Risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione con manovre di respirazione vasoattiva per la valutazione non invasiva della disfunzione microvascolare coronarica

La valutazione della funzione microvascolare mediante risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione in combinazione con manovre di respirazione vasoattiva è unica nella sua capacità di valutare rapidi cambiamenti dinamici nell'ossigenazione miocardica in vivo e, quindi, può servire come tecnica diagnostica di fondamentale importanza per la funzione vascolare coronarica.

La risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione (OS-CMR) è una tecnica diagnostica che utilizza le proprietà paramagnetiche intrinseche della deossiemoglobina come fonte endogena di contrasto tissutale. Utilizzato in combinazione con manovre di respirazione vasoattiva standardizzate (iperventilazione e apnea) come potente stimolo vasomotorio non farmacologico, OS-CMR può monitorare i cambiamenti nell'ossigenazione miocardica. La quantificazione di tali cambiamenti durante il ciclo cardiaco e durante le manovre vasoattive può fornire marcatori per la funzione macro e microvascolare coronarica e quindi aggirare la necessità di agenti di contrasto estrinseci, per via endovenosa o farmacologici.

L'OS-CMR utilizza la ben nota sensibilità delle immagini pesate in T2* all'ossigenazione del sangue. Le immagini sensibili all'ossigenazione possono essere acquisite su qualsiasi scanner per risonanza magnetica cardiaca utilizzando una sequenza cine di precessione libera allo stato stazionario (SSFP) standard modificata, rendendo questa tecnica indipendente dal fornitore e facilmente implementabile. Come manovra di respirazione vasoattiva, applichiamo un protocollo di respirazione di 4 minuti di 120 s di respirazione libera, 60 s di iperventilazione a ritmo sostenuto, seguiti da una apnea espiratoria di almeno 30 s. La risposta regionale e globale dell'ossigenazione del tessuto miocardico a questa manovra può essere valutata monitorando la variazione dell'intensità del segnale. La variazione nei primi 30 secondi della apnea post-iperventilazione, denominata riserva di ossigenazione miocardica indotta dalla respirazione (B-MORE) è stata studiata in persone sane e in varie patologie. Viene fornito un protocollo dettagliato per l'esecuzione di scansioni CMR sensibili all'ossigeno con manovre vasoattive.

Come dimostrato in pazienti con disfunzione microvascolare in condizioni ancora non completamente comprese, come l'ischemia inducibile senza stenosi coronarica ostruttiva (INOCA), l'insufficienza cardiaca con frazione di eiezione conservata (HFpEF) o la disfunzione microvascolare dopo trapianto di cuore, questo approccio fornisce informazioni uniche, clinicamente importanti e complementari sulla funzione vascolare coronarica.

La risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione (OS-CMR) utilizza le proprietà paramagnetiche intrinseche della deossiemoglobina come fonte endogena di contrasto RM ^1,2,3. Utilizzato in combinazione con manovre di respirazione vasoattiva standardizzate (iperventilazione e apnea) come potente stimolo vasomotorio non farmacologico, l'OS-CMR può monitorare i cambiamenti nell'ossigenazione miocardica come marcatore della funzione vascolare, aggirando così la necessità di agenti estrinseci, di contrasto per via endovenosa o di stress farmacologico ^4,5,6.

Le manovre respiratorie, comprese le apnee e l'iperventilazione, sono misure vasoattive altamente efficaci per alterare la vasomozione e, grazie alla loro sicurezza e semplicità, sono ideali per la vasomozione endoteliale dipendente controllata come parte di una procedura diagnostica. Gli studi hanno dimostrato una maggiore efficacia quando si combina l'iperventilazione con una successiva apnea^4,7, in quanto durante tale protocollo^, la vasocostrizione (attraverso la diminuzione associata dell'anidride carbonica nel sangue) è seguita dalla vasodilatazione (aumento dell'anidride carbonica nel sangue); pertanto, un sistema vascolare sano passa attraverso l'intera gamma dalla vasocostrizione alla vasodilatazione con un forte aumento del flusso sanguigno miocardico, che a sua volta aumenta l'ossigenazione miocardica e, quindi, l'intensità del segnale osservabile nelle immagini OS-CMR. L'uso di immagini cine per l'acquisizione consente inoltre di ottenere risultati cardiaci risolti in fase con un migliore rapporto segnale/rumore rispetto all'infusione di adenosina⁸.

