Waiting
Login processing...

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

Medicine

Oxygeneringsfølsom hjerte-MR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer til ikke-invasiv vurdering af koronar mikrovaskulær dysfunktion

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 af mikrovaskulær funktion ved iltningsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse i kombination med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer er unik i sin evne til at vurdere hurtige dynamiske ændringer i myokardieoxygenering in vivo og kan således tjene som en kritisk vigtig diagnostisk teknik til koronar vaskulær funktion.

Abstract

Oxygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse (OS-CMR) er en diagnostisk teknik, der bruger deoxyhemoglobins iboende paramagnetiske egenskaber som en endogen kilde til vævskontrast. Anvendes i kombination med standardiserede vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer (hyperventilation og apnø) som en potent ikke-farmakologisk vasomotorisk stimulus, kan OS-CMR overvåge ændringer i myokardieoxygenering. Kvantificering af sådanne ændringer under hjertecyklussen og gennem vasoaktive manøvrer kan give markører for koronar makro- og mikrovaskulær funktion og derved omgå behovet for ekstrinsiske, intravenøse kontrast- eller farmakologiske stressmidler.

OS-CMR bruger den velkendte følsomhed af T2*-vægtede billeder over for iltning i blodet. Oxygeneringsfølsomme billeder kan erhverves på enhver hjerte-MR-scanner ved hjælp af en modificeret standard klinisk steady-state fri præcession (SSFP) cinesekvens, hvilket gør denne teknik leverandøragnostisk og let implementeret. Som en vasoaktiv vejrtrækningsmanøvre anvender vi en 4 minutters vejrtrækningsprotokol på 120 s fri vejrtrækning, 60 s tempo hyperventilation efterfulgt af et ekspiratorisk åndedræt på mindst 30 s. Det regionale og globale respons af myokardievævets iltning på denne manøvre kan vurderes ved at spore signalintensitetsændringen. Ændringen i løbet af de første 30 s af det posthyperventilerede åndedræt, kaldet den vejrtrækningsinducerede myokardieiltningsreserve (B-MORE), er blevet undersøgt hos raske mennesker og forskellige patologier. En detaljeret protokol til udførelse af iltfølsomme CMR-scanninger med vasoaktive manøvrer leveres.

Som påvist hos patienter med mikrovaskulær dysfunktion under endnu ufuldstændigt forståede tilstande, såsom inducerbar iskæmi uden obstruktiv koronararteriestenose (INOCA), hjertesvigt med bevaret uddrivningsfraktion (HFpEF) eller mikrovaskulær dysfunktion efter hjertetransplantation, giver denne tilgang unik, klinisk vigtig og komplementær information om koronar vaskulær funktion.

Introduction

Oxygeneringsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse (OS-CMR) bruger de iboende paramagnetiske egenskaber ved deoxyhemoglobin som en endogen kilde til MR-kontrast 1,2,3. Anvendt i kombination med standardiserede vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer (hyperventilation og apnø) som en potent ikke-farmakologisk vasomotorisk stimulus, kan OS-CMR overvåge ændringer i myokardieoxygenering som markør for vaskulær funktion og derved omgå behovet for ekstrinsiske, intravenøse kontrast- eller farmakologiske stressmidler 4,5,6.

Åndedrætsmanøvrer, herunder åndedrætsværn og hyperventilation, er yderst effektive vasoaktive foranstaltninger til at ændre vasomotion og er på grund af deres sikkerhed og enkelhed ideelle til kontrolleret endotelafhængig vasomotion som en del af en diagnostisk procedure. Undersøgelser har vist en ekstra effektivitet ved kombination af hyperventilation med et efterfølgende åndedræt4,7, da vasokonstriktionen (gennem det tilhørende fald i blodkuldioxid) under en sådan protokol efterfølges af vasodilatation (stigning i kuldioxid i blodet); således overgår et sundt vaskulært system gennem hele området fra vasokonstriktion til vasodilatation med en stærk stigning i myokardieblodgennemstrømningen, hvilket igen øger myokardieoxygenering og dermed den observerbare signalintensitet i OS-CMR-billeder. Brugen af cine-billeder til erhvervelsen giver også mulighed for hjertefaseløste resultater med et bedre signal-støj-forhold sammenlignet med adenosininfusion8.

Åndedrætsmanøvrer kan erstatte farmakologiske stressmidler til inducering af vasoaktive ændringer, der kan bruges til vurdering af koronar vaskulær funktion. Dette reducerer ikke kun patientrisiko, logistisk indsats og dermed forbundne omkostninger, men hjælper også med at levere resultater, der er klinisk mere meningsfulde. Farmakologiske stressmidler, såsom adenosin, udløser et endotelafhængigt respons og afspejler således endotelfunktionen selv. En sådan specifik vurdering af endotelfunktionen hidtil var kun mulig ved en intrakoronar administration af acetylcholin som en endotelafhængig vasodilator. Denne procedure er imidlertid meget invasiv 2,9 og udføres derfor sjældent.

I mangel af adgang til direkte biomarkører har flere diagnostiske teknikker brugt surrogatmarkører såsom vævsoptagelse af et eksogent kontrastmiddel. De er begrænset af behovet for en eller to intravenøse adgangslinjer, kontraindikationer såsom alvorlig nyresygdom eller atrioventrikulær blok og behovet for fysisk tilstedeværelse af personale med træning i håndtering af potentielt alvorlige bivirkninger10,11. Den væsentligste begrænsning af den nuværende billeddannelse af koronar funktion er imidlertid fortsat, at myokardieperfusion som surrogatmarkør ikke afspejler iltning af myokardievæv som den vigtigste nedstrøms konsekvens af vaskulær dysfunktion2.

OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer er blevet brugt til at evaluere vaskulær funktion i adskillige scenarier, herunder raske individer, makrovaskulær sygdom hos patienter med koronararteriesygdom (CAD) samt mikrovaskulær dysfunktion hos patienter med obstruktiv søvnapnø (OSA), iskæmi uden obstruktiv koronararteriestenose (INOCA) efter hjertetransplantation og hjertesvigt med bevaret udstødningsfraktion (HFpEF)4, 7,12,13,14,15,16. I en CAD-population viste protokollen for den vejrtrækningsinducerede myokardieiltningsreserve (B-MORE) som afledt af OS-CMR sig at være sikker, gennemførlig og følsom til at identificere et nedsat iltningsrespons i myokardieområder, der er perfuseret af en koronararterie med en signifikant stenose13.

Ved mikrovaskulær dysfunktion viste OS-CMR et forsinket myokardieiltningsrespons hos patienter med obstruktiv søvnapnø, og en stump B-MORE blev fundet hos patienter med HFpEF og efter hjertetransplantation12,14,16. Hos kvinder med INOCA førte vejrtrækningsmanøvren til et unormalt heterogent myokardieiltningsrespons, hvilket fremhævede fordelen ved den høje rumlige opløsning af OS-CMR15. Dette papir gennemgår begrundelsen og metoden til udførelse af OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer og diskuterer dets kliniske anvendelighed i vurderingen af vaskulær patofysiologi hos patientpopulationer med mikrovaskulær dysfunktion, specifikt som de vedrører endoteldysfunktion.

Den fysiologiske kontekst af vejrtrækningsforstærket iltningsfølsom MR
Under normale fysiologiske forhold modsvares en stigning i iltbehovet af en tilsvarende stigning i iltforsyningen gennem øget blodgennemstrømning, hvilket resulterer i ingen ændring i lokal deoxyhemoglobinkoncentration. I modsætning hertil fører induceret vasodilatation til "overskydende" tilstrømning af iltet blod uden en ændring i iltbehovet. Derfor iltes mere af vævets hæmoglobin, og der er således mindre deoxyhemoglobin, hvilket fører til en relativ stigning i OS-CMR-signalintensitet 4,17. Hvis vaskulær funktion er kompromitteret, kan den ikke reagere korrekt på en ændret metabolisk efterspørgsel eller stimulus for at øge myokardieblodgennemstrømningen.

Ved indstilling af en stimulus til at fremkalde vasomotion, såsom paced hyperventilation, der fremkalder vasokonstriktion eller et langt åndedræt, der fremkalder kuldioxidmedieret vasodilatation, ville nedsat vasomotorisk aktivitet resultere i en relativ stigning i lokal deoxyhemoglobinkoncentration sammenlignet med andre regioner og efterfølgende en reduceret ændring i OS-CMR-signalintensiteten. Ved indstilling af inducerbar iskæmi vil nedsat vaskulær funktion resultere i øget lokal efterspørgsel, der ikke opfyldes af en lokal stigning i myokardieblodgennemstrømningen, selv i fravær af epikardiekoronararteriestenose. I OS-CMR-billeder fører den lokale nettostigning i deoxyhemoglobinkoncentration til et fald i lokal signalintensitet 2,18,19,20.

Svækket vaskulær afslapning af glat muskulatur som reaktion på endotelafhængige og -uafhængige vasodilatorer (inklusive adenosin) er blevet påvist hos patienter med koronar mikrovaskulær dysfunktion 21,22,23,24,25,26,27. Endoteluafhængig dysfunktion menes at skyldes strukturelle abnormiteter fra mikrovaskulær hypertrofi eller omgivende myokardiepatologi. I modsætning hertil resulterer endoteldysfunktion i både utilstrækkelig vasokonstriktion og nedsat (endotelafhængig) vasoafslapning, typisk forårsaget af et tab af nitrogenoxidbioaktivitet i karvæggen21,28. Endoteldysfunktion har været impliceret i patogenesen af en række hjerte-kar-sygdomme, herunder hyperkolesterolæmi, hypertension, diabetes, CAD, obstruktiv søvnapnø, INOCA og HF 23,24,28,29,30,31,32. Faktisk er endoteldysfunktion den tidligste manifestation af koronar aterosklerose33. Billeddannelsen af endotelfunktionen har et meget stærkt potentiale i betragtning af dets rolle som en signifikant forudsigelse for kardiovaskulære hændelser og langsigtede resultater med dybtgående prognostiske konsekvenser i kardiovaskulære sygdomstilstande 23,29,30,31,34,35.

I modsætning til perfusionsbilleddannelse giver den vejrtrækningsinducerede myokardieiltningsreserve (B-MORE), defineret som den relative stigning i myokardieiltning under et åndedræt efter hyperventilation, mulighed for at visualisere konsekvenserne af en sådan vasoaktiv udløser på selve den globale eller regionale iltning 2,36. Som en nøjagtig nedstrøms markør for vaskulær funktion kan B-MORE derfor ikke kun identificere vaskulær dysfunktion, men også faktisk inducerbar iskæmi, hvilket indikerer et mere alvorligt lokalt perfusions- eller iltningsproblem18,19,37. Dette opnås gennem OS-CMR's evne til at visualisere det relative fald i deoxygeneret hæmoglobin, hvilket er rigeligt i myokardiets kapillærsystem, som i sig selv repræsenterer en betydelig andel af myokardievæv24.

