、心筋のゲートが不十分なために暗い領域(感受性)または明るい領域として表示されるアーティファクトを探します。
注意: 左心室と右心室の血液プールからの部分的な体積効果のあるピクセルを含めることは避けてください。ほとんどの輪郭形成エラーは、部分的な体積効果を伴うピクセルと、その結果として左心室血プールからの信号強度が人為的に上昇したピクセルを含む、心内膜輪郭から発生します。これを回避するには、心内膜の輪郭を心筋の内側に1ピクセル描画します。同様に、心外膜の輪郭が心筋の内側の1ピクセルであることを確認して、右心室の血液プール、心外膜脂肪、または気肺界面からの部分的な体積の影響を回避します。 - 心周期の最初の収縮末期画像から次の心周期の収縮期末画像に心内膜と心外膜の輪郭をコピーして貼り付けます。必要に応じて輪郭を調整します。
自動分析の場合:
注:自動輪郭形成機能により、必要に応じて、心周期のすべての段階の輪郭を描き、分析することができます。 - すべての画像をチェックして、正確な輪郭を確認してください。
注:市販の自動コンター機能の一部は、体積解析用にコンター化されたデータセットでトレーニングされています。これらの輪郭は、血液プールと心筋に接することを目的としているため、部分的な体積効果を起こしやすいです。OS-CMRの輪郭は心筋の完全に内側にある必要があります。
- 過呼吸(安静時)前の短いベースラインの息止め取得中にベースライン画像を取得します。息を止めた最初の画像(「ストレス」刺激の終わりを表す)をベースライン画像と比較します。
7. 地域分析のためのセグメンテーション
- 地域情報を得るために、心筋をアメリカ心臓協会(AHA)のセグメンテーション42に分割するための右心室の前中隔および下中隔の挿入を特定する。
8. B-MOREの計算
- B-MOREを、ベースラインから血管拡張までのシグナル強度の変化率で表します(式1を参照)。
(1) - 息止めの0秒と比較した収縮末期画像の30秒の 全体平均心筋信号強度として、グローバルB-MOREを計算します8(式2を参照)。
(2)
(1)
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Representative Results
B-MOREの解釈
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを使用した以前に発表された研究では、息止めの最初の収縮末期画像と、息止めの15秒、30秒、45秒などに最も近い収縮期末画像を比較することにより、全体または地域のB-MOREが計算されました。心周期の収縮期末期は、いくつかの理由で選択されました。収縮末期画像は、読者間および読者間で識別される最も一貫したフェーズです:心筋に最も多くのピクセルを含み、通常、参加者の心拍数とは無関係にほぼ同じトリガー時間に発生し、取得に常に存在します(一方、拡張末期は、心拍数が変化する可能性のある息止め中の前向きゲート画像では表示されない場合があります)。
生理学的な観点から、息止めの0秒と30秒の時点は、以下の理由から特別に選択されました。時間0秒(または息止めの最初の収縮末期画像)は、「ストレス」(60秒の過呼吸)の期間後の信号強度の評価であり、したがって、最大血管収縮点です。信号強度に変換すると、これは需要の増加なしに心筋の血流が減少することを表し、ベースラインと比較してデオキシヘモグロビン濃度の局所的な増加と信号強度の低下をもたらします。息止めの間、二酸化炭素を介した血管拡張により信号強度が増加し、局所的な需要が増加しない状況で心筋の血流が効果的に増加します。息止めの~15秒の時点で、信号強度曲線はプラトー4,8に始まります。したがって、OS-CMR分析に必要な理論上の最小息止め時間は15秒(または2つのデータポイント間の差を評価するために取得した2つの心周期)です。ただし、息止めの 30 秒の時点はより堅牢であることが実証されているため、実際に必要な最小息止め時間と見なされます。
グローバルB-MOREの計算(30秒と0秒の息止めの比較)の後、これらのデータを視覚的および定量的に表示することができます。定量的には、健康なボランティアとOSAS、CAD、INOCA、HFpEFの患者、および心臓移植後の患者の間で、全体的なB-MORE値が比較されています12、13、14、15、16(表4)。視覚的には、ピクセル単位のカラーオーバーレイマップを生成して、心筋酸素化の評価における定量的測定を補強することができます(図1)。