Le manovre respiratorie possono sostituire gli agenti di stress farmacologico per indurre cambiamenti vasoattivi che possono essere utilizzati per valutare la funzione vascolare coronarica. Ciò non solo riduce il rischio per il paziente, gli sforzi logistici e i costi associati, ma aiuta anche a fornire risultati clinicamente più significativi. Gli agenti di stress farmacologici come l'adenosina innescano una risposta endotelio-dipendente e, quindi, riflettono la funzione endoteliale stessa. Tale valutazione specifica della funzione endoteliale finora è stata possibile solo con una somministrazione intracoronarica di acetilcolina come vasodilatatore endoteliale dipendente. Questa procedura, tuttavia, è altamente invasiva^2,9 e, quindi^, raramente eseguita.

In mancanza di accesso a biomarcatori diretti, diverse tecniche diagnostiche hanno utilizzato marcatori surrogati come l'assorbimento tissutale di un mezzo di contrasto esogeno. Sono limitati dalla necessità di una o due linee di accesso endovenoso, da controindicazioni come grave malattia renale o blocco atrioventricolare e dalla necessità della presenza fisica di personale addestrato alla gestione di effetti collaterali potenzialmente gravi^10,11. Il limite più significativo dell'attuale imaging della funzione coronarica, tuttavia, rimane che la perfusione miocardica come marcatore surrogato non riflette l'ossigenazione del tessuto miocardico come la più importante conseguenza a valle della disfunzione vascolare².

L'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva è stato utilizzato per valutare la funzione vascolare in numerosi scenari, tra cui individui sani, malattia macrovascolare in pazienti con malattia coronarica (CAD), nonché disfunzione microvascolare in pazienti con apnea ostruttiva del sonno (OSA), ischemia senza stenosi coronarica ostruttiva (INOCA), dopo trapianto di cuore e insufficienza cardiaca con frazione di eiezione conservata (HFpEF)^4, 7,12,13,14,15,16. In una popolazione CAD, il protocollo per la riserva di ossigenazione miocardica indotta dalla respirazione (B-MORE) derivato da OS-CMR si è dimostrato sicuro, fattibile e sensibile nell'identificare una risposta di ossigenazione alterata nei territori miocardici perfusi da un'arteria coronaria con una stenosi significativa¹³.

Nella disfunzione microvascolare, l'OS-CMR ha dimostrato una risposta ritardata all'ossigenazione miocardica nei pazienti con apnea ostruttiva del sonno e un B-MORE attenuato è stato riscontrato nei pazienti con HFpEF e dopo trapianto di cuore^12,14,16. Nelle donne con INOCA, la manovra respiratoria ha portato a una risposta di ossigenazione miocardica anormalmente eterogenea, evidenziando il vantaggio dell'alta risoluzione spaziale di OS-CMR¹⁵. Questo documento esamina il razionale e la metodologia per l'esecuzione di OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva e discute la sua utilità clinica nella valutazione della fisiopatologia vascolare nelle popolazioni di pazienti con disfunzione microvascolare, in particolare in relazione alla disfunzione endoteliale.

Il contesto fisiologico della risonanza magnetica sensibile all'ossigenazione potenziata dalla respirazione
In condizioni fisiologiche normali, un aumento della domanda di ossigeno è accompagnato da un aumento equivalente dell'apporto di ossigeno attraverso l'aumento del flusso sanguigno, con conseguente assenza di cambiamenti nella concentrazione locale di deossiemoglobina. Al contrario, la vasodilatazione indotta porta a un afflusso "eccessivo" di sangue ossigenato senza un cambiamento nella domanda di ossigeno. Di conseguenza, una maggiore quantità di emoglobina tissutale viene ossigenata e, quindi, c'è meno deossiemoglobina, portando a un aumento relativo dell'intensità del segnale OS-CMR ^4,17. Se la funzione vascolare è compromessa, non può rispondere correttamente a una richiesta metabolica alterata o a uno stimolo per aumentare il flusso sanguigno miocardico.