OS-CMR-sekvens
Den magnetiske resonansbilleddannelse (MRI) sekvens, der anvendes til OS-CMR-billeddannelse, er en prospektivt gated, modificeret, afbalanceret, steady-state, fri præcession (bSSFP) sekvens erhvervet i to kortakse skiver. Denne bSSFP-sekvens er en standard klinisk sekvens, der er tilgængelig (og modificerbar) på alle MR-scannere, der udfører hjerte-MR, hvilket gør denne teknik leverandøragnostisk og let implementeret. I en regelmæssig bSSFP-cinesekvens modificeres ekkotid, gentagelsestid og vendevinkel for at sensibilisere den resulterende signalintensitet til BOLD-effekten og dermed skabe en iltningsfølsom sekvens. Denne tilgang, en T2-forberedt bSSFP-udlæsning, har tidligere vist sig at være egnet til at opnå iltningsfølsomme billeder med et højere signal-støj-forhold, højere billedkvalitet og hurtigere scanningstider sammenlignet med tidligere gradientekkoteknikker, der blev brugt til BOLD-billeddannelse38. Udførelse af vejrtrækningsforbedret OS-CMR med denne tilgang kan anvendes med meget få, milde bivirkninger (tabel 1). Det skal bemærkes, at mere end 90% af deltagerne gennemfører denne protokol med tilstrækkeligt lange åndedræt gange 4,12,13,16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle MR-scanninger, der anvender OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer, skal udføres i overensstemmelse med lokale institutionelle retningslinjer. Den nedenfor skitserede protokol er blevet anvendt i undersøgelser, der er godkendt af flere institutionelle etiske komitéer for human forskning. Der blev indhentet skriftligt samtykke til alle de menneskelige deltagerdata og resultater, der er beskrevet i denne protokol og dette manuskript.

1. Bredt overblik

  1. Varier inklusions- og eksklusionskriterierne afhængigt af den relevante studiepopulation. Brug følgende generelle, almindelige udelukkelseskriterier for en OS-CMR med vasoaktiv vejrtrækningsmanøvreprotokol: generelle MR-kontraindikationer (f.eks. MR-inkompatible enheder såsom pacemakere eller defibrillatorer, implanteret materiale eller fremmedlegemer), forbrug af koffein eller vasoaktiv medicin i 12 timer før MR og alder <18 år.
  2. Først skal du erhverve standard klinisk lokaliseringsspejder og ventrikulær struktur og funktionsbilleder, før du erhverver OS-anskaffelserne. Brug bSSFP-cine-billeder med lang akse til at planlægge udsnitsplaceringen af OS-anskaffelserne.
    BEMÆRK: En gennemgang af standardiserede kliniske CMR-protokoller er beskrevet andetsteds39.
  3. Baseline åndedræt
    1. Anskaf den første OS-CMR-serie som en kort, grundlæggende åndedrætsoptagelse for at vurdere billedkvalitet og skiveplacering, kontrollere for artefakter samt tjene som en signalintensitetsbaseline.
    2. Udfør en kort (~ 10 s), enkelt hjertecyklus erhvervelse, efter at deltageren har trukket vejret normalt. Sørg for, at åndedrættet er færdigt ved udløb.
  4. Kontinuerlig erhvervelse med vasoaktiv vejrtrækningsmanøvre
    1. Anskaf den anden OS-CMR-serie som en 4 min, kontinuerlig erhvervelse bestående af 2 min fri vejrtrækning og 1 min tempo hyperventilation, efterfulgt af et frivilligt, maksimalt åndedræt (~ 1 min). Da den kontinuerlige erhvervelse opnår flere hjertecyklusser over 4 minutter, skal du ændre en yderligere parameter (antallet af hjertecyklusser erhvervet ved erhvervelsen) for at gøre denne serie til en gentagen foranstaltningserhvervelse
      BEMÆRK: Den mindste krævede åndedrætslængde er 30 s, selvom et åndedræt på 60 s betragtes som standarden.
    2. Formidl instruktionerne til den vasoaktive vejrtrækningsmanøvre til deltagerne i MR-scanneren ved manuelt at lede deltageren gennem vejrtrækningsmanøvren gennem en mikrofon, der er tilsluttet MR-højttalersystemet eller gennem en forudindspillet .mp3 fil (supplerende fil 1), der kan afspilles for deltageren gennem MR-højttalersystemet.
    3. Start den vasoaktive vejrtrækningsmanøvre med fri vejrtrækning (efter 120 s fri vejrtrækning begynder hyperventilation). Guide deltageren gennem tempoet vejrtrækning ved hjælp af hørbare bip fra en metronom med en frekvens på 30 vejrtrækninger / min (et bip angiver vejrtrækning, et bip indikerer vejrtrækning). Ved 55 s mærket for hyperventilation skal du give en sidste stemmekommando til at "tage en dyb indånding og derefter ånde ud og holde vejret" for at sikre, at åndedrætsgrebet udføres på et slutudløbsniveau.
      BEMÆRK: Ændringen i blodets CO 2 er meget mere udtalt med åndedrættet ved udløb (lungeoverfladen er mindre, hvilket minimerer den resterende diffusion af CO2 i alveolerne).
  5. Billedanalyse
    1. For at måle B-MORE skal du overveje det første endesystoliske billede under åndedrættet som tid 0 s. Sammenlign de globale eller regionale signalintensitetsværdier for det endesystoliske billede, der er opnået tættest på 30 s tidspunktet for åndedrættet, med billedsignalintensiteten ved 0 s tidspunktet. Rapporter BMORE som en procentvis ændring i signalintensitet ved 30 s sammenlignet med tid 0 s af åndedrættet.

2. Procedure før scanning

  1. Sørg for, at hver deltager består MR-sikkerheds- og kompatibilitetsspørgeskemaet fra den lokale institution (MR General Kontraindikation form), som skal indeholde spørgsmål om tidligere medicinsk og kirurgisk historie og identificere tilstedeværelsen af ethvert implantat, enhed eller metallisk fremmedlegeme inde i eller på deltagerens kirurgiske sted40.
  2. Få en graviditetstest, hvis det er relevant.
  3. Kontroller, at patienten har afholdt sig fra vasoaktiv medicin og koffein i de 12 timer før MR-scanningen.
  4. Vis deltageren instruktionsvideoen om vejrtrækningsmanøvren (supplerende video S1).
    1. Udfør en øvelsessession på 60 s tempo hyperventilation efterfulgt af et maksimalt frivilligt åndedræt med hver deltager uden for MR-scanningsrummet og giv feedback om hyperventilationens ydeevne.
    2. Instruer deltagerne i, at de simpelthen kan genoptage vejrtrækningen, når de har en stærk trang til at gøre det.
      BEMÆRK: Se diskussionen for punkter, du kan notere og give feedback til deltagerne.

