Waiting
Login processing...

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

Medicine

Oxygenatiegevoelige cardiale MRI met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres voor de niet-invasieve beoordeling van coronaire microvasculaire disfunctie

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

De beoordeling van de microvasculaire functie door middel van oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming in combinatie met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres is uniek in zijn vermogen om snelle dynamische veranderingen in myocardiale oxygenatie in vivo te beoordelen en kan dus dienen als een uiterst belangrijke diagnostische techniek voor coronaire vasculaire functie.

Abstract

Oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming (OS-CMR) is een diagnostische techniek die de inherente paramagnetische eigenschappen van deoxyhemoglobine gebruikt als een endogene bron van weefselcontrast. Gebruikt in combinatie met gestandaardiseerde vasoactieve ademhalingsmanoeuvres (hyperventilatie en apneu) als een krachtige niet-farmacologische vasomotorische stimulus, kan OS-CMR veranderingen in myocardiale oxygenatie volgen. Het kwantificeren van dergelijke veranderingen tijdens de hartcyclus en tijdens vasoactieve manoeuvres kan markers opleveren voor coronaire macro- en microvasculaire functie en daardoor de noodzaak van extrinsieke, intraveneuze contrast- of farmacologische stressmiddelen omzeilen.

OS-CMR maakt gebruik van de bekende gevoeligheid van T2*-gewogen beelden voor bloedoxygenatie. Oxygenatiegevoelige beelden kunnen worden verkregen op elke cardiale MRI-scanner met behulp van een aangepaste standaard klinische steady-state free precession (SSFP) cinesequentie, waardoor deze techniek leveranciersonafhankelijk en eenvoudig te implementeren is. Als vasoactieve ademhalingsmanoeuvre passen we een ademhalingsprotocol van 4 minuten toe van 120 seconden vrije ademhaling, 60 seconden versnelde hyperventilatie, gevolgd door een uitademingsadem van ten minste 30 seconden. De regionale en globale respons van myocardiale weefseloxygenatie op deze manoeuvre kan worden beoordeeld door de verandering van de signaalintensiteit te volgen. De verandering gedurende de eerste 30 seconden van het inhouden van de adem na hyperventilatie, aangeduid als de door de ademhaling geïnduceerde myocardiale oxygenatiereserve (B-MORE), is bestudeerd bij gezonde mensen en verschillende pathologieën. Er wordt een gedetailleerd protocol gegeven voor het uitvoeren van zuurstofgevoelige CMR-scans met vasoactieve manoeuvres.

Zoals aangetoond bij patiënten met microvasculaire disfunctie in nog onvolledig begrepen aandoeningen, zoals induceerbare ischemie zonder obstructieve kransslagaderstenose (INOCA), hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF) of microvasculaire disfunctie na harttransplantatie, biedt deze benadering unieke, klinisch belangrijke en aanvullende informatie over de coronaire vasculaire functie.

Introduction

Oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming (OS-CMR) maakt gebruik van de inherente paramagnetische eigenschappen van deoxyhemoglobine als een endogene bron van MR-contrast 1,2,3. Gebruikt in combinatie met gestandaardiseerde vasoactieve ademhalingsmanoeuvres (hyperventilatie en apneu) als een krachtige niet-farmacologische vasomotorische stimulus, kan OS-CMR veranderingen in myocardiale oxygenatie volgen als een marker voor de vasculaire functie, waardoor de noodzaak van extrinsieke, intraveneuze contrast- of farmacologische stressmiddelen wordt omzeild 4,5,6.

Ademhalingsmanoeuvres, waaronder het inhouden van de adem en hyperventilatie, zijn zeer effectieve vasoactieve maatregelen om de vasobeweging te veranderen en zijn, vanwege hun veiligheid en eenvoud, ideaal voor gecontroleerde endotheelafhankelijke vasomotion als onderdeel van een diagnostische procedure. Studies hebben een extra effectiviteit aangetoond bij het combineren van hyperventilatie met een daaropvolgende ademinhouding4,7, aangezien tijdens een dergelijk protocol de vasoconstrictie (door de bijbehorende afname van kooldioxide in het bloed) wordt gevolgd door vasodilatatie (toename van kooldioxide in het bloed); zo overgaat een gezond vasculair systeem door het hele bereik van vasoconstrictie tot vasodilatatie met een sterke toename van de myocardiale bloedstroom, wat op zijn beurt de myocardiale oxygenatie verhoogt en dus de waarneembare signaalintensiteit in OS-CMR-beelden. Het gebruik van cinebeelden voor de acquisitie zorgt ook voor cardiale fase-opgeloste resultaten met een betere signaal-ruisverhouding in vergelijking met adenosine-infusie8.

Ademhalingsmanoeuvres kunnen farmacologische stressmiddelen vervangen voor het induceren van vasoactieve veranderingen die kunnen worden gebruikt voor het beoordelen van de coronaire vasculaire functie. Dit vermindert niet alleen het risico voor de patiënt, de logistieke inspanningen en de bijbehorende kosten, maar helpt ook bij het leveren van resultaten die klinisch zinvoller zijn. Farmacologische stressmiddelen zoals adenosine veroorzaken een endotheelafhankelijke respons en weerspiegelen dus de endotheelfunctie zelf. Een dergelijke specifieke beoordeling van de endotheelfunctie was tot nu toe alleen mogelijk door een intracoronaire toediening van acetylcholine als een endotheelafhankelijke vasodilatator. Deze procedure is echter zeer invasief 2,9 en wordt daarom zelden uitgevoerd.

Bij gebrek aan toegang tot directe biomarkers, hebben verschillende diagnostische technieken gebruik gemaakt van surrogaatmarkers, zoals weefselopname van een exogeen contrastmiddel. Ze worden beperkt door de noodzaak van een of twee intraveneuze toegangslijnen, contra-indicaties zoals ernstige nierziekte of atrioventriculair blok, en de noodzaak van de fysieke aanwezigheid van personeel met training in het omgaan met mogelijk ernstige bijwerkingen10,11. De belangrijkste beperking van de huidige beeldvorming van de coronaire functie blijft echter dat myocardperfusie als surrogaatmarker geen myocardiale weefseloxygenatie weerspiegelt als het belangrijkste stroomafwaartse gevolg van vasculaire disfunctie2.

OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres is gebruikt om de vasculaire functie te evalueren in tal van scenario's, waaronder gezonde personen, macrovasculaire aandoeningen bij patiënten met coronaire hartziekte (CAD), evenals microvasculaire disfunctie bij patiënten met obstructieve slaapapneu (OSA), ischemie zonder obstructieve kransslagaderstenose (INOCA), na harttransplantatie en hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF)4, 7,12,13,14,15,16. In een CAD-populatie bleek het protocol voor de door de ademhaling geïnduceerde myocardiale oxygenatiereserve (B-MORE) zoals afgeleid van OS-CMR veilig, haalbaar en gevoelig te zijn bij het identificeren van een verminderde oxygenatierespons in myocardgebieden geperfundeerd door een kransslagader met een significante stenose13.

Bij microvasculaire disfunctie vertoonde OS-CMR een vertraagde myocardiale oxygenatierespons bij patiënten met obstructieve slaapapneu, en een afgestompte B-MORE werd gevonden bij patiënten met HFpEF en na harttransplantatie12,14,16. Bij vrouwen met INOCA leidde de ademhalingsmanoeuvre tot een abnormaal heterogene myocardiale oxygenatierespons, wat het voordeel van de hoge ruimtelijke resolutie van OS-CMR15 benadrukte. Dit artikel bespreekt de grondgedachte en methodologie voor het uitvoeren van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres en bespreekt het klinische nut ervan bij de beoordeling van vasculaire pathofysiologie bij patiëntenpopulaties met microvasculaire disfunctie, met name met betrekking tot endotheeldisfunctie.

De fysiologische context van ademhalingsversterkte oxygenatiegevoelige MRI
Onder normale fysiologische omstandigheden gaat een toename van de zuurstofbehoefte gepaard met een gelijkwaardige toename van de zuurstoftoevoer door een verhoogde bloedstroom, wat resulteert in geen verandering in de lokale deoxyhemoglobineconcentratie. Geïnduceerde vasodilatatie daarentegen leidt tot een "overtollige" instroom van zuurstofrijk bloed zonder een verandering in de zuurstofbehoefte. Bijgevolg wordt meer van het hemoglobine in het weefsel van zuurstof voorzien en is er dus minder desoxyhemoglobine, wat leidt tot een relatieve toename van de OS-CMR-signaalintensiteit 4,17. Als de vasculaire functie in het gedrang komt, kan deze niet goed reageren op een veranderde metabole vraag of stimulus om de myocardiale bloedstroom te vergroten.

In de setting van een stimulus om vasomotion op te wekken, zoals versnelde hyperventilatie die vasoconstrictie uitlokt of een lange ademinhouding die kooldioxide-gemedieerde vasodilatatie uitlokt, zou verminderde vasomotorische activiteit resulteren in een relatieve toename van de lokale deoxyhemoglobineconcentratie in vergelijking met andere regio's, en vervolgens een verminderde verandering in de intensiteit van het OS-CMR-signaal. In de setting van induceerbare ischemie zou een verminderde vasculaire functie resulteren in een verhoogde lokale vraag waaraan niet wordt voldaan door een lokale toename van de myocardiale bloedstroom, zelfs niet bij afwezigheid van epicardiale coronaire arteriestenose. In OS-CMR-beelden leidt de netto lokale toename van de deoxyhemoglobineconcentratie tot een afname van de lokale signaalintensiteit 2,18,19,20.

Verzwakte vasculaire gladde spierontspanning als reactie op endotheelafhankelijke en -onafhankelijke vaatverwijders (waaronder adenosine) is aangetoond bij patiënten met coronaire microvasculaire disfunctie 21,22,23,24,25,26,27 . Endotheel-onafhankelijke disfunctie wordt verondersteld het gevolg te zijn van structurele afwijkingen van microvasculaire hypertrofie of omringende myocardiale pathologie. Daarentegen resulteert endotheeldisfunctie in zowel onvoldoende vasoconstrictie als verminderde (endotheelafhankelijke) vasorelaxatie, meestal veroorzaakt door een verlies van bioactiviteit van stikstofmonoxide in de vaatwand21,28. Endotheeldisfunctie is betrokken bij de pathogenese van een aantal hart- en vaatziekten, waaronder hypercholesterolemie, hypertensie, diabetes, CAD, obstructieve slaapapneu, INOCA en HF 23,24,28,29,30,31,32. In feite is endotheeldisfunctie de vroegste manifestatie van coronaire atherosclerose33. De beeldvorming van de endotheelfunctie heeft een zeer sterk potentieel, gezien zijn rol als een significante voorspeller van ongunstige cardiovasculaire gebeurtenissen en langetermijnuitkomsten, met diepgaande prognostische implicaties in hart- en vaatziekten 23,29,30,31,34,35.

In tegenstelling tot perfusiebeeldvorming maakt de door de ademhaling geïnduceerde myocardiale oxygenatiereserve (B-MORE), gedefinieerd als de relatieve toename van myocardiale oxygenatie tijdens het inhouden van de adem na hyperventilatie, het mogelijk om de gevolgen van een dergelijke vasoactieve trigger op de globale of regionale oxygenatie zelf te visualiseren 2,36. Als een nauwkeurige stroomafwaartse marker van de vasculaire functie kan B-MORE daarom niet alleen vasculaire disfunctie identificeren, maar ook daadwerkelijke induceerbare ischemie, wat wijst op een ernstiger lokaal perfusie- of oxygenatieprobleem18,19,37. Dit wordt bereikt door het vermogen van OS-CMR om de relatieve afname van zuurstofarm hemoglobine te visualiseren, dat overvloedig aanwezig is in het capillaire systeem van het myocardium, dat zelf een aanzienlijk deel van het myocardweefsel vertegenwoordigt24.

OS-CMR-volgorde
De magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)-sequentie die wordt gebruikt voor OS-CMR-beeldvorming is een prospectief afgeschermde, gewijzigde, gebalanceerde, steady-state, vrije precessie (bSSFP)-sequentie die wordt verkregen in twee korte-asplakjes. Deze bSSFP-sequentie is een standaard klinische sequentie die beschikbaar (en aanpasbaar) is op alle MRI-scanners die cardiale MRI uitvoeren, waardoor deze techniek leveranciersonafhankelijk en eenvoudig te implementeren is. In een normale bSSFP-cinesequentie worden de echotijd, de herhalingstijd en de flip-hoek aangepast om de resulterende signaalintensiteit gevoelig te maken voor het BOLD-effect en zo een oxygenatiegevoelige sequentie te creëren. Van deze aanpak, een door T2 voorbereide bSSFP-uitlezing, is eerder aangetoond dat deze geschikt is voor het verkrijgen van zuurstofgevoelige beelden met een hogere signaal-ruisverhouding, hogere beeldkwaliteit en snellere scantijden in vergelijking met eerdere gradiëntechotechnieken die werden gebruikt voor BOLD-beeldvorming38. Het uitvoeren van breathing-enhanced OS-CMR met deze aanpak kan worden toegepast met zeer weinig, milde bijwerkingen (tabel 1). Merk op dat meer dan 90% van de deelnemers dit protocol voltooit met voldoende lange ademinhoudingstijden 4,12,13,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle MRI-scans met behulp van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres moeten worden uitgevoerd in overeenstemming met de lokale institutionele richtlijnen. Het hieronder beschreven protocol is gebruikt in onderzoeken die zijn goedgekeurd door verschillende institutionele ethische commissies voor menselijk onderzoek. Er is schriftelijke toestemming verkregen voor alle gegevens en resultaten van menselijke deelnemers die in dit protocol en manuscript worden beschreven.