Nel contesto di uno stimolo per suscitare vasomozione, come l'iperventilazione stimolata che provoca vasocostrizione o una lunga apnea che provoca vasodilatazione mediata dall'anidride carbonica, la compromissione dell'attività vasomotoria comporterebbe un aumento relativo della concentrazione locale di deossiemoglobina rispetto ad altre regioni e, successivamente, una riduzione dell'intensità del segnale OS-CMR. Nel contesto dell'ischemia inducibile, la compromissione della funzione vascolare comporterebbe un aumento della domanda locale non soddisfatta da un aumento locale del flusso sanguigno miocardico anche in assenza di stenosi dell'arteria coronaria epicardica. Nelle immagini OS-CMR, l'aumento locale netto della concentrazione di deossiemoglobina porta a una diminuzione dell'intensità del segnale locale 2,18,19,20.

In pazienti con disfunzione microvascolare coronarica 21,22,24,25,26,27 è stato dimostrato un attenuato rilassamento della muscolatura liscia vascolare in risposta ai vasodilatatori endotelio-dipendenti e -indipendenti (inclusa l'adenosina). Si ritiene che la disfunzione endoteliale indipendente sia dovuta ad anomalie strutturali dovute all'ipertrofia microvascolare o alla patologia miocardica circostante. Al contrario, la disfunzione endoteliale provoca sia un'inadeguata vasocostrizione che un compromesso vasorilassamento (endotelio-dipendente), tipicamente causato da una perdita di bioattività dell'ossido nitrico nella parete del vaso^21,28. La disfunzione endoteliale è stata implicata nella patogenesi di una serie di malattie cardiovascolari, tra cui ipercolesterolemia, ipertensione, diabete, CAD, apnea ostruttiva del sonno, INOCA e HF 23,24,28,29,30,31,32. Infatti, la disfunzione endoteliale è la prima manifestazione dell'aterosclerosi coronarica³³. L'imaging della funzione endoteliale ha un potenziale molto forte, dato il suo ruolo di predittore significativo di eventi cardiovascolari avversi e di esiti a lungo termine, con profonde implicazioni prognostiche negli stati di malattia cardiovascolare 23,29,30,31,34,35.

A differenza dell'imaging di perfusione, la riserva di ossigenazione miocardica indotta dalla respirazione (B-MORE), definita come l'aumento relativo dell'ossigenazione miocardica durante una apnea post-iperventilazione, consente di visualizzare le conseguenze di tale innesco vasoattivo sull'ossigenazione globale o regionale^{stessa 2,36}. Come accurato marcatore a valle della funzione vascolare, B-MORE può, quindi, non solo identificare la disfunzione vascolare ma anche l'ischemia inducibile effettiva, indicando un problema di perfusione locale o di ossigenazione più grave^18,19,37. Ciò si ottiene attraverso la capacità dell'OS-CMR di visualizzare la diminuzione relativa dell'emoglobina deossigenata, che è abbondante nel sistema capillare del miocardio, che a sua volta rappresenta una percentuale significativa del tessuto miocardico²⁴.