3. MR-erhvervelse af iltningsfølsomme sekvenser

  1. Rediger tre parametre fra standard bSSFP-sekvensen på MR-konsollen: øg gentagelsestiden (TR), øg ekkotiden (TE), reducer vendevinklen (FA).
    BEMÆRK: De ændrede værdier afhænger af MR-scannerens feltstyrke (tabel 2). Øget TR og TE og faldende FA resulterer i en stigning i T2* eller iltningsfølsomhed i MR-sekvensen. Disse ændringer vil derefter resultere i en stigning i båndbredde og basisopløsning af sekvensen.
  2. Opret to OS-serier, en baseline (mærket: OS_base) og den kontinuerlige erhvervelse, hvor vejrtrækningsmanøvren udføres (mærket: OS_cont_acq). Lad OS-sekvensen for det oprindelige område være uændret. I OS kontinuerlig erhvervelse øges de gentagne foranstaltninger fra 1 til ~ 25-40 (afhængigt af scannertype). Forøg antallet af hjertecyklusser (målinger), indtil erhvervelsestiden er ~ 4,5 min.
    BEMÆRK: To OS-CMR-sekvenser er nødvendige: OS baseline erhvervelse og OS kontinuerlig erhvervelse med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer. I følgende afsnit beskrives disse trin.

4. Anskaffelse af OS-baseline

  1. For udsnitsrecept skal du planlægge i en endesystolisk stillramme med en lang aksevisning (to- eller firekammerbillede). Foreskrive to kortakseskiver-en i midten til basal og den anden på midten til apikal ventrikulært niveau. Se diskussionen for punkter, du skal overveje vedrørende skiveplacering.
  2. Justering af sekvensparametre
    1. Juster sekvensparametrene efter behov for en given deltager. Se tabel 3 for sekvensparametre, der kan eller ikke kan ændres.
    2. Juster det gennemsnitlige mellemrum / afstand mellem skiver baseret på størrelsen på deltagerens hjerte og sørg for korrekt skiveplacering.
    3. Juster synsfeltet for at undgå ombrydningsartefakter, hvis det er nødvendigt. Gør alt for at holde synsfeltet mellem 360 mm og 400 mm.
  3. Shim volumen
    1. Juster shim-lydstyrken til at være stram omkring venstre ventrikel i både lang- og kortaksevisningen.
  4. Sekvens erhvervelse
    1. Godkend sekvensen, og kør den under åndedrættet ved slutudløb. Sørg for, at denne baseline OS-sekvens varer ~ 10 s, baseret på puls og MR-scanner.
  5. Kontrol af billedkvalitet
    1. Kontroller begge skiver af den erhvervede serie - se efter åndedrætsbevægelser, dårlig skiveplacering eller tilstedeværelsen af artefakter. Gentag OS-grundsekvensen, indtil der er opnået tilstrækkelig billedkvalitet.
  6. Til fejlfinding, hvis udsnitsplaceringen er for basal eller for apikal, skal du justere den foreskrevne udsnitsplacering for at være tættere på midten af ventrikelniveauet. Hvis der er en artefakt til stede, skal du følge nedenstående trin:
    1. Kontroller fasekodningsretningen.
    2. Gør synsfeltet større.
    3. Juster shimvolumen omkring venstre ventrikel.

5. OS kontinuerlig erhvervelse med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer

BEMÆRK: Sørg for, at alle deltagere er blevet instrueret i korrekt udførelse af vejrtrækningsmanøvren, før de er i MR-scanneren (se afsnit 2).

  1. Sekvens planlægning
    1. Hvis det er muligt, skal du kopiere udsnitsposition og justere lydstyrken fra OS-grundlinjebilledet eller duplikere OS-baselinesekvensen og ved gentagne målinger øge fra 1 til ~25-40 (eller tæt på 4,5 min anskaffelsestid).
  2. Kontroller placeringen af billedet og udsnittet, og hent derefter cyklus.
  3. Hvis det er muligt, skal du åbne livestreamvinduet.
  4. I kontrolrummet skal du tilslutte en enhed med vejrtrækningsmanøvreinstruktionerne .mp3 filen i hjælpeindgangen eller forberede dig på at holde den over mikrofonen, der projicerer ind i MR-scanneren. Alternativt kan du manuelt guide deltageren gennem vejrtrækningsmanøvren ved hjælp af et stopur til timing og mundtligt give instruktioner gennem mikrofonen, der er tilsluttet MR-højttalersystemet.
  5. Sekvens erhvervelse
    1. Tryk samtidigt på play for OS Continuous Acquisition-sekvensen på MR-scanneren, og afspil for den .mp3 vejrtrækningsinstruktionsfil, eller start stopuret, hvis deltageren instrueres manuelt.
    2. Hvis du manuelt guider deltageren gennem vejrtrækningsmanøvrerne, skal du bede dem om at trække vejret ind og ånde ud, derefter holde vejret i 10 sekunder og begynde at hyperventilere, så snart de hører metronomen bip.
    3. Underret deltageren ved 40 s mærket for hyperventilation (2:40 på stopuret).
    4. På 55 s tidspunkt for hyperventilation (2:55 på stopuret) skal du instruere deltageren om at "tage en dyb indånding, ånde ud og holde vejret".
      BEMÆRK: De frie vejrtræknings- og hyperventilationsbilleder vil have bevægelsesartefakter. Dette forventes. Der bør dog ikke være nogen bevægelsesartefakter under åndedrættet. Det er yderst vigtigt, at de åndedrættede billeder erhverves efter udånding (behagelig slut-ekspiratorisk position). Kun et åndedræt efter udånding fører til den hurtige stigning i blodets CO2 i løbet af de første 30 sekunder af det efterfølgende åndedræt med den tilhørende ændring af koronar blodgennemstrømning og myokardieoxygenering.
    5. Overvåg deltagerens præstation af den tempofyldte hyperventilation gennem kontrolrumsvinduet eller MR-scannerkameraet for at sikre tilstrækkelig ydeevne ved dyb vejrtrækning. Hvis der anvendes bælge, skal du overvåge amplitudetoppene på åndedrætsgitteret. Hvis hyperventilation ikke udføres tilstrækkeligt efter indledende vejledning, skal du afbryde anskaffelsen og gentage OS-kontinuerlig anskaffelsessekvens.
    6. Overvåg for eventuelle små vejrtrækninger taget af deltagerne i hele åndedrættet. Gør dette ved at overvåge sporingen af et respirationsbælte på MR-konsollen eller visuelt gennem vinduet/kameraet.
    7. Når deltageren begynder at trække vejret i slutningen af åndedrættet, skal du stoppe erhvervelsen.
    8. Efter afslutningen af erhvervelsen skal du spørge deltageren, om de oplevede nogen bivirkninger og lade deltageren trække vejret normalt i 3 minutter.
  6. Fejlfinding: Gentag anskaffelse
    1. Hvis vejrtrækningsmanøvrerne skal gentages, skal du gentage baseline OS-sekvensen.
      BEMÆRK: Der kræves en periode på 2-3 minutter, før erhvervelsen gentages, for at fysiologien kan vende tilbage til baseline. Tidligere data har vist, at fysiologien ikke vender tilbage til baseline efter 1 min41.
    2. Hvis billedkvaliteten af OS-baselinesekvensen er tilstrækkelig, skal du gentage OS-kontinuerlig erhvervelse og udførelse af vejrtrækningsmanøvrerne.