図1:OS-CMRおよび血管作動性呼吸法で得られた全体的および/または局所的な組織酸素化を評価するために、信号強度マップで視覚化された心筋酸素化予備力 。 (A)全体的な心筋酸素化は、健康なボランティアで維持されます。(B)左前下行狭窄症(定量的冠動脈造影での100%閉塞)の患者における局所心筋酸素化の減少。(C)心不全患者における心筋酸素化の全体的な減少。カラーバーは心筋の酸素化を視覚的に表現し、黒/青は障害を表し、緑は健康な心筋の酸素化反応を表します。略語: OS-CMR = 酸素化感受性心臓磁気共鳴画像法;LAD = 左前方下降。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:血管作動性呼吸操作を伴う完全なOS-CMRスキャンの視覚的表現 。 (A)ローカライザー、短軸および長軸のシネ関数画像、および組織特性評価画像(T1および/またはT2マッピングなど)を含む、心臓磁気共鳴画像スキャンの標準的な取得。(B)血管作動性呼吸操作全体のパフォーマンス、生理学的効果、取得、およびMRI信号強度の変化。略語: OS-CMR = 酸素化感受性心臓磁気共鳴画像法;デオキシHb =デオキシヘモグロビン。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 手続き | リスク | 理由 | 周波数 | 過酷 | 固執 |
| 心臓MRI | 頭痛、吐き気 | 磁場 | コモン (10%) | 軽度から重度 | リバーシブル |
| 不安、閉所恐怖症 | 限られたスペース | レア (<5%) | 軽度から重度 | リバーシブル | |
| 呼吸法 | 指がチクチクする | 過呼吸 | コモン (20%) | 光 | リバーシブル (<60 秒) |
| めまい、頭痛 | 過呼吸 | コモン (10%) | 光 | リバーシブル (<60 秒) | |
| 口渇 | 過呼吸 | レア (<5%) | 光 | リバーシブル (<60 秒) |
表1:心臓磁気共鳴画像法スキャンを受けた場合に報告された副作用と血管作動性呼吸操作のパフォーマンス。 報告されたデータは、マギル大学ヘルスセンターで300人以上の参加者を対象に実施された研究から収集されました(マギル大学ヘルスセンターの研究所で収集された未発表データ)。
| 3T型 | 1.5トン | |||
| bSSFPの | mSSFP (OS) (英語) | bSSFPの | mSSFP (OS) (英語) | |
| 繰り返し時間(TR) | 2.9ミリ秒 | 3.5ミリ秒 | 31.1ミリ秒 | 39ミリ秒 |
| エコー時間(TE) | 1.21ミリ秒 | 1.73ミリ秒 | 1.21ミリ秒 | 1.63ミリ秒 |
| フリップ角度(FA) | 80 度 | 35 度 | 39 度 | 35 度 |
| ボクセル サイズ(Voxel Size) | 1.6mm x 1.6mm x 6mm | 2.0 mm x 2.0 mm x 10.0 mm | 1.6mm x 1.6mm x 6mm | 1.6mm x 1.6mm x 6mm |
| 帯域幅(ヘルツ/ピクセル) | 947 | 1302 | 1313 | 1302 |
表2:3テスラと1.5テスラでの平衡SSFPと修正SSFP(BOLD)シーケンスのパラメータの違い。 略語:SSFP =定常状態、自由歳差運動。bSSFP = バランスの取れた SSFP;mSSFP = 修正された SSFP;OS = 酸素感受性;太字=血中酸素濃度依存。
| 変更 | 変更不可 | ||
| 視野角(mm) | 360-400 | スライス厚さ(mm) | 10 |
| ギャップ(%) | 0-200 | 角度を反転(Flip Angle) | 35 |
| アクイジション時間(秒/測定) | 8 | セグメント | 12 |
| 測定 | 1(ベースライン)または25+(連続集録) | 心電図 | トリガー/プロスペクティブ |
| 取得ウィンドウ | 制限なし | TE (ミリ秒) | 1.7 |
| TR (ミリ秒) | 40.68 (3.4) | ||
| 帯域幅(ヘルツ/ピクセル) | 1302 | ||
表3:画像取得中の変更可能なOS-CMRシーケンスパラメータと変更不可能なOS-CMRシーケンスパラメータ。 略語: OS-CMR = 酸素化感受性心臓磁気共鳴画像法;ECG = 心電図検査;TE = エコー時間;TR = 繰り返し時間。
