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Zusammenfassung

Die Beurteilung der mikrovaskulären Funktion durch oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie in Kombination mit vasoaktiven Atemmanövern ist einzigartig in ihrer Fähigkeit, schnelle dynamische Veränderungen der myokardialen Oxygenierung in vivo zu beurteilen und kann daher als äußerst wichtige diagnostische Technik für die koronare Gefäßfunktion dienen.

Zusammenfassung

Die oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie (OS-CMR) ist ein diagnostisches Verfahren, das die inhärenten paramagnetischen Eigenschaften von Desoxyhämoglobin als endogene Quelle für Gewebekontrastmittel nutzt. In Kombination mit standardisierten vasoaktiven Atemmanövern (Hyperventilation und Apnoe) als potenter nicht-pharmakologischer vasomotorischer Stimulus kann OS-CMR Veränderungen der myokardialen Oxygenierung überwachen. Die Quantifizierung solcher Veränderungen während des Herzzyklus und während vasoaktiver Manöver kann Marker für die koronare makro- und mikrovaskuläre Funktion liefern und dadurch die Notwendigkeit von extrinsischen, intravenösen Kontrastmitteln oder pharmakologischen Stressmitteln umgehen.

OS-CMR nutzt die bekannte Empfindlichkeit von T2*-gewichteten Bildern gegenüber der Sauerstoffversorgung des Blutes. Oxygenierungsempfindliche Bilder können mit jedem kardialen MRT-Scanner unter Verwendung einer modifizierten klinischen Standard-SSFP-Cine-Sequenz (Steady-State Free Präzession) aufgenommen werden, wodurch diese Technik herstellerunabhängig und einfach zu implementieren ist. Als vasoaktives Atemmanöver wenden wir ein 4-minütiges Atemprotokoll mit 120 s freier Atmung, 60 s beschleunigter Hyperventilation an, gefolgt von einem exspiratorischen Atemanhalten von mindestens 30 s. Die regionale und globale Reaktion der Sauerstoffversorgung des Myokardgewebes auf dieses Manöver kann durch die Verfolgung der Signalintensitätsänderung beurteilt werden. Die Veränderung des Atemanhaltens nach Hyperventilation in den ersten 30 Sekunden, die als atmungsinduzierte myokardiale Oxygenierungsreserve (B-MORE) bezeichnet wird, wurde bei gesunden Menschen und verschiedenen Pathologien untersucht. Ein detailliertes Protokoll für die Durchführung von sauerstoffempfindlichen CMR-Scans mit vasoaktiven Manövern wird bereitgestellt.

Wie bei Patienten mit mikrovaskulärer Dysfunktion unter noch unvollständig verstandenen Erkrankungen, wie z. B. induzierbare Ischämie ohne obstruktive Koronararterienstenose (INOCA), Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (HFpEF) oder mikrovaskulärer Dysfunktion nach Herztransplantation, gezeigt wurde, liefert dieser Ansatz einzigartige, klinisch wichtige und ergänzende Informationen über die koronare Gefäßfunktion.

Einleitung

Die oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie (OS-CMR) nutzt die inhärenten paramagnetischen Eigenschaften von Desoxyhämoglobin als endogene MR-Kontrastquelle 1,2,3. In Kombination mit standardisierten vasoaktiven Atemmanövern (Hyperventilation und Apnoe) als potenter nicht-pharmakologischer vasomotorischer Stimulus kann OS-CMR Veränderungen der myokardialen Oxygenierung als Marker für die Gefäßfunktion überwachen und so die Notwendigkeit von extrinsischen, intravenösen Kontrastmitteln oder pharmakologischen Stressmitteln umgehen 4,5,6.

Atemmanöver, einschließlich Atemanhalten und Hyperventilation, sind hochwirksame vasoaktive Maßnahmen zur Veränderung der Vasomotion und eignen sich aufgrund ihrer Sicherheit und Einfachheit ideal für eine kontrollierte endothelabhängige Vasomotion im Rahmen eines diagnostischen Verfahrens. Studien haben eine zusätzliche Wirksamkeit gezeigt, wenn Hyperventilation mit anschließendem Atemanhalten kombiniertwird 4,7, da während eines solchen Protokolls auf die Vasokonstriktion (durch die damit verbundene Abnahme des Blutkohlendioxids) eine Vasodilatation (Anstieg des Kohlendioxids im Blut) folgt; So durchläuft ein gesundes Gefäßsystem den gesamten Bereich von der Vasokonstriktion zur Vasodilatation mit einer starken Steigerung des myokardialen Blutflusses, was wiederum die myokardiale Oxygenierung und damit die beobachtbare Signalintensität in OS-CMR-Bildern erhöht. Die Verwendung von Cine-Bildern für die Aufnahme ermöglicht auch kardiale phasenaufgelöste Ergebnisse mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zur Adenosin-Infusion8.

Atemmanöver können pharmakologische Stressmittel zur Induktion vasoaktiver Veränderungen ersetzen, die zur Beurteilung der koronaren Gefäßfunktion verwendet werden können. Dies reduziert nicht nur das Patientenrisiko, den logistischen Aufwand und die damit verbundenen Kosten, sondern trägt auch dazu bei, klinisch aussagekräftigere Ergebnisse zu liefern. Pharmakologische Stressstoffe wie Adenosin lösen eine Endothel-abhängige Reaktion aus und spiegeln damit die Endothelfunktion selbst wider. Eine solche spezifische Beurteilung der Endothelfunktion war bisher nur durch eine intrakoronare Gabe von Acetylcholin als endothelabhängigem Vasodilatator möglich. Dieses Verfahren ist jedoch hochinvasiv 2,9 und wird daher nur selten durchgeführt.

Da es keinen Zugang zu direkten Biomarkern gibt, werden bei mehreren diagnostischen Techniken Surrogatmarker verwendet, wie z. B. die Gewebeaufnahme eines exogenen Kontrastmittels. Sie sind begrenzt durch die Notwendigkeit von ein oder zwei intravenösen Zugängen, Kontraindikationen wie schwere Nierenerkrankungen oder atrioventrikuläre Blockaden und die Notwendigkeit der physischen Anwesenheit von Personal, das im Umgang mit potenziell schweren Nebenwirkungen geschult ist10,11. Die bedeutendste Einschränkung der aktuellen Bildgebung der Koronarfunktion bleibt jedoch, dass die myokardiale Perfusion als Surrogatmarker nicht die Sauerstoffversorgung des Myokardgewebes als wichtigste nachgeschaltete Folge der vaskulären Dysfunktion widerspiegelt2.

OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern wurde zur Beurteilung der Gefäßfunktion in zahlreichen Szenarien eingesetzt, darunter gesunde Personen, makrovaskuläre Erkrankungen bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit (KHK) sowie mikrovaskuläre Dysfunktion bei Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe (OSA), Ischämie ohne obstruktive Koronararterienstenose (INOCA) nach Herztransplantation und Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (HFpEF)4, 7,12,13,14,15,16. In einer KHK-Population erwies sich das Protokoll für die atmungsinduzierte myokardiale Oxygenierungsreserve (B-MORE), wie es von OS-CMR abgeleitet wurde, als sicher, praktikabel und sensitiv bei der Identifizierung einer beeinträchtigten Oxygenierungsreaktion in myokardialen Territorien, die von einer Koronararterie mit einer signifikanten Stenose durchblutet werden13.