1. Breed overzicht

  1. Varieer de in- en exclusiecriteria afhankelijk van de onderzoekspopulatie die u interesseert. Gebruik de volgende algemene, gemeenschappelijke uitsluitingscriteria voor een OS-CMR met protocol voor vasoactieve ademhalingsmanoeuvres: algemene MRI-contra-indicaties (bijv. MRI-incompatibele apparaten zoals pacemakers of defibrillators, geïmplanteerd materiaal of vreemde voorwerpen), consumptie van cafeïne of vasoactieve medicatie in de 12 uur voorafgaand aan de MRI en leeftijd <18 jaar.
  2. Verkrijg eerst de standaard klinische lokalisatorverkenner en ventriculaire structuur- en functiebeelden voordat u de OS-acquisities verwerft. Gebruik de bSSFP-cinebeelden met lange as om de segmentpositionering van de OS-acquisities te plannen.
    OPMERKING: Een overzicht van gestandaardiseerde klinische CMR-protocollen wordt elders beschreven39.
  3. Basislijn adem inhouden
    1. Schaf de eerste OS-CMR-serie aan als een korte, baseline apneu-ingehouden acquisitie om de beeldkwaliteit en de locatie van de slice te beoordelen, te controleren op artefacten en te dienen als basislijn voor de signaalintensiteit.
    2. Voer een korte (~10 s), enkele hartcyclusacquisitie uit nadat de deelnemer normaal heeft geademd. Zorg ervoor dat de adem wordt ingehouden aan het einde van de vervaldatum.
  4. Continue acquisitie met vasoactieve ademhalingsmanoeuvre
    1. Schaf de tweede OS-CMR-serie aan als een continue acquisitie van 4 minuten, bestaande uit 2 minuten vrije ademhaling en 1 minuut versnelde hyperventilatie, gevolgd door een vrijwillige, maximale ademinhouding (~1 min). Aangezien de continue acquisitie meerdere hartcycli van meer dan 4 minuten verkrijgt, wijzigt u één extra parameter (het aantal hartcycli dat door de acquisitie wordt verkregen) om van deze reeks een acquisitie met herhaalde metingen te maken
      OPMERKING: De minimaal vereiste ademinhoudingsduur is 30 s, hoewel een ademinhouding van 60 s als de standaard wordt beschouwd.
    2. Breng de instructies voor de vasoactieve ademhalingsmanoeuvre over aan de deelnemers in de MRI-scanner door de deelnemer tijdens de ademhalingsmanoeuvre handmatig te leiden via een microfoon die is aangesloten op het MRI-luidsprekersysteem of via een vooraf opgenomen .mp3-bestand (aanvullend bestand 1) dat voor de deelnemer kan worden afgespeeld via het MRI-luidsprekersysteem.
    3. Start de vasoactieve ademhalingsmanoeuvre met vrije ademhaling (na 120 seconden vrije ademhaling begint hyperventilatie). Leid de deelnemer door een versnelde ademhaling met behulp van hoorbare pieptonen van een metronoom met een frequentie van 30 ademhalingen/min (één pieptoon geeft inademing aan, één pieptoon geeft uit ademen). Geef bij de 55 s van hyperventilatie een laatste spraakcommando om "diep in te ademen en dan uit te ademen en je adem in te houden" om ervoor te zorgen dat het inhouden van de adem wordt uitgevoerd op een eindvervalniveau.
      OPMERKING: De verandering in CO 2 in het bloed is veel meer uitgesproken met het inhouden van de adem aan het einde van de expiratie (het longoppervlak is kleiner, waardoor de resterende diffusie van CO2 in de longblaasjes wordt geminimaliseerd).
  5. Analyse van afbeeldingen
    1. Om de B-MORE te meten, beschouw het eerste eindsystolische beeld tijdens het inhouden van de adem als tijd 0 s. Vergelijk de globale of regionale signaalintensiteitswaarden van het eindsystolische beeld dat het dichtst bij het tijdstip van 30 s van de ademinhouding is verkregen met de intensiteit van het beeldsignaal op het tijdstip van 0 s. Rapporteer BMORE als een procentuele verandering in signaalintensiteit na 30 s in vergelijking met tijd 0 s van de ademinhouding.

2. Pre-scan procedure

  1. Zorg ervoor dat elke deelnemer slaagt voor de MRI-veiligheids- en compatibiliteitsvragenlijst van de plaatselijke instelling (MRI General Contra-indicatieformulier), die vragen moet bevatten over de medische en chirurgische geschiedenis in het verleden en de aanwezigheid van een implantaat, apparaat of metalen vreemd voorwerp in of op de operatieplaats van de deelnemermoet identificeren 40.
  2. Vraag een zwangerschapstest aan, indien van toepassing.
  3. Controleer of de patiënt zich heeft onthouden van vasoactieve medicatie en cafeïne in de 12 uur voorafgaand aan de MRI-scan.
  4. Laat de deelnemer de instructievideo van de ademhalingsmanoeuvre zien (aanvullende video S1).
    1. Voer een oefensessie uit van 60 seconden hyperventilatie gevolgd door een maximale vrijwillige ademinhouding met elke deelnemer buiten de MRI-scankamer en geef feedback over de prestaties van de hyperventilatie.
    2. Instrueer de deelnemers dat ze gewoon weer kunnen gaan ademen als ze daar een sterke drang toe hebben.
      OPMERKING: Zie de discussie voor aandachtspunten en geef feedback aan de deelnemers.