6. Billedanalyse

  1. Importer OS-CMR-billeddatasæt til en DICOM-fremviser med billedkontureringsfunktioner, bedst med funktionalitet til automatisk analyse af iltningsfølsomme signalintensitetsændringer.
  2. Markører og deres måling
    1. Få et baseline-billede under en kort, baseline breath-hold erhvervelse før hyperventilation (hvile). Sammenlign det første billede af åndedrættet (der repræsenterer slutningen af "stress" stimulus) med baseline-billedet.
      BEMÆRK: Hyperventilation er en vasokonstriktiv stimulus, der reducerer myokardieiltning (sund: %ΔSI ≈-5% til -10%13).
    2. Få mange billeder (og hjertecyklusser) under åndedrættet. Brug det første billede af åndedrættet som basislinje, og sammenlign alle følgende billeder med dette billede.
      BEMÆRK: Breath-hold er en vasodilaterende stimulus, der øger myokardieoxygenering (%ΔSI ≈ +5% -15%12,13,14,16).
    3. Myokardiekonturer
      Til manuel analyse: valg af hjertefase
      1. Da åndedrættet kan indeholde mere end 400 billeder, skal du kun analysere en enkelt fase af hver hjertecyklus. Som følge heraf fokuserer analysen på de endesystoliske billeder af hver hjertecyklus.
      2. Identificer de ende-systoliske billeder af hver hjertecyklus.
      3. Tegn epikardie- og endokardiekonturerne omkring myokardiet.
      4. Vindue billedet for at kigge efter artefakter, som vises som enten mørke (modtagelighed) eller lyse områder på grund af dårlig gating i myokardiet.
        BEMÆRK: Undgå at inkludere pixels med delvise volumeneffekter fra venstre og højre ventrikulære blodpuljer. De fleste kontureringsfejl opstår fra endokardiekonturen, herunder pixels med delvise volumeneffekter og resulterende kunstigt forhøjet signalintensitet fra venstre ventrikulær blodpulje. For at undgå dette skal du tegne endokardiekonturen en hel pixel inde i myokardiet. På samme måde skal du sikre dig, at epikardiekonturen er en hel pixel inde i myokardiet for at undgå delvise volumeneffekter fra højre ventrikulær blodpulje, epikardiefedt eller luft-lunge-grænseflade.
      5. Kopier og indsæt endokardie- og epikardiekonturerne fra det første endesystoliske billede af hjertecyklussen til det endesystoliske billede af den næste hjertecyklus. Juster konturerne efter behov.
        Til automatiseret analyse:
        BEMÆRK: Med automatiserede kontureringsfunktioner kan alle faser af hjertecyklussen om ønsket kontureres og analyseres.
      6. Kontroller alle billeder for at sikre nøjagtig konturering.
        BEMÆRK: Nogle kommercielt tilgængelige automatiserede kontureringsfunktioner er blevet trænet på datasæt, der blev kontureret til volumetrisk analyse. Disse konturer er tilbøjelige til delvise volumeneffekter, da de er beregnet til at grænse op til blodpuljen og myokardiet. OS-CMR-konturer skal være helt inde i myokardiet.

7. Segmentering med henblik på regional analyse

  1. For at få regional information skal du identificere den anteroseptale og inferoseptale indsættelse af højre ventrikel for at opdele myokardiet i American Heart Association (AHA) segmentering42.

8. Beregning af B-MERE

  1. Express B-MORE som en procentvis ændring i signalintensitet fra baseline til vasodilatation (se ligning 1):
    Equation 1(1)
  2. Beregn den globale B-MORE som den globale gennemsnitlige myokardiesignalintensitet af de endesystoliske billeder ved 30 s sammenlignet med 0 s af åndedrættet8 (se ligning 2):
    Equation 2(2)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tolkning B-MORE
I tidligere offentliggjorte undersøgelser, der anvender OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer, blev den globale eller regionale B-MORE beregnet ved at sammenligne det første endesystoliske billede af åndedrættet med det endesystoliske billede tættest på 15 s, 30 s, 45 s osv. af åndedrættet. Den ende-systoliske fase af hjertecyklussen blev valgt af flere grunde. Det endesystoliske billede er den mest konsistente fase, der er identificeret blandt og mellem læsere: det indeholder det største antal pixels i myokardiet, det forekommer normalt på omtrent samme triggertid uafhængigt af deltagernes puls, og det er altid til stede i erhvervelsen (hvorimod slutdiastol muligvis ikke vises i prospektivt lukkede billeder i hele et åndedrag, hvor pulsen kan ændre sig).