Bei mikrovaskulärer Dysfunktion zeigte die OS-CMR eine verzögerte myokardiale Oxygenierungsantwort bei Patienten mit obstruktiver Schlafapnoe, und bei Patienten mit HFpEF und nach Herztransplantation wurde eine abgestumpfte B-MORE gefunden12,14,16. Bei Frauen mit INOCA führte das Atemmanöver zu einer abnorm heterogenen myokardialen Oxygenierungsreaktion, was den Vorteil der hohen räumlichen Auflösung des OS-CMR15 unterstreicht. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Gründe und Methoden für die Durchführung von OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern und diskutiert ihren klinischen Nutzen bei der Beurteilung der vaskulären Pathophysiologie bei Patientenpopulationen mit mikrovaskulärer Dysfunktion, insbesondere in Bezug auf die endotheliale Dysfunktion.

Der physiologische Kontext der atmungsverstärkten oxygenierungssensitiven MRT
Unter normalen physiologischen Bedingungen geht ein Anstieg des Sauerstoffbedarfs mit einem entsprechenden Anstieg des Sauerstoffangebots durch einen erhöhten Blutfluss einher, was zu keiner Änderung der lokalen Desoxyhämoglobinkonzentration führt. Im Gegensatz dazu führt die induzierte Vasodilatation zu einem "übermäßigen" Zufluss von sauerstoffreichem Blut, ohne dass sich der Sauerstoffbedarf ändert. Folglich ist ein größerer Teil des Gewebehämoglobins mit Sauerstoff angereichert, und somit gibt es weniger Desoxyhämoglobin, was zu einem relativen Anstieg der OS-CMR-Signalintensität führt 4,17. Wenn die Gefäßfunktion beeinträchtigt ist, kann sie nicht richtig auf einen veränderten Stoffwechselbedarf oder Reiz reagieren, um den myokardialen Blutfluss zu erhöhen.

Bei der Einstellung eines Stimulus zur Auslösung von Vasomotion, wie z. B. einer beschleunigten Hyperventilation, die eine Vasokonstriktion hervorruft, oder einem langen Atemanhalten, der eine Kohlendioxid-vermittelte Vasodilatation hervorruft, würde eine beeinträchtigte vasomotorische Aktivität zu einem relativen Anstieg der lokalen Desoxyhämoglobinkonzentration im Vergleich zu anderen Regionen und in der Folge zu einer reduzierten Änderung der OS-CMR-Signalintensität führen. Im Rahmen einer induzierbaren Ischämie würde eine beeinträchtigte Gefäßfunktion zu einem erhöhten lokalen Bedarf führen, der auch ohne epikardiale Koronararterienstenose nicht durch einen lokalen Anstieg des myokardialen Blutflusses gedeckt werden kann. In OS-CMR-Bildern führt der lokale Nettoanstieg der Desoxyhämoglobinkonzentration zu einer Abnahme der lokalen Signalintensität 2,18,19,20.

Eine abgeschwächte Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur als Reaktion auf endothelabhängige und -unabhängige Vasodilatatoren (einschließlich Adenosin) wurde bei Patienten mit koronarer mikrovaskulärer Dysfunktion nachgewiesen 21,22,23,24,25,26,27 . Es wird angenommen, dass eine endotheliale unabhängige Dysfunktion auf strukturelle Anomalien durch mikrovaskuläre Hypertrophie oder umgebende Myokardpathologie zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu führt eine endotheliale Dysfunktion sowohl zu einer inadäquaten Vasokonstriktion als auch zu einer beeinträchtigten (endothelabhängigen) Vasorelaxation, die typischerweise durch einen Verlust der Stickstoffmonoxid-Bioaktivität in der Gefäßwand verursacht wird21,28. Endotheliale Dysfunktion wurde mit der Pathogenese einer Reihe von Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter Hypercholesterinämie, Bluthochdruck, Diabetes, KHK, obstruktive Schlafapnoe, INOCA und HF 23,24,28,29,30,31,32. Tatsächlich ist die endotheliale Dysfunktion die früheste Manifestation der koronaren Atherosklerose33. Die Bildgebung der Endothelfunktion hat ein sehr großes Potenzial, da sie ein signifikanter Prädiktor für unerwünschte kardiovaskuläre Ereignisse und Langzeitergebnisse ist, mit tiefgreifenden prognostischen Auswirkungen auf kardiovaskuläre Erkrankungszustände 23,29,30,31,34,35.

Im Gegensatz zur Perfusionsbildgebung ermöglicht die atmungsinduzierte myokardiale Oxygenierungsreserve (B-MORE), definiert als der relative Anstieg der myokardialen Oxygenierung während eines posthyperventilierten Atemanhaltens, die Visualisierung der Folgen eines solchen vasoaktiven Auslösers auf die globale oder regionale Oxygenierung selbst 2,36. Als genauer nachgeschalteter Marker der Gefäßfunktion kann B-MORE daher nicht nur eine vaskuläre Dysfunktion, sondern auch eine tatsächliche induzierbare Ischämie identifizieren, was auf ein schwerwiegenderes lokales Perfusions- oder Oxygenierungsproblem hinweist18,19,37. Dies wird durch die Fähigkeit der OS-CMR erreicht, die relative Abnahme des sauerstoffarmen Hämoglobins sichtbar zu machen, das im Kapillarsystem des Myokards reichlich vorhanden ist, das selbst einen signifikanten Anteil des Myokardgewebes darstellt24.

OS-CMR-Sequenz
Die Magnetresonanztomographie-Sequenz (MRT), die für die OS-CMR-Bildgebung verwendet wird, ist eine prospektiv abgegrenzte, modifizierte, balancierte, stationäre, freie Präzession (bSSFP)-Sequenz, die in zwei Kurzachsenschichten aufgenommen wurde. Diese bSSFP-Sequenz ist eine klinische Standardsequenz, die auf allen MRT-Scannern, die Herz-MRT durchführen, verfügbar (und modifizierbar) ist, wodurch diese Technik herstellerunabhängig und einfach zu implementieren ist. In einer regulären bSSFP-Cine-Sequenz werden Echozeit, Wiederholungszeit und Flip-Winkel modifiziert, um die resultierende Signalintensität für den BOLD-Effekt zu sensibilisieren und so eine oxygenierungsempfindliche Sequenz zu erzeugen. Dieser Ansatz, eine T2-präparierte bSSFP-Auslesung, hat sich bereits als geeignet erwiesen, um oxygenierungsempfindliche Bilder mit einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis, einer höheren Bildqualität und schnelleren Scanzeiten im Vergleich zu früheren Gradientenechotechniken zu erfassen, die für die BOLD-Bildgebungverwendet wurden 38. Die Durchführung einer atmungsverstärkten OS-CMR mit diesem Ansatz kann mit sehr wenigen, milden Nebenwirkungen angewendet werden (Tabelle 1). Bemerkenswert ist, dass mehr als 90% der Teilnehmer dieses Protokoll mit ausreichend langen Atemanhaltezeitenvon 4,12,13,16 abschließen.