3. MRI-acquisitie van oxygenatiegevoelige sequenties

  1. Wijzig drie parameters uit de standaard bSSFP-sequentie op de MRI-console: verhoog de herhalingstijd (TR), verhoog de echotijd (TE), verlaag de omdraaihoek (FA).
    OPMERKING: De gewijzigde waarden zijn afhankelijk van de veldsterkte van de MRI-scanner (tabel 2). Het verhogen van TR en TE en het verlagen van FA resulteert in een toename van de T2* of oxygenatiegevoeligheid van de MRI-sequentie. Deze wijzigingen zullen dan resulteren in een toename van de bandbreedte en de basisresolutie van de sequentie.
  2. Maak twee OS-reeksen, een basislijn (gelabeld: OS_base) en de continue acquisitie waarin de ademhalingsmanoeuvre wordt uitgevoerd (gelabeld: OS_cont_acq). Laat de basislijn van het besturingssysteem ongewijzigd. Verhoog in de continue acquisitie van het besturingssysteem de herhaalde metingen van 1 tot ~25-40 (afhankelijk van het scannertype). Verhoog het aantal hartcycli (meet) tot de acquisitietijd ~4,5 min is.
    OPMERKING: Er zijn twee OS-CMR-sequenties nodig: OS-basislijnacquisitie en OS-continue acquisitie met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres. In de volgende secties worden deze stappen beschreven.

4. Verwerving van de basislijn van het besturingssysteem

  1. Plan voor het voorschrijven van plakjes in een eindsystolisch stilstaand beeld van een lange asweergave (afbeelding met twee of vier kamers). Schrijf twee plakjes met een korte as voor: één op het midden tot basaal en de andere op het midden tot apicale ventrikelniveau. Zie de discussie voor aandachtspunten met betrekking tot de locatie van de schijf.
  2. Aanpassingen van sequentieparameters
    1. Pas de sequentieparameters naar behoefte aan voor een bepaalde deelnemer. Zie tabel 3 voor sequentieparameters die wel of niet kunnen worden gewijzigd.
    2. Pas de gemiddelde opening/afstand tussen plakjes aan op basis van de grootte van het hart van de deelnemer en zorg voor de juiste locatie van de plakjes.
    3. Pas indien nodig het gezichtsveld aan om terugloopartefacten te voorkomen. Doe er alles aan om het gezichtsveld tussen 360 mm en 400 mm te houden.
  3. Het volume van de vulplaat
    1. Pas het vulvolume aan zodat het strak rond de linker hartkamer zit in zowel de lange als de korte as.
  4. Sequentie acquisitie
    1. Keur de sequentie goed en voer deze uit tijdens het inhouden van de adem aan het einde van de houdbaarheid. Zorg ervoor dat deze baseline OS-sequentie ~10 s duurt, op basis van de hartslag- en MRI-scanner.
  5. Controle van de beeldkwaliteit
    1. Controleer beide plakjes van de verworven serie op ademhalingsbewegingen, slechte plaklocatie of de aanwezigheid van artefacten. Herhaal de basislijn van het besturingssysteem totdat de beeldkwaliteit voldoende is verkregen.
  6. Voor het oplossen van problemen, als de locatie van de plak te basaal of te apicaal is, past u de voorgeschreven locatie van de plak aan zodat deze dichter bij het middenventrikelniveau ligt. Als er een artefact aanwezig is, volgt u de onderstaande stappen:
    1. Controleer de richting van de fasecodering.
    2. Maak het gezichtsveld groter.
    3. Pas het vulplaatvolume rond de linker hartkamer aan.

5. OS continue acquisitie met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres

NOTITIE: Zorg ervoor dat elke deelnemer is geïnstrueerd over de juiste uitvoering van de ademhalingsmanoeuvre voordat hij in de MRI-scanner ligt (zie rubriek 2).

  1. Volgorde planning
    1. Kopieer indien mogelijk de segmentpositie en pas het volume aan vanaf de basislijnafbeelding van het besturingssysteem of dupliceer de volgorde van het basisbesturingssysteem en verhoog bij herhaalde metingen van 1 tot ~25-40 (of bijna 4.5 min acquisitietijd).
  2. Controleer de afbeelding en de positionering van de segmenten en leg vervolgens de cyclus vast.
  3. Open indien mogelijk het livestreamvenster.
  4. Sluit in de controlekamer een apparaat met de instructies voor de ademhalingsmanoeuvre .mp3 bestand aan op de aux-ingang of bereid u voor om het boven de microfoon te houden die in de MRI-scanner wordt geprojecteerd. U kunt de deelnemer ook handmatig door de ademhalingsmanoeuvre leiden met behulp van een stopwatch voor timing en mondeling instructies geven via de microfoon die is aangesloten op het MRI-luidsprekersysteem.
  5. Sequentie acquisitie
    1. Druk tegelijkertijd op play voor de OS Continuous Acquisition-sequentie op de MRI-scanner en speel af voor het .mp3 ademhalingsinstructiebestand of start de stopwatch als de deelnemer handmatig wordt geïnstrueerd.
    2. Als u de deelnemer handmatig door de ademhalingsmanoeuvres leidt, instrueer hem dan om in en uit te ademen, houd dan zijn adem 10 seconden in en begin te hyperventileren zodra hij de metronoom hoort piepen.
    3. Breng de deelnemer op de hoogte bij de 40 s markering van hyperventilatie (2:40 op de stopwatch).
    4. Instrueer de deelnemer op het tijdstip van hyperventilatie van 55 s (2:55 op de stopwatch) om "diep in te ademen, uit te ademen en je adem in te houden".
      OPMERKING: De beelden van vrije ademhaling en hyperventilatie bevatten bewegingsartefacten. Dit is te verwachten. Er mogen echter geen bewegingsartefacten zijn tijdens het inhouden van de adem. Het is van cruciaal belang dat de beelden die de adem worden ingehouden, worden verkregen na het uitademen (comfortabele eind-uitademingspositie). Alleen het inhouden van de adem na het uitademen leidt tot een snelle toename van CO2 in het bloed gedurende de eerste 30 seconden van het daaropvolgende inhouden, met de bijbehorende verandering van de coronaire bloedstroom en myocardiale oxygenatie.
    5. Bewaak de prestaties van de deelnemer van de versnelde hyperventilatie via het raam van de controlekamer of de MRI-scannercamera om ervoor te zorgen dat de diepe ademhaling adequaat wordt uitgevoerd. Als balgen worden gebruikt, controleer dan de amplitudepieken op de respiratoire gating-viewer. Als hyperventilatie niet adequaat wordt uitgevoerd na de eerste begeleiding, breek dan de acquisitie af en herhaal de continue acquisitiereeks van het besturingssysteem.
    6. Controleer op kleine ademhalingen van deelnemers tijdens het inhouden van de adem. Doe dit door het traceren van een beademingsgordel te volgen op de MRI-console of visueel via het raam/de camera.
    7. Zodra de deelnemer aan het einde van de ademinhouding begint te ademen, stop je de acquisitie.
    8. Vraag de deelnemer na afloop van de acquisitie of hij nadelige effecten heeft ondervonden en laat de deelnemer gedurende 3 minuten normaal ademen.
  6. Probleemoplossing: herhaalacquisitie
    1. Als de ademhalingsmanoeuvres moeten worden herhaald, herhaalt u de basislijn van het besturingssysteem.
      OPMERKING: Een periode van 2-3 minuten voor het herhalen van de acquisitie is vereist om de fysiologie terug te laten keren naar de uitgangswaarde. Eerdere gegevens hebben aangetoond dat de fysiologie niet terugkeert naar de uitgangswaarde na 1 minuut41.
    2. Als de beeldkwaliteit van de basislijn van het besturingssysteem voldoende is, herhaalt u de continue verwerving van het besturingssysteem en de uitvoering van de ademhalingsmanoeuvres.