| 病状 | 正常なコントロール | 患者集団。 | p値* | ||
| 年齢 | B-MORE(ビーモア) | 年齢 | B-MORE(ビーモア) | ||
| OSASの | 49±12 (n=36) | 9.8±6.7 | 60±12 (n=29) | 4.3±7.6 | 0.01 |
| カナダドル | 27±4 (n=10) | 11.3±6.1 | 64±11 (n=26) | 2.1±4.4 | <0.001 |
| イノカ | 52±4 (n=20) | 4.97±4.2 | 54±6 (n=20) | 5.0±6.82 | 0.75 |
| 心臓移植後 | 47±8 (n=25) | 6.4±6.0 | 59±11 (n=46) | 2.6±4.6 | 0.01 |
| HFpEFの | 56±5 (n=12) | 9.1±5.3 | 61±11 (n=29) | 1.7±3.9 | <0.001 |
表4:血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを利用した以前に発表された研究からの全体的な呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)値12、13、14、15、16。B-MORE値は、標準偏差±平均値として表されます。*B-MORE比較のp値。略語: B-MORE = 呼吸誘発性心筋酸素化予備能;CAD = 冠動脈疾患;HFpEF = 駆出率が保たれた心不全;INOCA = 閉塞性冠動脈狭窄を伴わない虚血;OSAS = 閉塞性睡眠時無呼吸症候群。
補足ファイル1:血管作動性呼吸操作を通して患者をガイドする事前に記録された.mp3ファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオS1:呼吸法の説明ビデオ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
すでに確立されている研究または臨床MRIプロトコルに、標準化された血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMR取得を追加することで、スキャン全体にほとんど時間をかけません。この短い追加により、根底にある大血管および微小血管機能に関する情報を得ることができます(図2)。内皮機能障害の重要な結果は、心臓の異常な流れ媒介性弛緩によって最初に実証されたように、血管系が生理学的刺激に応答できないことです43。OS-CMRは、血管作動性呼吸操作中の心筋酸素化を直接モニタリングすることができ、外因性造影剤や薬理学的血管作動性ストレス薬の必要性を回避します。過換気と無呼吸は、内皮を介して再現性のある測定可能な血管反応を引き起こすため、微小血管機能を評価するための他の方法よりも生理学的モデルを提供する可能性があります。
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを利用した研究からの知見は、説明的な冠動脈狭窄症、特にINOCA、HFpEF、および炎症(心臓移植後など)のない虚血状態の患者の根本的な病態生理学の理解に重要な貢献をしています。虚血性胸痛を呈する患者を説明的な微小血管機能障害を有する患者として特定したり、HFpEFおよび心臓移植患者の臨床精密検査に標準化された血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを追加したりすれば、これらの患者集団における臨床的意思決定が大幅に改善される可能性がある44。
血管作動性呼吸操作でOS-CMRを行う場合、参加者の呼吸操作のパフォーマンスと画像に注目すべきいくつかの側面があります。一般的に、参加者はメトロノームのペース(30回/分)に追いつこうとし、深く息を吸い込まないようにします。毎分30回のペースを維持するよりも、深呼吸が重要です(例えば、「腹式呼吸」は浅い胸式呼吸よりも効果的です)。健康な参加者では、過換気中に心拍数が~20拍/分増加すると予想されます。患者参加者は、心拍数が5〜10拍/分45増加する傾向があります。参加者の中には、息を止める時間を増やすために、小さく息を吸いたくなる人もいるかもしれません。したがって、プロトコルに注意深く従わないと、検査の診断精度が失われ、小さな息で検査が終了することを患者に通知する必要があります。.