Protokoll

Alle MRT-Scans mit OS-CMR und vasoaktiven Atemmanövern sollten in Übereinstimmung mit den lokalen institutionellen Richtlinien durchgeführt werden. Das unten beschriebene Protokoll wurde in Studien verwendet, die von mehreren institutionellen Ethikkommissionen für die Humanforschung genehmigt wurden. Für alle in diesem Protokoll und Manuskript beschriebenen Daten und Ergebnisse der menschlichen Teilnehmer wurde eine schriftliche Zustimmung eingeholt.

1. Breiter Überblick

  1. Variieren Sie die Ein- und Ausschlusskriterien je nach interessierender Studienpopulation. Verwenden Sie die folgenden allgemeinen, gängigen Ausschlusskriterien für ein OS-CMR-Protokoll mit vasoaktiven Atemmanövern: allgemeine MRT-Kontraindikationen (z. B. MRT-inkompatible Geräte wie Herzschrittmacher oder Defibrillatoren, implantiertes Material oder Fremdkörper), Konsum von Koffein oder vasoaktiven Medikamenten in den 12 Stunden vor dem MRT und Alter <18 Jahre.
  2. Erfassen Sie zunächst den standardmäßigen klinischen Localizer-Scout und ventrikuläre Struktur- und Funktionsbilder, bevor Sie die OS-Akquisitionen erfassen. Verwenden Sie die langachsigen Cine-Bilder von bSSFP, um die Schichtpositionierung der OS-Aufnahmen zu planen.
    ANMERKUNG: Eine Übersicht über standardisierte klinische CMR-Protokolle wird an anderer Stellebeschrieben 39.
  3. Grundlinien-Atemanhalten
    1. Erwerben Sie die erste OS-CMR-Serie als kurze, angehaltene Basisaufnahme, um die Bildqualität und die Position der Schichten zu beurteilen, nach Artefakten zu suchen und als Basislinie für die Signalintensität zu dienen.
    2. Führen Sie eine kurze (~10 s) Erfassung eines einzelnen Herzzyklus durch, nachdem der Teilnehmer normal geatmet hat. Stellen Sie sicher, dass das Anhalten des Atems am Ende des Ablaufs erfolgt.
  4. Kontinuierliche Erfassung mit vasoaktivem Atemmanöver
    1. Erwerben Sie die zweite OS-CMR-Serie als 4-minütige, kontinuierliche Erfassung, die aus 2 Minuten freier Atmung und 1 Minute temporeicher Hyperventilation besteht, gefolgt von einem freiwilligen, maximalen Atemanhalten (~1 Minute). Da die kontinuierliche Erfassung mehrere Herzzyklen über 4 Minuten erhält, ändern Sie einen zusätzlichen Parameter (die Anzahl der durch die Erfassung erfassten Herzzyklen), um diese Reihe zu einer Erfassung mit wiederholten Messungen zu machen
      HINWEIS: Die erforderliche Mindestlänge des Atemanhaltens beträgt 30 s, obwohl ein Atemanhalten von 60 s als Standard gilt.
    2. Übermitteln Sie die Anweisungen für das vasoaktive Atemmanöver an die Teilnehmer im MRT-Scanner, indem Sie den Teilnehmer manuell während des Atemmanövers über ein Mikrofon, das an das MRT-Lautsprechersystem angeschlossen ist, oder über eine vorab aufgezeichnete .mp3-Datei (Supplemental File 1) dirigieren, die für den Teilnehmer über das MRT-Lautsprechersystem abgespielt werden kann.
    3. Beginnen Sie das vasoaktive Atemmanöver mit freier Atmung (nach 120 s freier Atmung beginnt die Hyperventilation). Führen Sie den Teilnehmer durch die Atmung mit akustischen Pieptönen eines Metronoms bei einer Frequenz von 30 Atemzügen/min (ein Piepton zeigt das Einatmen an, ein Piepton das Ausatmen). Geben Sie bei der 55-Sekunden-Marke der Hyperventilation einen letzten Sprachbefehl "tief einatmen und dann ausatmen und den Atem anhalten", um sicherzustellen, dass das Anhalten des Atems auf einem End-Exspirationsniveau durchgeführt wird.
      HINWEIS: Die Veränderung des CO 2 im Blut ist mit dem Anhalten des Atems am Ende der Ausatmung viel ausgeprägter (die Lungenoberfläche ist kleiner, wodurch die Restdiffusion von CO2 in die Alveolen minimiert wird).
  5. Bildanalyse
    1. Um den B-MORE zu messen, betrachten Sie das erste endsystolische Bild während des Atemanhaltens als Zeit 0 s. Vergleichen Sie die globalen oder regionalen Signalintensitätswerte des endsystolischen Bildes, das dem 30-s-Zeitpunkt des Atemanhaltens am nächsten liegt, mit der Bildsignalintensität zum 0-s-Zeitpunkt. Geben Sie BMORE als prozentuale Änderung der Signalintensität nach 30 s im Vergleich zur Zeit 0 s des Anhaltens des Atems an.

2. Pre-Scan-Verfahren

  1. Stellen Sie sicher, dass jeder Teilnehmer den MRT-Sicherheits- und Kompatibilitätsfragebogen der örtlichen Einrichtung (MRT-Formular zur allgemeinen Kontraindikation) besteht, der Fragen zur medizinischen und chirurgischen Vorgeschichte enthalten und das Vorhandensein von Implantaten, Geräten oder metallischen Fremdkörpern innerhalb oder an der Operationsstelle des Teilnehmers identifizieren sollte40.
  2. Lassen Sie gegebenenfalls einen Schwangerschaftstest durchführen.
  3. Vergewissern Sie sich, dass der Patient in den 12 Stunden vor der MRT-Untersuchung auf vasoaktive Medikamente und Koffein verzichtet hat.
  4. Zeigen Sie dem Teilnehmer das Video zum Atemmanöver (Supplemental Video S1).
    1. Führen Sie eine Übungssitzung von 60 Sekunden Hyperventilation durch, gefolgt von einem maximalen freiwilligen Atemanhalten mit jedem Teilnehmer außerhalb des MRT-Scanraums und geben Sie Feedback zur Leistung der Hyperventilation.
    2. Weisen Sie die Teilnehmer an, dass sie einfach wieder atmen können, wenn sie einen starken Drang dazu verspüren.
      HINWEIS: In der Diskussion finden Sie Punkte, die Sie beachten und zu denen Sie den Teilnehmern Feedback geben sollten.