Fra et fysiologisk perspektiv blev 0 s og 30 s tidspunkterne for åndedrættet specifikt valgt af følgende grunde. Tid 0 s (eller det første endesystoliske billede af åndedrættet) er en vurdering af signalintensitet efter en periode med "stress" (60 s hyperventilation) og derfor punktet for maksimal vasokonstriktion. Oversat til signalintensitet repræsenterer dette nedsat myokardieblodgennemstrømning uden stigning i efterspørgslen, hvilket resulterer i en lokal stigning i deoxyhemoglobinkoncentration og en nedsat signalintensitet sammenlignet med baseline. Gennem hele åndedrættet øges signalintensiteten med kuldioxidmedieret vasodilatation, hvilket effektivt øger myokardieblodgennemstrømningen i sammenhæng med ingen stigning i lokal efterspørgsel. Ved ~15 s tidspunktet for åndedrættet begynder signalintensitetskurven at plateau 4,8. Derfor er det teoretiske mindste åndedræt, der kræves til OS-CMR-analyse, 15 s (eller to hjertecyklusser erhvervet for at vurdere forskellen mellem to datapunkter). Imidlertid har 30 s tidspunktet for åndedrættet vist sig at være mere robust og betragtes derfor som den sande mindste krævede åndedrætslængde.

Efter beregningen af global B-MORE (sammenligning af 30 s til 0 s åndedræt) kan disse data vises visuelt og kvantitativt. Kvantitativt er globale B-MORE-værdier blevet sammenlignet mellem raske frivillige og patienter med OSAS, CAD, INOCA og HFpEF samt post-hjertetransplantation 12,13,14,15,16 (tabel 4). Visuelt kan pixelvise farveoverlaykort genereres for at øge kvantitative målinger i vurderingen af myokardieiltning (figur 1).

Figure 1
Figur 1: Myokardieiltningsreserve visualiseret med et signalintensitetskort for at vurdere global og / eller regional vævsiltning opnået med OS-CMR og vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer. (A) Global myokardieiltning opretholdes hos en sund frivillig; (B) et fald i regional myokardieoxygenering hos en patient med en venstre anterior faldende stenose (100% okklusion ved kvantitativ koronar angiografi); (C) en global reduktion i myokardieiltning hos en patient med hjertesvigt. Farvebjælken giver en visuel repræsentation af myokardieiltning, hvor sort / blå repræsenterer nedsat og grøn repræsenterer et sundt myokardieiltningsrespons. Forkortelser: OS-CMR = iltningsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse; LAD = venstre forreste faldende. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Visuel repræsentation af en fuld OS-CMR-scanning med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer. (A) Standarderhvervelserne af en hjertemagnetisk resonansbilleddannelsesscanning, herunder lokaliseringer, kortakse og langakse cinefunktionsbilleder og vævskarakteriseringsbilleder (såsom T1- og / eller T2-kortlægning). (B) Ydeevnen, fysiologiske virkninger, erhvervelse og ændringer i MR-signalintensiteten gennem hele den vasoaktive vejrtrækningsmanøvre. Forkortelser: OS-CMR = iltningsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse; DeoxyHb = deoxyhemoglobin. Klik her for at se en større version af denne figur.

Procedurer Risici Grunde Frekvens Alvorlighed Persistens
Hjerte-MR Hovedpine, kvalme Magnetfelt Fælles (10%) Let til svær Reversibel
Angst, klaustrofobi Begrænset plads Sjælden (<5%) Let til svær Reversibel
Åndedrætsmanøvrer Stikkende fingre Hyperventilation Fælles (20%) Lys Reversibel (<60 s)
Svimmelhed, hovedpine Hyperventilation Fælles (10%) Lys Reversibel (<60 s)
Xerostomi Hyperventilation Sjælden (<5%) Lys Reversibel (<60 s)

Tabel 1: Rapporterede bivirkninger ved at gennemgå en hjertemagnetisk resonansbilleddannelsesscanning og udførelse af vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer. De rapporterede data blev indsamlet fra undersøgelser udført på McGill University Health Center med over 300 deltagere (upublicerede data indsamlet ved Research Institute of the McGill University Health Centre).

3T 1.5T
bSSFP mSSFP (OS) bSSFP mSSFP (OS)
Gentagelsestid (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

Tabel 2: Parameterforskelle mellem afbalanceret SSFP og modificeret SSFP (BOLD) sekvens ved 3 Tesla og 1,5 Tesla. Forkortelser: SSFP = steady-state, fri præcession; bSSFP = afbalanceret SSFP; mSSFP = modificeret SSFP; OS = iltfølsom; BOLD = iltafhængig i blodet.

Modificerbare Ikke-modificerbar
Synsfelt (mm) 360-400 Udsnitstykkelse (mm) 10
Forskel (%) 0-200 Vendevinkel 35
Anskaffelsestid (s/måling) 8 Segmenter 12
Målinger 1 (baseline) eller 25+ (løbende anskaffelse) EKG Udløst / Prospektiv
Vindue til anskaffelse Ingen faste begrænsninger TE (ms) 1.7
TR (ms) 40.68 (3.4)
Båndbredde (Hertz/pixel) 1302

Tabel 3: Modificerbare og ikke-modificerbare OS-CMR-sekvensparametre under billedoptagelse. Forkortelser: OS-CMR = iltningsfølsom hjertemagnetisk resonansbilleddannelse; EKG = elektrokardiografi; TE = ekkotid; TR = gentagelsestid.

Sygdomstilstand Sund kontrol Patientpopulationer p-værdi*
Alder B-MERE Alder B-MERE
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
Efter hjertetransplantation 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: Global vejrtrækningsinduceret myokardieiltningsreserve (B-MORE) værdier fra tidligere offentliggjorte undersøgelser ved hjælp af OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer 12,13,14,15,16. B-MORE-værdier er repræsenteret som middelværdi ± standardafvigelse. *p-værdi til B-MORE sammenligning. Forkortelser: B-MORE = vejrtrækningsinduceret myokardieiltningsreserve; CAD = koronararteriesygdom; HFpEF = hjertesvigt med bevaret uddrivningsfraktion; INOCA = iskæmi uden obstruktiv koronararteriestenose; OSAS = obstruktiv søvnapnø syndrom.