6. Beeldanalyse

  1. Importeer de OS-CMR-beeldgegevenssets in een DICOM-viewer met mogelijkheden voor beeldcontouren, het beste met functionaliteit om automatisch veranderingen in de signaalintensiteit van oxygenatiegevoelige signalen te analyseren.
  2. Markers en hun meting
    1. Verkrijg een basisbeeld tijdens een korte, baseline ademinhoudingsverwerving vóór hyperventilatie (rust). Vergelijk het eerste beeld van het inhouden van de adem (dat het einde van de "stress"-stimulus vertegenwoordigt) met het basisbeeld.
      OPMERKING: Hyperventilatie is een vasoconstrictieve stimulus die de myocardiale oxygenatie vermindert (Gezond: %ΔSI ≈−5% tot −10%13).
    2. Verkrijg veel beelden (en hartcycli) tijdens het inhouden van de adem. Gebruik het eerste beeld van het inhouden van de adem als basislijn en vergelijk alle volgende beelden met dit beeld.
      OPMERKING: Ademinhouding is een vaatverwijdende stimulus die de myocardiale oxygenatie verhoogt (%ΔSI ≈ +5%-15%12,13,14,16).
    3. Myocardiale contouren
      Voor handmatige analyse: hartfaseselectie
      1. Aangezien het inhouden van de adem meer dan 400 beelden kan bevatten, analyseert u slechts één fase van elke hartcyclus. Richt de analyse daarom op de eindsystolische beelden van elke hartcyclus.
      2. Identificeer de eindsystolische beelden van elke hartcyclus.
      3. Teken de epicardiale en endocardiale contouren rond het myocardium.
      4. Vensters in de afbeelding om te zoeken naar artefacten, die worden weergegeven als donkere (gevoeligheid) of heldere gebieden als gevolg van slechte poorten in het myocardium.
        OPMERKING: Vermijd het opnemen van pixels met gedeeltelijke volume-effecten van de bloedpoelen van de linker- en rechterventrikel. De meeste contourfouten treden op door de endocardiale contour, inclusief pixels met gedeeltelijke volume-effecten en de resulterende kunstmatig verhoogde signaalintensiteit van de linkerventrikelbloedpool. Om dit te voorkomen, tekent u de endocardiale contour één volledige pixel in het myocardium. Zorg er ook voor dat de epicardiale contour zich één volledige pixel in het myocardium bevindt om gedeeltelijke volume-effecten van de rechterventrikelbloedpool, epicardiaal vet of lucht-longinterface te voorkomen.
      5. Kopieer en plak de endocardiale en epicardiale contouren van het eerste eindsystolische beeld van de hartcyclus naar het eindsystolische beeld van de volgende hartcyclus. Pas de contouren indien nodig aan.
        Voor geautomatiseerde analyse:
        OPMERKING: Met geautomatiseerde contourmogelijkheden kunnen, indien gewenst, alle fasen van de hartcyclus worden gecontourd en geanalyseerd.
      6. Controleer alle afbeeldingen om een nauwkeurige contouring te garanderen.
        OPMERKING: Sommige in de handel verkrijgbare geautomatiseerde contourmogelijkheden zijn getraind op datasets die zijn gecontourd voor volumetrische analyse. Deze contouren zijn gevoelig voor gedeeltelijke volume-effecten omdat ze bedoeld zijn om de bloedpool en het myocardium te begrenzen. OS-CMR-contouren moeten zich volledig in het myocardium bevinden.

7. Segmentatie voor regionale analyse

  1. Om regionale informatie te verkrijgen, identificeert u de anteroseptale en inferoseptale insertie van de rechterventrikel om het myocardium te verdelen in segmentatie van de American Heart Association (AHA)42.

8. B-MORE berekenen

  1. Druk B-MORE uit als een procentuele verandering in signaalintensiteit vanaf baseline tot vasodilatatie (zie vergelijking 1):
    Equation 1(1)
  2. Bereken de globale B-MORE als de globale gemiddelde myocardiale signaalintensiteit van de end-systolische beelden na 30 s in vergelijking met 0 s van de ademinhouding8 (zie vergelijking 2):
    Equation 2(2)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Interpretatie van B-MORE
In eerder gepubliceerde onderzoeken waarbij gebruik werd gemaakt van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres, werd de globale of regionale B-MORE berekend door het eerste eindsystolische beeld van de ademinhouding te vergelijken met het eindsystolische beeld dat het dichtst bij 15 s, 30 s, 45 s, enz. van de ademinhouding ligt. De eindsystolische fase van de hartcyclus werd om verschillende redenen gekozen. Het eindsystolische beeld is de meest consistente fase die tussen en tussen lezers wordt geïdentificeerd: het bevat het grootste aantal pixels in het myocardium, het treedt normaal gesproken op ongeveer dezelfde triggertijd op, onafhankelijk van de hartslag van de deelnemer, en het is altijd aanwezig in de acquisitie (terwijl einddiastole mogelijk niet wordt weergegeven in prospectief gated beelden tijdens een ademinhouding waarbij de hartslag kan veranderen).

Vanuit een fysiologisch perspectief werden de 0 s en 30 s tijdstippen van het inhouden van de adem specifiek gekozen om de volgende redenen. Tijd 0 s (of het eerste eindsystolische beeld van het inhouden van de adem) is een beoordeling van de signaalintensiteit na een periode van "stress" (60 s hyperventilatie) en daarom het punt van maximale vasoconstrictie. Vertaald naar signaalintensiteit vertegenwoordigt dit een verminderde myocardiale bloedstroom zonder toename van de vraag, wat resulteert in een lokale toename van de deoxyhemoglobineconcentratie en een verminderde signaalintensiteit in vergelijking met de uitgangswaarde. Tijdens het inhouden van de adem neemt de signaalintensiteit toe met kooldioxide-gemedieerde vasodilatatie, waardoor de myocardiale bloedstroom effectief toeneemt in de context van geen toename van de lokale vraag. Op het tijdstip van ~15 s van het inhouden van de adem begint de signaalintensiteitscurve een plateau van 4,8 te bereiken. Daarom is de theoretische minimale ademinhouding die nodig is voor OS-CMR-analyse 15 s (of twee hartcycli die worden verkregen om het verschil tussen twee datapunten te beoordelen). Het is echter aangetoond dat het tijdstip van 30 seconden van het inhouden van de adem robuuster is en wordt daarom beschouwd als de werkelijk minimaal vereiste ademinhoudingsduur.