3. MRT-Aufnahme von oxygenierungsempfindlichen Sequenzen

  1. Ändern Sie drei Parameter aus der Standard-bSSFP-Sequenz auf der MRT-Konsole: Wiederholungszeit (TR) erhöhen, Echozeit erhöhen (TE), Flip-Winkel verringern (FA).
    HINWEIS: Die modifizierten Werte sind abhängig von der Feldstärke des MRT-Scanners (Tabelle 2). Eine Erhöhung von TR und TE und eine Verringerung der FA führt zu einer Erhöhung der T2*- oder Oxygenierungsempfindlichkeit der MRT-Sequenz. Diese Modifikationen führen dann zu einer Erhöhung der Bandbreite und der Basisauflösung der Sequenz.
  2. Erstellen Sie zwei OS-Serien, eine Baseline (beschriftet: OS_base) und die kontinuierliche Erfassung, bei der das Atemmanöver ausgeführt wird (beschriftet: OS_cont_acq). Lassen Sie die Baseline-Betriebssystemsequenz unverändert. Erhöhen Sie in der kontinuierlichen Erfassung des Betriebssystems die Anzahl der wiederholten Messungen von 1 auf ~25-40 (je nach Scannertyp). Erhöhen Sie die Anzahl der Herzzyklen (Messungen), bis die Erfassungszeit ~4,5 Minuten beträgt.
    HINWEIS: Es werden zwei OS-CMR-Sequenzen benötigt: OS-Baseline-Akquisition und OS-kontinuierliche Akquisition mit vasoaktiven Atemmanövern. In den folgenden Abschnitten werden diese Schritte beschrieben.

4. Basiserfassung des Betriebssystems

  1. Für die Schnittverschreibung planen Sie in einem endsystolischen Standbild einer Längsachsansicht (Zwei- oder Vierkammerbild). Verschreiben Sie zwei kurzachsige Schnitte - eine auf mittlerer bis basaler und die andere auf mittlerer bis apikaler ventrikulärer Ebene. In der Diskussion finden Sie Punkte, die in Bezug auf die Slice-Position zu berücksichtigen sind.
  2. Anpassungen der Sequenzparameter
    1. Passen Sie die Sequenzparameter nach Bedarf für einen bestimmten Teilnehmer an. In Tabelle 3 finden Sie Sequenzparameter, die geändert werden können und welche nicht.
    2. Passen Sie den durchschnittlichen Abstand zwischen den Scheiben an die Größe des Herzens des Teilnehmers an und stellen Sie sicher, dass die Scheiben richtig platziert sind.
    3. Passen Sie ggf. das Sichtfeld an, um Wrap-Artefakte zu vermeiden. Bemühen Sie sich, das Sichtfeld zwischen 360 mm und 400 mm zu halten.
  3. Shim-Lautstärke
    1. Stellen Sie das Shim-Volumen so ein, dass es sowohl in der Ansicht mit der langen als auch in der kurzen Achse eng um den linken Ventrikel liegt.
  4. Sequenz-Erfassung
    1. Genehmigen Sie die Sequenz und führen Sie sie während des Atemanhaltens aus. Stellen Sie sicher, dass diese Basis-OS-Sequenz ~10 s dauert, basierend auf der Herzfrequenz und dem MRT-Scanner.
  5. Überprüfung der Bildqualität
    1. Überprüfen Sie beide Schichten des erfassten Serien-Looks auf Atembewegungen, schlechte Schichtpositionen oder das Vorhandensein von Artefakten. Wiederholen Sie die Sequenz des Basisbetriebssystems, bis eine ausreichende Bildqualität erreicht ist.
  6. Wenn die Schichtposition zu basal oder zu apikal ist, passen Sie zur Fehlerbehebung die vorgeschriebene Schichtposition so an, dass sie näher an der mittelventrikulären Ebene liegt. Wenn ein Artefakt vorhanden ist, führen Sie die folgenden Schritte aus:
    1. Überprüfen Sie die Richtung der Phasencodierung.
    2. Vergrößern Sie das Sichtfeld.
    3. Passen Sie das Shim-Volumen um die linke Herzkammer herum an.

5. Kontinuierliche Erfassung des Betriebssystems mit vasoaktiven Atemmanövern

HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass jeder Teilnehmer über die ordnungsgemäße Durchführung des Atemmanövers informiert wurde, bevor er sich im MRT-Scanner befindet (siehe Abschnitt 2).

  1. Planung der Reihenfolge
    1. Wenn möglich, kopieren Sie die Schichtposition und passen Sie das Volumen aus dem OS-Baseline-Bild an oder duplizieren Sie die Baseline-OS-Sequenz und erhöhen Sie bei wiederholten Messungen von 1 auf ~25-40 (oder fast 4,5 Minuten Aufnahmezeit).
  2. Überprüfen Sie die Bild- und Schichtpositionierung und dann den Aufnahmezyklus.
  3. Öffnen Sie, wenn möglich, das Live-Stream-Fenster.
  4. Schließen Sie im Kontrollraum ein Gerät mit der .mp3-Datei für Atemmanöveranweisungen an den AUX-Eingang an oder bereiten Sie es darauf vor, es über das Mikrofon zu halten, das in den MRT-Scanner projiziert wird. Alternativ können Sie den Teilnehmer manuell mit einer Stoppuhr für die Zeitmessung durch das Atemmanöver führen und mündliche Anweisungen über das an das MRT-Lautsprechersystem angeschlossene Mikrofon geben.
  5. Sequenz-Erfassung
    1. Drücken Sie gleichzeitig Play für die OS Continuous Acquisition-Sequenz auf dem MRT-Scanner und spielen Sie für die .mp3 Atemanweisungsdatei ab oder starten Sie die Stoppuhr, wenn der Teilnehmer manuell angewiesen wird.
    2. Wenn Sie den Teilnehmer manuell durch die Atemmanöver führen, weisen Sie ihn an, ein- und auszuatmen, dann den Atem 10 Sekunden lang anzuhalten und zu hyperventilieren, sobald er den Metronom-Piepton hört.
    3. Benachrichtigen Sie den Teilnehmer bei der 40-Sekunden-Marke der Hyperventilation (2:40 auf der Stoppuhr).
    4. Weisen Sie den Teilnehmer zum Zeitpunkt der Hyperventilation nach 55 s (2:55 auf der Stoppuhr) an, "tief einzuatmen, auszuatmen und den Atem anzuhalten".
      HINWEIS: Die Bilder der freien Atmung und Hyperventilation weisen Bewegungsartefakte auf. Dies ist zu erwarten. Während des Atemanhaltens sollten jedoch keine Bewegungsartefakte auftreten. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Bilder mit angehaltenem Atem nach dem Ausatmen aufgenommen werden (bequeme End-Exspirations-Position). Erst ein Atemanhalten nach dem Ausatmen führt in den ersten 30 Sekunden des anschließenden Atemanhaltens zu einem raschen Anstieg desCO2-Blutes im Blut mit der damit verbundenen Veränderung des koronaren Blutflusses und der myokardialen Oxygenierung.
    5. Überwachen Sie die Leistung des Teilnehmers bei der beschleunigten Hyperventilation durch das Kontrollraumfenster oder die Kamera des MRT-Scanners, um eine angemessene Leistung der tiefen Atmung zu gewährleisten. Wenn ein Blasebalg verwendet wird, überwachen Sie die Amplitudenspitzen auf dem Atemgating-Viewer. Wenn die Hyperventilation nach der anfänglichen Anleitung nicht ausreichend durchgeführt wird, brechen Sie die Akquisition ab und wiederholen Sie die kontinuierliche Akquisitionssequenz des Betriebssystems.
    6. Achten Sie auf kleine Atemzüge, die von den Teilnehmern während des Atemanhaltens genommen werden. Überwachen Sie dazu das Verfolgen eines Beatmungsgürtels auf der MRT-Konsole oder visuell durch das Fenster/die Kamera.
    7. Sobald der Teilnehmer am Ende des Atemanhaltens zu atmen beginnt, beenden Sie die Erfassung.
    8. Fragen Sie den Teilnehmer nach Beendigung der Akquisition, ob er Nebenwirkungen bemerkt hat, und lassen Sie ihn 3 Minuten lang normal atmen.
  6. Fehlerbehebung: Wiederholungserfassung
    1. Wenn die Atemmanöver wiederholt werden müssen, wiederholen Sie die OS-Grundsequenz.
      HINWEIS: Ein Zeitraum von 2-3 Minuten vor der Wiederholung der Erfassung ist erforderlich, damit die Physiologie zum Ausgangswert zurückkehren kann. Frühere Daten haben gezeigt, dass die Physiologie nach 1 Minute41 nicht zum Ausgangswert zurückkehrt.
    2. Wenn die Bildqualität der OS-Baseline-Sequenz angemessen ist, wiederholen Sie die kontinuierliche Erfassung des OS und die Durchführung der Atemmanöver.