スライス位置が基底部(弁面に近い)すぎる場合、流出路はLVをRVと区別できないか、面内運動の結果として左心室流出路にある可能性があり、画像を分析する能力に影響を与えます。スライスが頂端すぎると、画像が心室壁に対して垂直でない場合があり、したがって、血液または傍心組織が含まれ、評価が損なわれる可能性があります。さらに、スライスの頂端が大きすぎると、真の心筋のピクセルが大幅に少なくなり、部分的な体積効果を持つピクセルを分析に含めるリスクが高まります。
心筋酸素化の全体的な障害
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRは、OSAおよびHFpEF患者および心臓移植レシピエントにおける全体的な心筋酸素貯蔵量の障害を以前に実証しました12,14,16。HFpEF患者におけるB-MOREの世界的な減少の発見は、心筋灌流障害を示す以前の研究の結果と矛盾するが、非虚血性HF患者では心筋酸素化を維持した46。しかし、以前の研究では、内皮非依存性血管拡張薬であるアデノシンをストレス剤として使用していました。したがって、内皮依存性の微小血管機能障害および心筋酸素化への潜在的な影響は調査されなかった。慢性心不全患者における内皮機能障害の有無は、内皮機能障害の重症度が臨床症状を決定するだけでなく、将来の入院、心臓移植、または死亡に関して予後的価値を持つ可能性があるため、重要な臨床的意味合いがあります34,47。
心臓移植患者におけるB-MOREの著しい減少の存在は、心臓同種移植血管障害の有無にかかわらず、健康な対照と比較して、根本的な病態生理学と侵襲的フォローアップ検査のタイミングと削減に光を当てるための重要な発見であり、予後に影響を与えます。心臓同種移植血管症の有無にかかわらず、心臓移植患者におけるB-MOREの減少は、冠動脈血管活動の低下の結果である可能性があります。.この説明は、さらなるB-MORE障害と心臓同種移植血管障害の重症度との関連によってさらに裏付けられている14。侵襲的冠動脈造影による微小血管機能障害の年次スクリーニングが心臓移植後の患者に推奨されているように48、血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRの能力は、この患者集団における微小血管機能障害の重症度を特定および監視する、代替の非侵襲的で針を使わないスクリーニング方法論を提供する可能性がある。
心筋酸素化の局所障害
多くのセンターでは、侵襲的冠動脈造影を受けた患者の50%〜70%は重大な閉塞性冠動脈狭窄症を患っておらず、INOCAを特定し、心血管転帰に関する予後情報を提供するための非侵襲的画像技術が必要です このよく理解されていない患者集団における転帰。INOCA患者の臨床評価は、侵襲的冠動脈造影中の微小循環抵抗の指標の測定を含む、冠状動脈反応性検査を歴史的に適用してきました25,26。ただし、この方法は、侵襲性、再現性の欠如、およびコストによって制限されます。さらに、侵襲的血管造影は、重要な下流の病態生理学的効果のレベル、すなわち心筋酸素化への影響を評価しません。最近、INOCAの女性における血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRは、興味深い発見を示しました。年齢を一致させた健康な対照と比較した場合、全体的なB-MOREには障害はなかったが、心筋酸素化の変化によって定義される冠状血管反応性は、年齢が一致した健康な被験者と比較すると、酸素化反応の障害の不均一なパターンを示した15。
胸痛とINOCAの患者で観察された内皮機能と心筋酸素化の局所的変化は、この患者集団における微小血管機能障害の生理学に関する重要な洞察を提供します。心筋酸素化の局所的変動は、内皮由来の弛緩因子の局所的な異常、冠状動脈微小循環への異常な神経刺激、または冠状血管の窃盗49を介して媒介される可能性がある。これらの所見の別の説明は、INOCA50の根底にある病因の不均一性である可能性があります。OS-CMRが呼吸操作で取得したマップによる組織の酸素化状態とその局所的な不均一性の視覚化は、この方法論が、灌流または酸素化の単純化された全体的な測定を超えて、これらの患者の局所心筋血管機能のより直接的かつ包括的な検査において重要な役割を果たす可能性があることを示唆しています。