Supplerende fil 1: Forindspillet .mp3 fil, der guider patienten gennem den vasoaktive vejrtrækningsmanøvre. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende video S1: Video om instruktionsvejrtrækningsmanøvre. Klik her for at downloade denne video.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tilføjelsen af en OS-CMR-erhvervelse med standardiserede, vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer til en allerede etableret forsknings- eller klinisk MR-protokol tilføjer lidt tid til den samlede scanning. Med denne korte tilføjelse kan information om underliggende makro- og mikrovaskulær funktion opnås (figur 2). En vigtig konsekvens af endoteldysfunktion er vaskulaturens manglende evne til at reagere på fysiologiske stimuli, som oprindeligt demonstreret gennem unormal flowmedieret afslapning i hjertet43. OS-CMR med endotelafhængige vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer muliggør direkte overvågning af myokardieoxygenering under vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer og omgår behovet for eksogene kontrastmidler og farmakologiske vasoaktive stressmidler. Hyperventilation og apnø udløser et reproducerbart, målbart vaskulært respons gennem endotelet og kan derfor give en mere fysiologisk model end andre metoder til vurdering af mikrovaskulær funktion.

Resultater fra undersøgelser, der anvender OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer, har givet vigtige bidrag til forståelsen af den underliggende patofysiologi hos patienter med iskæmiske tilstande uden forklarende koronararteriestenose, specifikt INOCA, HFpEF og inflammation (f.eks. Efter hjertetransplantation). Den potentielle tilføjelse af OS-CMR med standardiserede vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer for at identificere patienter, der præsenterer med iskæmiske brystsmerter som havende forklarende mikrovaskulær dysfunktion eller til den kliniske oparbejdning af HFpEF og hjertetransplanterede patienter, ville forbedre den kliniske beslutningstagning i disse patientpopulationerbetydeligt 44.

Når du udfører OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer, er der nogle aspekter at kigge efter i deltagernes udførelse af vejrtrækningsmanøvrerne og i billederne. Almindeligvis forsøger deltagerne at holde trit med metronomens tempo (30 vejrtrækninger / min) og trækker ikke vejret dybt. Det er vigtigere at trække vejret dybt, end det er at holde tempoet på 30 vejrtrækninger / min (f.eks. "maveånding" er mere effektiv end lav brystvejrtrækning). Hos raske deltagere forventes hjertefrekvensen at stige med ~ 20 slag / min under hyperventilation. Patientdeltagere har tendens til at have en pulsstigning på 5-10 slag /min 45. Nogle deltagere kan blive fristet til at tage en lille indånding for at øge tiden for åndedrættet. Derfor bør patienterne informeres om, at testen vil miste sin diagnostiske nøjagtighed, hvis protokollen ikke følges nøje, og at ethvert lille åndedrag vil afslutte testen.

Hvis en skiveplacering er for basal (tæt på valvulærplanet), tillader udstrømningskanalerne muligvis ikke at skelne LV fra RV eller kan være i venstre ventrikulære udstrømningskanal som følge af gennemgående plan bevægelse og vil påvirke evnen til at analysere billederne. Hvis en skive er for apikal, er billederne muligvis ikke vinkelret på ventrikelvæggen og kan derfor indeholde blod eller parakardialt væv og forringe evalueringen. Derudover, hvis en skive er for apikal, er der betydeligt færre pixels af ægte myokardium, hvilket øger risikoen for at inkludere pixels med delvise volumeneffekter i analysen.

Global svækkelse af myokardieiltning
OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer har tidligere vist en nedsat global myokardieiltningsreserve hos patienter med OSA og HFpEF og hjertetransplanterede modtagere12,14,16. Fundet af en global reduktion i B-MORE hos patienter med HFpEF er i modstrid med resultaterne af en tidligere undersøgelse, der viste nedsat myokardieperfusion, men opretholdt myokardieiltning hos patienter med ikke-iskæmisk HF46. De tidligere undersøgelser anvendte imidlertid adenosin, en endoteluafhængig vasodilator, som stressmiddel. Derfor blev endotelafhængig mikrovaskulær dysfunktion og den potentielle indvirkning på myokardieiltning ikke undersøgt. Tilstedeværelsen eller fraværet af endoteldysfunktion hos patienter med kronisk hjertesvigt har vigtige kliniske implikationer, da sværhedsgraden af endoteldysfunktion ikke kun kan bestemme den kliniske præsentation, men også have prognostisk værdi med hensyn til fremtidig indlæggelse, hjertetransplantation eller død34,47.

Tilstedeværelsen af en markant global reduktion i B-MORE hos hjertetransplanterede patienter både med og uden hjerteallograft vaskulopati sammenlignet med raske kontroller er et vigtigt fund for at kaste lys over underliggende patofysiologi og timing og reduktion af invasiv opfølgningstest og har prognostiske konsekvenser. Reduktionen i B-MORE hos hjertetransplanterede patienter med og uden hjerteallograft vaskulopati er sandsynligvis et resultat af nedsat koronar vasoreaktivitet. Denne forklaring understøttes desuden af sammenhængen mellem yderligere B-MORE svækkelse og sværhedsgraden af hjerteallograft vaskulopati14. Da årlig screening for mikrovaskulær dysfunktion med invasiv koronar angiografi anbefales hos patienter efter hjertetransplantation48, kan OS-CMR's evne med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer til at identificere og overvåge sværhedsgraden af mikrovaskulær dysfunktion hos denne patientpopulation give en alternativ ikke-invasiv og nålefri screeningsmetode.