6. Bildanalyse

  1. Importieren Sie die OS-CMR-Bilddatensätze in einen DICOM-Viewer mit Bildkonturierungsfunktionen, am besten mit Funktionen zur automatischen Analyse von Änderungen der Signalintensität, die auf die Sauerstoffversorgung empfindlich sind.
  2. Marker und ihre Messung
    1. Erfassen Sie ein Baseline-Bild während einer kurzen Baseline-Atemanhalteaufnahme, bevor Sie hyperventilieren (Ruhe). Vergleichen Sie das erste Bild des Atemanhaltens (das das Ende des "Stress"-Reizes darstellt) mit dem Ausgangsbild.
      HINWEIS: Hyperventilation ist ein vasokonstriktiver Stimulus, der die myokardiale Oxygenierung reduziert (gesund: %ΔSI ≈−5 % bis −10 %13).
    2. Erhalten Sie viele Bilder (und Herzzyklen) während des Atemanhaltens. Verwenden Sie das erste Bild des Atemanhaltens als Grundlage und vergleichen Sie alle folgenden Bilder mit diesem Bild.
      HINWEIS: Atemanhalten ist ein gefäßerweiternder Reiz, der die myokardiale Sauerstoffversorgung erhöht (%ΔSI ≈ +5%-15%12,13,14,16).
    3. Myokard-Konturen
      Für die manuelle Analyse: Auswahl der Herzphase
      1. Da das Anhalten des Atems mehr als 400 Bilder enthalten kann, analysieren Sie nur eine einzige Phase jedes Herzzyklus. Konzentrieren Sie sich daher bei der Analyse auf die endsystolischen Bilder jedes Herzzyklus.
      2. Identifizieren Sie die endsystolischen Bilder jedes Herzzyklus.
      3. Zeichne die epikardialen und endokardialen Konturen um das Myokard herum.
      4. Fenstern Sie das Bild, um nach Artefakten zu suchen, die entweder als dunkle (Anfälligkeit) oder helle Bereiche aufgrund eines schlechten Gating im Myokard erscheinen.
        HINWEIS: Vermeiden Sie es, Pixel mit partiellen Volumeneffekten aus den links- und rechtsventrikulären Blutpools einzubeziehen. Die meisten Konturierungsfehler treten von der endokardialen Kontur auf, einschließlich Pixeln mit partiellen Volumeneffekten und daraus resultierender künstlich erhöhter Signalintensität aus dem linksventrikulären Blutpool. Um dies zu vermeiden, zeichnen Sie die endokardiale Kontur ein ganzes Pixel innerhalb des Myokards. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Epikardialkontur ein volles Pixel innerhalb des Myokards beträgt, um Teilvolumeneffekte durch den rechtsventrikulären Blutpool, das Epikardfett oder die Luft-Lungen-Schnittstelle zu vermeiden.
      5. Kopieren Sie die endokardialen und epikardialen Konturen aus dem ersten endsystolischen Bild des Herzzyklus und fügen Sie sie in das endsystolische Bild des nächsten Herzzyklus ein. Passen Sie die Konturen nach Bedarf an.
        Für die automatisierte Analyse:
        HINWEIS: Mit automatisierten Konturierungsfunktionen können auf Wunsch alle Phasen des Herzzyklus konturiert und analysiert werden.
      6. Überprüfen Sie alle Bilder, um eine genaue Konturierung zu gewährleisten.
        HINWEIS: Einige kommerziell erhältliche automatische Konturierungsfunktionen wurden mit Datensätzen trainiert, die für die volumetrische Analyse konturiert wurden. Diese Konturen sind anfällig für partielle Volumeneffekte, da sie den Blutpool und das Myokard begrenzen sollen. Die OS-CMR-Konturen müssen vollständig innerhalb des Myokards liegen.

7. Segmentierung für regionale Analysen

  1. Um regionale Informationen zu erhalten, identifizieren Sie den anteroseptalen und inferoseptalen Ansatz des rechten Ventrikels, um das Myokard in die Segmentierung der American Heart Association (AHA) zu unterteilen42.

8. Berechnung von B-MORE

  1. Drücken Sie B-MORE als prozentuale Änderung der Signalintensität vom Ausgangswert bis zur Vasodilatation aus (siehe Gleichung 1):
    figure-protocol-17529(1)
  2. Berechnen Sie die globale B-MORE als die globale mittlere myokardiale Signalintensität der endsystolischen Bilder bei 30 s im Vergleich zu 0 s des angehaltenen Atems8 (siehe Gleichung 2):
    figure-protocol-17863(2)

Ergebnisse

Dolmetschen von B-MORE
In zuvor veröffentlichten Studien, in denen OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern verwendet wurde, wurde die globale oder regionale B-MORE berechnet, indem das erste endsystolische Bild des Atemanhaltens mit dem endsystolischen Bild verglichen wurde, das 15 s, 30 s, 45 s usw. des angehaltenen Atems am nächsten kam. Die endsystolische Phase des Herzzyklus wurde aus mehreren Gründen gewählt. Das endsystolische Bild ist die konsistenteste Phase, die unter und zwischen den Lesern identifiziert wurde: Es enthält die größte Anzahl von Pixeln im Myokard, es tritt normalerweise unabhängig von der Herzfrequenz der Teilnehmer ungefähr zur gleichen Auslösezeit auf und ist in der Aufnahme immer vorhanden (während die Enddiastole in prospektiven Gated-Bildern während eines Atemanhaltens, bei dem sich die Herzfrequenz ändern kann, möglicherweise nicht angezeigt wird).