Na de berekening van globale B-MORE (vergelijking van 30 s met 0 s ademinhouding) kunnen deze gegevens visueel en kwantitatief worden weergegeven. Kwantitatief zijn globale B-MORE-waarden vergeleken tussen gezonde vrijwilligers en patiënten met OSAS, CAD, INOCA en HFpEF, evenals na harttransplantatie 12,13,14,15,16 (tabel 4). Visueel kunnen pixelgewijze kleuroverlay-kaarten worden gegenereerd om kwantitatieve metingen bij de beoordeling van myocardiale oxygenatie te verbeteren (Figuur 1).

Figure 1
Figuur 1: Myocardiale oxygenatiereserve gevisualiseerd met een signaalintensiteitskaart om globale en/of regionale weefseloxygenatie te beoordelen verkregen met OS-CMR en vasoactieve ademhalingsmanoeuvres. (A) Globale myocardiale oxygenatie wordt gehandhaafd bij een gezonde vrijwilliger; (B) een afname van de regionale myocardiale oxygenatie bij een patiënt met een linker anterieure dalende stenose (100% occlusie op kwantitatieve coronaire angiografie); (C) een algehele vermindering van de myocardiale oxygenatie bij een patiënt met hartfalen. De kleurenbalk geeft een visuele weergave van myocardiale oxygenatie, waarbij zwart/blauw staat voor verminderde en groen voor een gezonde myocardiale oxygenatierespons. Afkortingen: OS-CMR = oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming; LAD = links vooraan dalend. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Visuele weergave van een volledige OS-CMR-scan met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres. (A) De standaardacquisities van een cardiale magnetische resonantiebeeldvormingsscan, inclusief lokalisatoren, korte- en lange-as cinefunctiebeelden en weefselkarakteriseringsbeelden (zoals T1- en/of T2-mapping). (B) De prestaties, fysiologische effecten, acquisitie en veranderingen in de intensiteit van het MRI-signaal tijdens de vasoactieve ademhalingsmanoeuvre. Afkortingen: OS-CMR = oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming; DeoxyHb = desoxyhemoglobine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Procedures Risico 's Redenen Frequentie Strengheid Volharding
Cardiale MRI Hoofdpijn, misselijkheid Magnetisch veld Vaak (10%) Licht tot ernstig Omkeerbaar
Angst, claustrofobie Beperkte ruimte Zelden (<5%) Licht tot ernstig Omkeerbaar
Ademhalingsmanoeuvres Tintelende vingers Hyperventilatie Vaak (20%) Licht Omkeerbaar (<60 s)
Duizeligheid, hoofdpijn Hyperventilatie Vaak (10%) Licht Omkeerbaar (<60 s)
Xerostomie Hyperventilatie Zelden (<5%) Licht Omkeerbaar (<60 s)

Tabel 1: Gemelde bijwerkingen van het ondergaan van een cardiale magnetische resonantie beeldvormingsscan en het uitvoeren van vasoactieve ademhalingsmanoeuvres. De gerapporteerde gegevens zijn verzameld uit onderzoeken die zijn uitgevoerd in het McGill University Health Centre bij meer dan 300 deelnemers (niet-gepubliceerde gegevens verzameld in het Research Institute van het McGill University Health Centre).

3T 1.5T
bSSFP mSSFP (besturingssysteem) bSSFP mSSFP (besturingssysteem)
Herhalingstijd (TR) 2,9 ms 3,5 ms 31,1 ms 39 ms
Echo Tijd (TE) 1,21 ms 1,73 ms 1,21 ms 1,63 ms
Draai Hoek (FA) 80 graden 35 graden 39 graden 35 graden
Voxel-maat 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
Bandbreedte (Hertz/Pixel) 947 1302 1313 1302

Tabel 2: Parameterverschillen tussen gebalanceerde SSFP- en gemodificeerde SSFP-sequentie (BOLD) bij 3 Tesla en 1,5 Tesla. Afkortingen: SSFP = steady-state, vrije precessie; bSSFP = gebalanceerde SSFP; mSSFP = gewijzigde SSFP; OS = zuurstofgevoelig; BOLD = afhankelijk van het zuurstofgehalte in het bloed.

Wijzigbaar Niet wijzigbaar
Gezichtsveld (mm) 360-400 Plak Dikte (mm) 10
Kloof (%) 0-200 Draai Hoek 35
Acquisitietijd (s/meting) 8 Segmenten 12
Metingen 1 (baseline) of 25+ (continue acquisitie) ECG Getriggerd / Prospectief
Acquisitie Venster Geen vaste beperkingen TE (mevrouw) 1.7
TR (ms) 40.68 (3.4)
Bandbreedte (Hertz/Pixel) 1302

Tabel 3: Wijzigbare en niet-wijzigbare OS-CMR-sequentieparameters tijdens beeldacquisitie. Afkortingen: OS-CMR = oxygenatiegevoelige cardiale magnetische resonantiebeeldvorming; ECG = elektrocardiografie; TE = echotijd; TR = herhalingstijd.

Ziektetoestand Gezonde controles Patiëntenpopulaties p-waarde*
Leeftijd B-MEER Leeftijd B-MEER
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-harttransplantatie 47±8 (n=25) 6.4±6.0 59±11 (n=46) 2.6±4.6 0.01
HFpEF 56±5 (n=12) 9.1±5.3 61±11 (n=29) 1.7±3.9 <0,001

Tabel 4: Globale waarden voor door ademhaling geïnduceerde myocardiale oxygenatiereserve (B-MORE) uit eerder gepubliceerde onderzoeken waarbij gebruik werd gemaakt van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres 12,13,14,15,16. B-MORE-waarden worden weergegeven als gemiddelde ± standaarddeviatie. *p-waarde voor B-MORE vergelijking. Afkortingen: B-MORE = breathing-induced myocardial oxygenation reserve; CAD = coronaire hartziekte; HFpEF = hartfalen met behouden ejectiefractie; INOCA = ischemie zonder obstructieve kransslagaderstenose; OSAS = obstructief slaapapneusyndroom.