Regional svækkelse af myokardieoxygenering
I mange centre har 50% -70% af patienterne, der gennemgår invasiv koronar angiografi, ikke signifikant obstruktiv koronararteriestenose, hvilket kræver en ikke-invasiv billeddannelsesteknik til både at identificere INOCA og give prognostisk information om kardiovaskulære resultater i denne ikke velforståede patientpopulation. Den kliniske evaluering af patienter med INOCA har historisk anvendt koronar reaktivitetstest, herunder måling af indekset for mikrocirkulationsresistens under invasiv koronar angiografi25,26. Denne metode er imidlertid begrænset af dens invasivitet, manglende reproducerbarhed og omkostninger. Derudover vurderer invasiv angiografi ikke niveauet af den kritiske nedstrøms patofysiologiske effekt, dvs. effekten på myokardieoxygenering. For nylig viste OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer hos kvinder med INOCA spændende fund. Mens der ikke var nogen forringelse i den globale B-MORE sammenlignet med aldersmatchede sunde kontroller, viste koronar vaskulær respons, som defineret ved en ændring i myokardieoxygenering, et heterogent mønster af nedsat iltningsrespons sammenlignet med aldersmatchede raske forsøgspersoner15.

De observerede regionale variationer i endotelfunktion og myokardieiltning hos patienter med brystsmerter og INOCA giver et vigtigt indblik i fysiologien af mikrovaskulær dysfunktion hos denne patientpopulation. Regionale variationer i myokardieiltning kan potentielt medieres gennem lokale abnormiteter i endotelafledte afslappende faktorer, unormale neurale stimuli til koronar mikrocirkulation, hvilket resulterer i regionalitet af strømning og iltning eller en koronar vaskulær stjæle49. En alternativ forklaring på disse fund kan være heterogenitet i ætiologierne bag INOCA50. Visualiseringen af vævets iltningsstatus og dens regionale heterogenitet ved kort erhvervet af OS-CMR med vejrtrækningsmanøvrer tyder på, at denne metode kunne spille en vigtig rolle i en mere direkte og omfattende undersøgelse af regional myokardievaskulær funktion hos disse patienter ud over et forenklet globalt mål for perfusion eller iltning.

Begrænsninger
Der er stadig visse begrænsninger i metoden. Fra et fysiologisk perspektiv kræver brug af BOLD-effekten til at drage slutninger om vævsiltning overvejelse af andre variabler, da OS-CMR-signalintensiteten også påvirkes af blodtilstrømning og blodvolumen 2,51. Heldigvis er virkningerne på signalintensiteten synergistiske og fysiologisk forbundne (induceret koronar vasodilatation øger samtidig blodgennemstrømningen, blodvolumen og iltning af blodet). Den potentielle bias af disse confounders er derfor systematisk og ensrettet, med ringe relevans ved vurdering af mikrovaskulær funktion. Andre faktorer relateret til blodet (hæmoglobin, hæmatokrit) og feltstyrke er blevet identificeret som potentielle forstyrrende faktorer i OS-CMR-billedfortolkning og analyse51,52 og skal tages i betragtning, hvis de er signifikant unormale. For at løse disse faktorer kan nye biomarkører afledt af OS-CMR-signalintensitetsrespons kontrollere eller minimere de forvirrende virkninger af hæmodilutionstilstand og hæmatokrit, for eksempel ved at normalisere signalintensitetsresponset på venstre eller højre ventrikulær blodpulje hos hver deltager.

Indtil for nylig har evalueringen af OS-MR-data krævet besværlig manuel annotering, segmentering og analyse. Der er ved at blive udviklet brugervenlige efterbehandlingsværktøjer til automatiseret eller halvautomatisk analyse af dynamiske OS-CMR-datasæt53. Endelig mangler der populationsbaserede normale værdier og kliniske undersøgelser, der sammenligner OS-CMR-resultater med invasive målinger af mikrovaskulær dysfunktion samt data om prognose, omkostningseffektivitet og virkningen af dets anvendelse på kliniske resultater.

Konklusion
Ikke-invasiv overvågning af dynamiske regionale eller globale ændringer i myokardieiltning ved OS-CMR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer giver unik, klinisk meningsfuld information om koronar vaskulær funktion og kan spille en særlig vigtig rolle hos patienter med mikrovaskulær dysfunktion. Yderligere kliniske undersøgelser bør udføres for at undersøge dets kliniske anvendelighed i forskellige patientpopulationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

MGF er opført som indehaver af United States Patent No. 14/419,877: Inducering og måling af myokardial iltning ændringer som markør for hjertesygdomme; USA's patent nr. 15/483.712: Måling af iltningsændringer i væv som markør for vaskulær funktion; United States Patent No 10.653.394: Måling af iltningsændringer i væv som markør for vaskulær funktion - fortsættelse; og canadisk patent CA2020/051776: Metode og apparatur til bestemmelse af biomarkører for vaskulær funktion ved hjælp af dristige CMR-billeder. EH er opført som indehaver af internationalt patent CA2020/051776: Metode og apparat til bestemmelse af biomarkører for vaskulær funktion ved hjælp af dristige CMR-billeder.

Acknowledgments

Denne papir- og metodegennemgang blev muliggjort af hele teamet i Courtois CMR Research Group ved McGill University Health Centre. Særlig tak til vores MR-teknologer Maggie Leo og Sylvie Gelineau for scanningen af vores deltagere og feedback på dette manuskript.

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

Oxygeneringsfølsom hjerte-MR Vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer Ikke-invasiv vurdering Koronar mikrovaskulær dysfunktion Myokardieiltning Paramagnetiske egenskaber Deoxyhemoglobin Vævskontrast Vasoaktive manøvrer Koronar makro- og mikrovaskulær funktion Intravenøs kontrast Farmakologiske stressmidler T2-vægtede billeder Steady-state fri præcession (SSFP) Cine sekvens Vejrtrækningsprotokol Paced Hyperventilation Ekspiratorisk åndedræt
Oxygeneringsfølsom hjerte-MR med vasoaktive vejrtrækningsmanøvrer til ikke-invasiv vurdering af koronar mikrovaskulær dysfunktion
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