Aus physiologischer Sicht wurden die 0-s- und 30-s-Zeitpunkte des Atemanhaltens aus folgenden Gründen gezielt gewählt. Die Zeit 0 s (oder das erste endsystolische Bild des anhaltenden Atems) ist eine Beurteilung der Signalintensität nach einer Periode des "Stresses" (60 s Hyperventilation) und damit der Punkt der maximalen Vasokonstriktion. Übersetzt in die Signalintensität bedeutet dies einen verminderten myokardialen Blutfluss ohne Anstieg des Bedarfs, was zu einem lokalen Anstieg der Desoxyhämoglobinkonzentration und einer verringerten Signalintensität im Vergleich zum Ausgangswert führt. Während des anhaltenden Atems steigt die Signalintensität mit der Kohlendioxid-vermittelten Vasodilatation an, wodurch der myokardiale Blutfluss effektiv erhöht wird, wenn der lokale Bedarf nicht steigt. Bei ~15 s des Atemanhaltens beginnt die Signalintensitätskurve ein Plateau von 4,8 zu erreichen. Daher beträgt das theoretische Minimum, das für die OS-CMR-Analyse erforderlich ist, 15 s (oder zwei Herzzyklen, die zur Beurteilung der Differenz zwischen zwei Datenpunkten erfasst werden). Es hat sich jedoch gezeigt, dass der 30-Sekunden-Zeitpunkt des Atemanhaltens robuster ist und daher als die wahre erforderliche Mindestlänge des Atemanhaltens angesehen wird.

Nach der Berechnung des globalen B-MORE (Vergleich von 30 s zu 0 s Atemanhalten) können diese Daten visuell und quantitativ dargestellt werden. Quantitativ wurden die globalen B-MORE-Werte zwischen gesunden Probanden und Patienten mit OSAS, CAD, INOCA und HFpEF sowie nach Herztransplantation verglichen 12,13,14,15,16 (Tabelle 4). Visuell können pixelweise Farbüberlagerungskarten generiert werden, um quantitative Messungen bei der Beurteilung der myokardialen Oxygenierung zu ergänzen (Abbildung 1).

figure-results-3099
Abbildung 1: Myokard-Oxygenierungsreserve, visualisiert mit einer Signalintensitätskarte zur Beurteilung der globalen und/oder regionalen Gewebeoxygenierung, die mit OS-CMR und vasoaktiven Atemmanövern erzielt wird. (A) Die globale myokardiale Oxygenierung wird bei einem gesunden Probanden aufrechterhalten; (B) eine Abnahme der regionalen myokardialen Oxygenierung bei einem Patienten mit einer linksvorderen absteigenden Stenose (100%ige Okklusion bei quantitativer Koronarangiographie); (C) eine globale Verringerung der myokardialen Oxygenierung bei einem Patienten mit Herzinsuffizienz. Der Farbbalken bietet eine visuelle Darstellung der myokardialen Oxygenierung, wobei Schwarz/Blau für eine Beeinträchtigung und Grün für eine gesunde myokardiale Oxygenierungsreaktion steht. Abkürzungen: OS-CMR = oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie; LAD = links anterior absteigend. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Visuelle Darstellung eines vollständigen OS-CMR-Scans mit vasoaktiven Atemmanövern . (A) Die Standardaufnahmen eines kardialen Magnetresonanztomographie-Scans, einschließlich Lokalisierer, Kurzachsen- und Langachsen-Cine-Funktionsbilder und Gewebecharakterisierungsbilder (z. B. T1- und/oder T2-Mapping). (B) Die Leistung, die physiologischen Auswirkungen, die Erfassung und die Veränderungen der MRT-Signalintensität während des vasoaktiven Atemmanövers. Abkürzungen: OS-CMR = oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie; DeoxyHb = Desoxyhämoglobin. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

ProzedurenRisikenBegründungenFrequenzStrengeAusdauer
Herz-MRTKopfschmerzen, ÜbelkeitMagnetfeldHäufig (10 %)Leicht bis schwerUmkehrbar
Angstzustände, KlaustrophobieBegrenzter PlatzSelten (<5%)Leicht bis schwerUmkehrbar
AtemmanöverPrickelnde FingerHyperventilationHäufig (20 %)LichtReversibel (<60 s)
Schwindel, KopfschmerzenHyperventilationHäufig (10 %)LichtReversibel (<60 s)
XerostomieHyperventilationSelten (<5%)LichtReversibel (<60 s)

Tabelle 1: Berichtete Nebenwirkungen einer kardialen Magnetresonanztomographie und Durchführung vasoaktiver Atemmanöver. Die berichteten Daten stammen aus Studien, die am McGill University Health Centre mit über 300 Teilnehmern durchgeführt wurden (unveröffentlichte Daten, die am Forschungsinstitut des McGill University Health Centre gesammelt wurden).

3T1,5 T
bSSFPmSSFP (Betriebssystem)bSSFPmSSFP (Betriebssystem)
Wiederholungszeit (TR)2,9 ms3,5 ms31.1 ms39 ms
Echo-Zeit (TE)1.21 ms1.73 ms1.21 ms1.63 ms
Kippwinkel (FA)80 Grad35 Grad39 Grad35 Grad
Voxel-Größe1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm2,0 mm x 2,0 mm x 10,0 mm1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm1,6 mm x 1,6 mm x 6 mm
Bandbreite (Hertz/ Pixel)947130213131302

Tabelle 2: Parameterunterschiede zwischen balanciertem SSFP und modifizierter SSFP (BOLD)-Sequenz bei 3 Tesla und 1,5 Tesla. Abkürzungen: SSFP = steady-state, freie Präzession; bSSFP = ausgeglichenes SSFP; mSSFP = modifiziertes SSFP; OS = sauerstoffempfindlich; BOLD = abhängig vom Blutsauerstoffgehalt.

ModifizierbarNicht veränderbar
Sichtfeld (mm)360-400Schichtdicke (mm)10
Lücke (%)0-200Kipp-Winkel35
Erfassungszeit (s/Messung)8Segmente12
Messungen1 (Baseline) oder 25+ (kontinuierliche Erfassung)EKGAusgelöst / Prospektiv
Akquisitions-FensterKeine festgelegten EinschränkungenTE (ms)1.7
TR (ms)40.68 (3.4)
Bandbreite (Hertz/Pixel)1302

Tabelle 3: Modifizierbare und nicht veränderbare OS-CMR-Sequenzparameter während der Bildaufnahme. Abkürzungen: OS-CMR = oxygenierungsempfindliche kardiale Magnetresonanztomographie; EKG = Elektrokardiographie; TE = Echozeit; TR = Wiederholungszeit.

KrankheitszustandGesunde KontrollenPatienten-Populationenp-Wert*
AlterB-MEHRAlterB-MEHR
OSAS49±12 (n=36)9,8±6,760±12 (n=29)4.3±7.60.01
PROLET27±4 (n=10)11.3±6.164±11 (n=26)2.1±4.4<0,001
INOCA52±4 (n=20)4,97±4,254±6 (n=20)5,0±6,820.75
Nach einer Herztransplantation47±8 (n=25)6,4±6,059±11 (n=46)2,6±4,60.01
HFpEF56±5 (n=12)9.1±5.361±11 (n=29)1,7±3,9<0,001

Tabelle 4: Werte der globalen atmungsinduzierten myokardialen Oxygenierungsreserve (B-MORE) aus zuvor veröffentlichten Studien unter Verwendung von OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern 12,13,14,15,16. B-MORE-Werte werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. *p-Wert für B-MORE-Vergleich. Abkürzungen: B-MORE = atmungsinduzierte myokardiale Oxygenierungsreserve; KHK = koronare Herzkrankheit; HFpEF = Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion; INOCA = Ischämie ohne obstruktive Koronararterienstenose; OSAS = obstruktives Schlafapnoe-Syndrom.