Aanvullend bestand 1: Vooraf opgenomen .mp3 bestand dat de patiënt door de vasoactieve ademhalingsmanoeuvre leidt. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende video S1: Instructievideo over ademhalingsmanoeuvres. Klik hier om deze video te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De toevoeging van een OS-CMR-acquisitie met gestandaardiseerde, vasoactieve ademhalingsmanoeuvres aan een reeds vastgesteld onderzoeks- of klinisch MRI-protocol voegt weinig tijd toe aan de algehele scan. Met deze korte toevoeging kan informatie worden verkregen over de onderliggende macro- en microvasculaire functie (Figuur 2). Een belangrijk gevolg van endotheeldisfunctie is het onvermogen van het vaatstelsel om te reageren op fysiologische stimuli, zoals aanvankelijk werd aangetoond door abnormale stroomgemedieerde ontspanning in het hart43. OS-CMR met endotheelafhankelijke vasoactieve ademhalingsmanoeuvres maakt directe monitoring van myocardiale oxygenatie tijdens vasoactieve ademhalingsmanoeuvres mogelijk en omzeilt de behoefte aan exogene contrastmiddelen en farmacologische vasoactieve stressmiddelen. Hyperventilatie en apneu veroorzaken een reproduceerbare, meetbare vasculaire respons door het endotheel en kunnen daarom een meer fysiologisch model opleveren dan andere methoden voor het beoordelen van de microvasculaire functie.

Bevindingen uit onderzoeken waarbij gebruik werd gemaakt van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres hebben belangrijke bijdragen geleverd aan het begrip van de onderliggende pathofysiologie bij patiënten met ischemische aandoeningen zonder verklarende kransslagaderstenose, met name INOCA, HFpEF en ontsteking (bijv. na harttransplantatie). De mogelijke toevoeging van OS-CMR met gestandaardiseerde vasoactieve ademhalingsmanoeuvres om patiënten met ischemische pijn op de borst te identificeren als patiënten met verklarende microvasculaire disfunctie of aan het klinische onderzoek van HFpEF- en harttransplantatiepatiënten zou de klinische besluitvorming in deze patiëntenpopulaties aanzienlijk verbeteren44.

Bij het uitvoeren van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres zijn er enkele aspecten waar u op moet letten bij de uitvoering van de ademhalingsmanoeuvres door de deelnemers en in de afbeeldingen. Gewoonlijk proberen deelnemers het tempo van de metronoom bij te houden (30 ademhalingen/min) en ademen ze niet diep in. Het is belangrijker om diep adem te halen dan om het tempo van 30 ademhalingen/min aan te houden (bijv. "buikademhaling" is effectiever dan oppervlakkige borstademhaling). Bij gezonde deelnemers wordt verwacht dat de hartslag tijdens hyperventilatie met ~20 slagen/min zal toenemen. Deelnemers aan patiënten hebben meestal een hartslagverhoging van 5-10 slagen/min45. Sommige deelnemers kunnen in de verleiding komen om een beetje in te ademen om de tijd van het inhouden van de adem te verlengen. Daarom moeten patiënten worden geïnformeerd dat de test zijn diagnostische nauwkeurigheid zal verliezen als het protocol niet zorgvuldig wordt gevolgd en dat elke kleine ademhaling de test zal beëindigen.

Als een plaklocatie te basaal is (dicht bij het klepvlak), is het mogelijk dat de uitstroomkanalen geen onderscheid maken tussen LV en RV of zich in het linkerventrikeluitstroomkanaal bevinden als gevolg van beweging door het vlak en het vermogen om de beelden te analyseren zou beïnvloeden. Als een plak te apicaal is, staan de beelden mogelijk niet loodrecht op de ventriculaire wand en kunnen ze daarom bloed of paracardiaal weefsel bevatten en de evaluatie belemmeren. Bovendien, als een plak te apicaal is, zijn er aanzienlijk minder pixels van echt myocardium, waardoor het risico toeneemt dat pixels met gedeeltelijke volume-effecten in de analyse worden opgenomen.

Algehele aantasting van myocardiale oxygenatie
OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres heeft eerder een verminderde globale myocardiale oxygenatiereserve aangetoond bij patiënten met OSA en HFpEF en ontvangers van harttransplantaties12,14,16. De bevinding van een globale vermindering van B-MORE bij patiënten met HFpEF is in strijd met de bevindingen van een eerdere studie die een verminderde myocardperfusie aantoonde, maar de myocardiale oxygenatie handhaafde bij patiënten met niet-ischemische HF46. De eerdere studies gebruikten echter adenosine, een endotheel-onafhankelijke vasodilatator, als stressmiddel. Daarom werden endotheelafhankelijke microvasculaire disfunctie en de mogelijke impact op myocardiale oxygenatie niet onderzocht. De aan- of afwezigheid van endotheeldisfunctie bij patiënten met chronisch hartfalen heeft belangrijke klinische implicaties, aangezien de ernst van endotheeldisfunctie niet alleen de klinische presentatie kan bepalen, maar ook prognostische waarde kan hebben met betrekking tot toekomstige ziekenhuisopname, harttransplantatie of overlijden34,47.

De aanwezigheid van een duidelijke globale vermindering van B-MORE bij harttransplantatiepatiënten, zowel met als zonder cardiale allogene vasculopathie, in vergelijking met gezonde controles, is een belangrijke bevinding om licht te werpen op de onderliggende pathofysiologie en de timing en vermindering van invasieve follow-uptests en heeft prognostische implicaties. De vermindering van B-MORE bij harttransplantatiepatiënten met en zonder cardiale allotransplantaatvasculopathie is waarschijnlijk het gevolg van verminderde coronaire vasoreactiviteit. Deze verklaring wordt bovendien ondersteund door de associatie van verdere B-MORE-stoornis met de ernst van cardiale allotransplantaatvasculopathie14. Aangezien jaarlijkse screening op microvasculaire disfunctie met invasieve coronaire angiografie wordt aanbevolen bij patiënten na harttransplantatie48, kan het vermogen van OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres om de ernst van microvasculaire disfunctie in deze patiëntenpopulatie te identificeren en te bewaken, een alternatieve niet-invasieve en naaldloze screeningsmethodologie bieden.