制限
方法論にはいくつかの制限が残っています。生理学的な観点からは、OS-CMRシグナル強度は血液流入量と血液量によっても影響を受けるため、BOLD効果を利用して組織の酸素化を推測するには、他の変数を考慮する必要があります2,51。しかし幸いなことに、シグナル強度への影響は相乗的で生理学的に関連しています(冠動脈拡張の誘導は、血流、血液量、血中酸素化を同時に増加させます)。したがって、これらの交絡因子の潜在的なバイアスは系統的かつ一方向であり、微小血管機能を評価する際の関連性はほとんどありません。血液(ヘモグロビン、ヘマトクリット)および電界強度に関連する他の要因は、OS-CMR画像の解釈および分析における潜在的な交絡因子として特定されており51,52、著しく異常な場合は考慮に入れる必要があります。これらの因子に対処するために、OS-CMRシグナル強度応答に由来する新規バイオマーカーは、例えば、各参加者の左心室または右心室血液プールに対するシグナル強度応答を正規化することによって、血液希釈状態およびヘマトクリット値の交絡効果を制御または最小限に抑え得る。
最近まで、OS-MRデータの評価には、手間のかかる手作業によるアノテーション、セグメンテーション、分析が必要でした。動的OS-CMRデータセットの自動または半自動分析のためのユーザーフレンドリーな後処理ツールが開発されている53。最後に、OS-CMRの結果と微小血管機能障害の侵襲的測定値を比較した集団ベースの正常値と臨床研究、および予後、費用効率、およびその使用が臨床転帰に与える影響に関するデータが不足しています。
結論
血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRによる心筋酸素化の動的地域的または全体的な変化の非侵襲的モニタリングは、冠状血管機能に関するユニークで臨床的に意味のある情報を提供し、微小血管機能障害のある患者において特に重要な役割を果たす可能性があります。さまざまな患者集団におけるその臨床的有用性を調査するために、さらなる臨床研究を実施する必要があります。.
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Disclosures
MGFは米国のパテント第14/419,877のホールダーとしてリストされている: 心臓病のためのマーカーとして心筋の酸素化の変更を引き起こし、測定すること;米国特許第15/483,712号:血管機能のマーカーとしての組織の酸素化変化の測定。米国特許第10,653,394号:血管機能のマーカーとしての組織の酸素化変化の測定 - 継続;およびカナダ特許CA2020/051776:大胆なCMR画像を利用した血管機能のバイオマーカーを決定するための方法および装置。EHは、国際特許CA2020/051776:太字のCMR画像を利用した血管機能のバイオマーカーを決定するための方法および装置の保有者としてリストされています。
Acknowledgments
この論文と方法論のレビューは、マギル大学ヘルスセンターのCourtois CMR Research Groupのチーム全体によって可能になりました。MRI技師のMaggie LeoとSylvie Gelineauには、参加者のスキャンとこの原稿へのフィードバックに感謝します。
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 |
References
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