Supplemental File 1: Voraufgezeichnete .mp3 Datei, die den Patienten durch das vasoaktive Atemmanöver führt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzungsvideo S1: Video zur Anleitung zum Atemmanöver. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Diskussion

Die Hinzufügung einer OS-CMR-Erfassung mit standardisierten, vasoaktiven Atemmanövern zu einem bereits etablierten Forschungs- oder klinischen MRT-Protokoll verlängert den gesamten Scan nur um wenig Zeit. Mit dieser kurzen Ergänzung können Informationen über die zugrundeliegende makro- und mikrovaskuläre Funktion gewonnen werden (Abbildung 2). Eine wichtige Folge der endothelialen Dysfunktion ist die Unfähigkeit des Gefäßsystems, auf physiologische Reize zu reagieren, wie sie zunächst durch abnorme flussvermittelte Entspannung im Herzen nachgewiesen wurde43. OS-CMR mit endothelabhängigen vasoaktiven Atemmanövern ermöglicht die direkte Überwachung der myokardialen Oxygenierung während vasoaktiver Atemmanöver und umgeht die Notwendigkeit von exogenen Kontrastmitteln und pharmakologischen vasoaktiven Stressmitteln. Hyperventilation und Apnoe lösen eine reproduzierbare, messbare vaskuläre Reaktion über das Endothel aus und können daher ein physiologischeres Modell als andere Methoden zur Beurteilung der mikrovaskulären Funktion darstellen.

Erkenntnisse aus Studien, in denen OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern eingesetzt wurde, haben wichtige Beiträge zum Verständnis der zugrundeliegenden Pathophysiologie bei Patienten mit ischämischen Erkrankungen ohne erklärende Koronararterienstenose, insbesondere INOCA, HFpEF und Entzündungen (z.B. nach Herztransplantation) geliefert. Die mögliche Hinzufügung von OS-CMR mit standardisierten vasoaktiven Atemmanövern zur Identifizierung von Patienten mit ischämischen Brustschmerzen als Patienten mit erklärender mikrovaskulärer Dysfunktion oder zur klinischen Abklärung von HFpEF- und Herztransplantationspatienten würde die klinische Entscheidungsfindung in diesen Patientenpopulationen signifikant verbessern44.

Bei der Durchführung von OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern gibt es einige Aspekte, auf die bei der Durchführung der Atemmanöver und in den Bildern zu achten ist. In der Regel versuchen die Teilnehmer, mit dem Tempo des Metronoms Schritt zu halten (30 Atemzüge/min) und atmen nicht tief ein. Es ist wichtiger, tief zu atmen, als das Tempo von 30 Atemzügen/min einzuhalten (z. B. ist "Bauchatmung" effektiver als flache Brustatmung). Bei gesunden Teilnehmern wird erwartet, dass die Herzfrequenz während der Hyperventilation um ~20 Schläge/min ansteigt. Die Patienten neigen dazu, eine Herzfrequenzerhöhung von 5-10 Schlägen/Minutezu haben 45. Einige Teilnehmer könnten versucht sein, einen kleinen Atemzug zu nehmen, um die Zeit des Atemanhaltens zu verlängern. Daher sollten die Patienten darüber informiert werden, dass der Test seine diagnostische Genauigkeit verliert, wenn das Protokoll nicht sorgfältig befolgt wird, und dass jeder kleine Atemzug den Test beendet.

Wenn eine Schnittposition zu basal ist (nahe an der Klappenebene), können die Ausflusstrakte möglicherweise keine Unterscheidung zwischen LV und RV zulassen oder sich aufgrund der Bewegung durch die Ebene im linksventrikulären Ausflusstrakt befinden, was die Fähigkeit zur Analyse der Bilder beeinträchtigen würde. Wenn ein Schnitt zu apikal ist, kann es sein, dass die Bilder nicht senkrecht zur Ventrikelwand stehen und daher Blut oder parakardiales Gewebe enthalten und die Beurteilung beeinträchtigen. Wenn eine Schicht zu apikal ist, gibt es außerdem deutlich weniger Pixel des echten Myokards, was das Risiko erhöht, dass Pixel mit partiellen Volumeneffekten in die Analyse einbezogen werden.

Globale Beeinträchtigung der myokardialen Oxygenierung
OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern hat bereits eine beeinträchtigte globale myokardiale Oxygenierungsreserve bei Patienten mit OSA und HFpEF und Herztransplantatempfängern nachgewiesen12,14,16. Der Befund einer globalen Reduktion von B-MORE bei Patienten mit HFpEF steht im Widerspruch zu den Ergebnissen einer früheren Studie, die eine beeinträchtigte myokardiale Perfusion, aber eine aufrechterhaltene myokardiale Oxygenierung bei Patienten mit nicht-ischämischer Herzinsuffizienzzeigte 46. In den bisherigen Studien wurde jedoch Adenosin, ein endothelialer unabhängiger Vasodilatator, als Stressmittel verwendet. Daher wurden die endotheliale abhängige mikrovaskuläre Dysfunktion und die möglichen Auswirkungen auf die myokardiale Oxygenierung nicht untersucht. Das Vorhandensein oder Fehlen einer endothelialen Dysfunktion bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz hat wichtige klinische Implikationen, da der Schweregrad der endothelialen Dysfunktion nicht nur das klinische Erscheinungsbild bestimmen kann, sondern auch prognostischen Wert in Bezug auf zukünftige Krankenhausaufenthalte, Herztransplantationen oder Todesfälle habenkann 34,47.

Das Vorhandensein einer deutlichen globalen Reduktion von B-MORE bei Herztransplantationspatienten sowohl mit als auch ohne kardiale Allotransplantat-Vaskulopathie im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen ist ein wichtiger Befund, um die zugrundeliegende Pathophysiologie und den Zeitpunkt und die Reduktion invasiver Nachuntersuchungen zu beleuchten und hat prognostische Implikationen. Die Reduktion von B-MORE bei Herztransplantationspatienten mit und ohne kardiale Allotransplantat-Vaskulopathie ist wahrscheinlich eine Folge einer verminderten koronaren Vasoreaktivität. Diese Erklärung wird zusätzlich durch die Assoziation einer weiteren B-MORE-Beeinträchtigung mit dem Schweregrad der kardialen Allotransplantat-Vaskulopathie gestützt14. Da bei Patienten nach einer Herztransplantation ein jährliches Screening auf mikrovaskuläre Dysfunktion mit invasiver Koronarangiographie empfohlen wird48, kann die Fähigkeit der OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern, den Schweregrad der mikrovaskulären Dysfunktion in dieser Patientenpopulation zu erkennen und zu überwachen, eine alternative nicht-invasive und nadelfreie Screening-Methode darstellen.