Regionale verslechtering van myocardiale oxygenatie
In veel centra heeft 50%-70% van de patiënten die invasieve coronaire angiografie ondergaan geen significante obstructieve kransslagaderstenose, wat vraagt om een niet-invasieve beeldvormingstechniek om zowel INOCA te identificeren als prognostische informatie te verstrekken over cardiovasculaire uitkomsten in deze niet goed begrepen patiëntenpopulatie. De klinische evaluatie van patiënten met INOCA heeft in het verleden coronaire reactiviteitstests toegepast, waaronder het meten van de index van microcirculatoire weerstand tijdens invasieve coronaire angiografie25,26. Deze methode wordt echter beperkt door de invasiviteit, het gebrek aan reproduceerbaarheid en de kosten. Bovendien beoordeelt invasieve angiografie niet het niveau van het kritieke stroomafwaartse pathofysiologische effect, d.w.z. het effect op myocardiale oxygenatie. Onlangs heeft OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres bij vrouwen met INOCA intrigerende bevindingen opgeleverd. Hoewel er geen stoornis was in de globale B-MORE in vergelijking met gezonde controles van dezelfde leeftijd, vertoonde de coronaire vasculaire responsiviteit, zoals gedefinieerd door een verandering in myocardiale oxygenatie, een heterogeen patroon van verminderde oxygenatierespons in vergelijking met die van gezonde proefpersonen van dezelfde leeftijd15.

De waargenomen regionale variaties in endotheelfunctie en myocardiale oxygenatie bij patiënten met pijn op de borst en INOCA geven een belangrijk inzicht in de fysiologie van microvasculaire disfunctie in deze patiëntenpopulatie. Regionale variaties in myocardiale oxygenatie kunnen mogelijk worden gemedieerd door lokale afwijkingen in endotheel-afgeleide ontspannende factoren, abnormale neurale stimuli voor de coronaire microcirculatie resulterend in regionaliteit van stroming en oxygenatie, of een coronaire vasculaire steal49. Een alternatieve verklaring voor deze bevindingen kan heterogeniteit zijn in de etiologieën die ten grondslag liggen aan INOCA50. De visualisatie van de oxygenatiestatus van het weefsel en de regionale heterogeniteit ervan door kaarten verkregen door OS-CMR met ademhalingsmanoeuvres suggereren dat deze methodologie een belangrijke rol zou kunnen spelen in een directer en uitgebreider onderzoek van de regionale myocardiale vasculaire functie bij deze patiënten die verder gaat dan een vereenvoudigde globale meting van perfusie of oxygenatie.

Beperkingen
Er blijven enkele beperkingen van de methodologie bestaan. Vanuit een fysiologisch perspectief vereist het gebruik van het BOLD-effect om conclusies te trekken over weefseloxygenatie de overweging van andere variabelen, aangezien de intensiteit van het OS-CMR-signaal ook wordt beïnvloed door de bloedinstroom en het bloedvolume 2,51. Gelukkig zijn de effecten op de signaalintensiteit synergetisch en fysiologisch met elkaar verbonden (geïnduceerde coronaire vasodilatatie verhoogt tegelijkertijd de bloedstroom, het bloedvolume en de bloedoxygenatie). De potentiële bias van deze confounders is daarom systematisch en unidirectioneel, met weinig relevantie bij het beoordelen van de microvasculaire functie. Andere factoren die verband houden met het bloed (hemoglobine, hematocriet) en veldsterkte zijn geïdentificeerd als mogelijke verstorende factoren bij de interpretatie en analyse van OS-CMR-beelden51,52 en er moet rekening mee worden gehouden als ze significant abnormaal zijn. Om deze factoren aan te pakken, kunnen nieuwe biomarkers die zijn afgeleid van de OS-CMR-signaalintensiteitsrespons de verstorende effecten van hemodilutionele toestand en hematocriet controleren of minimaliseren, bijvoorbeeld door de signaalintensiteitsrespons op de linker- of rechterventrikelbloedpool van elke deelnemer te normaliseren.

Tot voor kort vereiste de evaluatie van OS-MR-gegevens moeizame handmatige annotatie, segmentatie en analyse. Er worden gebruiksvriendelijke nabewerkingstools ontwikkeld voor de geautomatiseerde of semi-automatische analyse van dynamische OS-CMR-datasets53. Ten slotte is er een gebrek aan populatiegebaseerde normale waarden en klinische studies waarin OS-CMR-resultaten worden vergeleken met invasieve metingen van microvasculaire disfunctie, evenals gegevens over prognose, kostenefficiëntie en de impact van het gebruik ervan op klinische resultaten.

Conclusie
Niet-invasieve monitoring van dynamische regionale of globale veranderingen in myocardiale oxygenatie door OS-CMR met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres biedt unieke, klinisch zinvolle informatie over de coronaire vasculaire functie en kan een bijzonder belangrijke rol spelen bij patiënten met microvasculaire disfunctie. Verdere klinische studies moeten worden uitgevoerd om het klinische nut ervan bij verschillende patiëntenpopulaties te onderzoeken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

MGF wordt vermeld als houder van United States Patent No. 14/419,877: Induceren en meten van myocardiale oxygenatieveranderingen als marker voor hartaandoeningen; Octrooi nr. 15/483,712 van de Verenigde Staten: Het meten van veranderingen in oxygenatie in weefsel als marker voor de vasculaire functie; Octrooi nr. 10,653,394 van de Verenigde Staten: Het meten van veranderingen in oxygenatie in weefsel als marker voor vasculaire functie - voortzetting; en Canadees octrooi CA2020/051776: Methode en apparaat voor het bepalen van biomarkers van vasculaire functie met behulp van vetgedrukte CMR-afbeeldingen. EH staat vermeld als houder van het internationale octrooi CA2020/051776: Methode en apparaat voor het bepalen van biomarkers van vasculaire functie met behulp van vetgedrukte CMR-beelden.

Acknowledgments

Dit artikel en de methodologie werden mogelijk gemaakt door het hele team van de Courtois CMR Research Group van het McGill University Health Centre. Speciale dank aan onze MRI-technologen Maggie Leo en Sylvie Gelineau voor het scannen van onze deelnemers en feedback op dit manuscript.

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

Oxygenatiegevoelige cardiale MRI Vasoactieve ademhalingsmanoeuvres Niet-invasieve beoordeling Coronaire microvasculaire disfunctie Myocardiale oxygenatie Paramagnetische eigenschappen Deoxyhemoglobine Weefselcontrast Vasoactieve manoeuvres Coronaire macro- en microvasculaire functie Intraveneus contrast Farmacologische stressmiddelen T2-gewogen beelden steady-state vrije precessie (SSFP) Cinesequentie Ademhalingsprotocol Versnelde hyperventilatie Expiratoire ademinhouding
Oxygenatiegevoelige cardiale MRI met vasoactieve ademhalingsmanoeuvres voor de niet-invasieve beoordeling van coronaire microvasculaire disfunctie
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