Regionale Beeinträchtigung der myokardialen Oxygenierung
In vielen Zentren haben 50 % bis 70 % der Patienten, die sich einer invasiven Koronarangiographie unterziehen, keine signifikante obstruktive Koronararterienstenose, was ein nicht-invasives Bildgebungsverfahren erfordert, um sowohl INOCA zu identifizieren als auch prognostische Informationen über kardiovaskuläre Ergebnisse in dieser nicht gut verstandenen Patientenpopulation zu liefern. Bei der klinischen Bewertung von Patienten mit INOCA wurden in der Vergangenheit koronare Reaktivitätstests durchgeführt, einschließlich der Messung des Index des Mikrozirkulationswiderstands während der invasiven Koronarangiographie25,26. Diese Methode ist jedoch durch ihre Invasivität, mangelnde Reproduzierbarkeit und Kosten begrenzt. Darüber hinaus wird in der invasiven Angiographie nicht die Höhe des kritischen nachgeschalteten pathophysiologischen Effekts, d. h. der Effekt auf die myokardiale Oxygenierung, beurteilt. Kürzlich zeigte OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern bei Frauen mit INOCA faszinierende Ergebnisse. Während es im Vergleich zu altersangepassten gesunden Kontrollpersonen keine Beeinträchtigung des globalen B-MORE gab, zeigte die koronare vaskuläre Reaktionsfähigkeit, definiert durch eine Veränderung der myokardialen Oxygenierung, ein heterogenes Muster einer beeinträchtigten Oxygenierungsreaktion im Vergleich zu dem von gesunden Probanden mit gleichem Alter15.

Die beobachteten regionalen Variationen der Endothelfunktion und der myokardialen Oxygenierung bei Patienten mit Brustschmerzen und INOCA liefern einen wichtigen Einblick in die Physiologie der mikrovaskulären Dysfunktion in dieser Patientenpopulation. Regionale Variationen in der myokardialen Oxygenierung könnten möglicherweise durch lokale Anomalien der endothelialen Relaxationsfaktoren, abnorme neuronale Stimuli der koronaren Mikrozirkulation, die zu einer Regionalität des Flusses und der Sauerstoffversorgung führen, oder einen koronaren vaskulären Steal vermittelt werden49. Eine alternative Erklärung für diese Befunde könnte die Heterogenität der Ätiologien sein, die INOCA50 zugrunde liegen. Die Visualisierung des Oxygenierungsstatus des Gewebes und seiner regionalen Heterogenität durch Karten, die mit OS-CMR mit Atemmanövern aufgenommen wurden, deutet darauf hin, dass diese Methodik eine wichtige Rolle bei einer direkteren und umfassenderen Untersuchung der regionalen myokardialen Gefäßfunktion bei diesen Patienten spielen könnte, die über eine vereinfachte globale Messung der Perfusion oder Oxygenierung hinausgeht.

Begrenzungen
Einige Einschränkungen der Methodik bleiben bestehen. Aus physiologischer Sicht erfordert die Nutzung des BOLD-Effekts, um Rückschlüsse auf die Sauerstoffversorgung des Gewebes zu ziehen, die Berücksichtigung anderer Variablen, da die OS-CMR-Signalintensität auch durch den Blutzufluss und das Blutvolumen beeinflusst wird 2,51. Glücklicherweise sind die Effekte auf die Signalintensität synergistisch und physiologisch miteinander verbunden (die induzierte koronare Vasodilatation erhöht gleichzeitig den Blutfluss, das Blutvolumen und die Sauerstoffversorgung des Blutes). Die potenzielle Verzerrung dieser Störfaktoren ist daher systematisch und unidirektional und hat wenig Relevanz für die Beurteilung der mikrovaskulären Funktion. Andere Faktoren, die mit dem Blut (Hämoglobin, Hämatokrit) und der Feldstärke zusammenhängen, wurden als potenzielle Störfaktoren bei der OS-CMR-Bildinterpretation und -analyse identifiziert51,52 und müssen berücksichtigt werden, wenn sie signifikant abnormal sind. Um diese Faktoren zu adressieren, können neuartige Biomarker, die von der OS-CMR-Signalintensitätsantwort abgeleitet werden, die verwirrenden Effekte von Hämodilutionszustand und Hämatokrit kontrollieren oder minimieren, z. B. durch Normalisierung der Signalintensitätsantwort auf den links- oder rechtsventrikulären Blutpool jedes Teilnehmers.

Bis vor kurzem erforderte die Auswertung von OS-MR-Daten eine mühsame manuelle Annotation, Segmentierung und Analyse. Benutzerfreundliche Nachbearbeitungswerkzeuge für die automatisierte oder halbautomatische Analyse dynamischer OS-CMR-Datensätze werden entwickelt53. Schließlich fehlt es an populationsbasierten Normalwerten und klinischen Studien, die OS-CMR-Ergebnisse mit invasiven Messungen der mikrovaskulären Dysfunktion vergleichen, sowie an Daten zur Prognose, Kosteneffizienz und den Auswirkungen des Einsatzes auf die klinischen Ergebnisse.

Schlussfolgerung
Die nicht-invasive Überwachung dynamischer regionaler oder globaler Veränderungen der myokardialen Oxygenierung mittels OS-CMR mit vasoaktiven Atemmanövern liefert einzigartige, klinisch bedeutsame Informationen über die koronare Gefäßfunktion und kann bei Patienten mit mikrovaskulärer Dysfunktion eine besonders wichtige Rolle spielen. Weitere klinische Studien sollten durchgeführt werden, um den klinischen Nutzen in verschiedenen Patientenpopulationen zu untersuchen.

Offenlegungen

MGF ist als Inhaber des US-Patents Nr. 14/419,877 aufgeführt: Induktion und Messung von Veränderungen der myokardialen Oxygenierung als Marker für Herzerkrankungen; US-Patent Nr. 15/483,712: Messung von Veränderungen der Sauerstoffversorgung im Gewebe als Marker für die Gefäßfunktion; US-Patent Nr. 10,653,394: Messung von Veränderungen der Sauerstoffversorgung im Gewebe als Marker für die Gefäßfunktion - Fortsetzung; und kanadisches Patent CA2020/051776: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Biomarkern der Gefäßfunktion unter Verwendung von fettgedruckten CMR-Bildern. EH ist als Inhaber des Internationalen Patents CA2020/051776 aufgeführt: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Biomarkern der Gefäßfunktion unter Verwendung von fettgedruckten CMR-Bildern.

Danksagungen

Diese Arbeit und die Überprüfung der Methodik wurden durch das gesamte Team der Courtois CMR Research Group am McGill University Health Centre ermöglicht. Besonderer Dank gilt unseren MRT-Technologinnen Maggie Leo und Sylvie Gelineau für das Scannen unserer Teilnehmer und das Feedback zu diesem Manuskript.

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
balanced SSFP MRI sequenceAnyTo modify to create the OS-CMR sequence
DICOM/ Imaging ViewerAnyBest if the viewer has the ability for quantitative measurements (i.e., Area19 prototype software)
Magnetic Resonance Imaging scannerAny3 Tesla or 1.5 Tesla
MetronomeAnySet to 30 breaths per minute. To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants.
Speaker systemAnyTo communicate breathing maneuver instrucitons to participants through
StopwatchAnyTo use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants

Referenzen

  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).

Erratum


Formal Correction: Erratum: Oxygenation-sensitive Cardiac MRI with Vasoactive Breathing Maneuvers for the Non-invasive Assessment of Coronary Microvascular Dysfunction
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

This corrects the article 10.3791/64149

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