Sequenza OS-CMR
La sequenza di risonanza magnetica per immagini (MRI) utilizzata per l'imaging OS-CMR è una sequenza prospetticamente gated, modificata, bilanciata, stazionaria, di precessione libera (bSSFP) acquisita in due sezioni ad asse corto. Questa sequenza bSSFP è una sequenza clinica standard disponibile (e modificabile) su tutti gli scanner MRI che eseguono la risonanza magnetica cardiaca, rendendo questa tecnica indipendente dal fornitore e facilmente implementabile. In una normale sequenza cinematografica bSSFP, il tempo di eco, il tempo di ripetizione e l'angolo di capovolgimento vengono modificati per sensibilizzare l'intensità del segnale risultante all'effetto BOLD e, quindi, creare una sequenza sensibile all'ossigenazione. Questo approccio, una lettura bSSFP preparata per T2, si è precedentemente dimostrato adatto per l'acquisizione di immagini sensibili all'ossigenazione con un rapporto segnale/rumore più elevato, una qualità dell'immagine superiore e tempi di scansione più rapidi rispetto alle precedenti tecniche di eco a gradiente utilizzate per l'imaging BOLD³⁸. L'esecuzione di OS-CMR potenziata dalla respirazione con questo approccio può essere applicata con pochissimi effetti collaterali lievi (Tabella 1). Da notare che oltre il 90% dei partecipanti completa questo protocollo con tempi di apnea sufficientemente lunghi 4,12,13,16.

Tutte le scansioni MRI che utilizzano OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva devono essere eseguite in conformità con le linee guida istituzionali locali. Il protocollo descritto di seguito è stato utilizzato in studi approvati da diversi comitati etici istituzionali per la ricerca umana. È stato ottenuto il consenso scritto per tutti i dati e i risultati dei partecipanti umani descritti in questo protocollo e manoscritto.

1. Ampia panoramica

1. Variare i criteri di inclusione ed esclusione a seconda della popolazione di studio di interesse. Utilizzare i seguenti criteri di esclusione generali e comuni per un protocollo OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva: controindicazioni generali alla risonanza magnetica (ad es. dispositivi incompatibili con la risonanza magnetica come pacemaker o defibrillatori, materiale impiantato o corpi estranei), consumo di caffeina o farmaci vasoattivi nelle 12 ore precedenti la risonanza magnetica ed età <18 anni.
2. Innanzitutto, acquisire lo scout del localizzatore clinico standard e le immagini della struttura e della funzione ventricolare prima di acquisire le acquisizioni del sistema operativo. Utilizzare le immagini cinematografiche ad asse lungo bSSFP per pianificare il posizionamento delle sezioni delle acquisizioni del sistema operativo.
   NOTA: Una revisione dei protocolli clinici standardizzati CMR è descritta altrove³⁹.
3. Apnea di base
   1. Acquisisci la prima serie OS-CMR come breve acquisizione di base in apnea per valutare la qualità dell'immagine e la posizione della sezione, verificare la presenza di artefatti e fungere da linea di base per l'intensità del segnale.
   2. Eseguire una breve (~10 s) acquisizione di un singolo ciclo cardiaco dopo che il partecipante ha respirato normalmente. Assicurarsi che l'apnea venga eseguita alla fine dell'espirazione.
4. Acquisizione continua con manovra di respirazione vasoattiva
   1. Acquisire la seconda serie OS-CMR come un'acquisizione continua di 4 minuti composta da 2 minuti di respirazione libera e 1 minuto di iperventilazione accelerata, seguita da una apnea volontaria e massima (~1 minuto). Poiché l'acquisizione continua ottiene più cicli cardiaci nell'arco di 4 minuti, modificare un parametro aggiuntivo (il numero di cicli cardiaci acquisiti dall'acquisizione) per rendere questa serie un'acquisizione a misure ripetute
      NOTA: La durata minima richiesta per l'apnea è di 30 s, anche se una trattenuta di 60 s è considerata lo standard.
   2. Trasmettere le istruzioni per la manovra di respirazione vasoattiva ai partecipanti nello scanner MRI dirigendo manualmente il partecipante durante la manovra di respirazione attraverso un microfono collegato al sistema di altoparlanti MRI o attraverso un file .mp3 preregistrato (File supplementare 1) che può essere riprodotto per il partecipante attraverso il sistema di altoparlanti MRI.
   3. Iniziare la manovra di respirazione vasoattiva con respirazione libera (dopo 120 s di respirazione libera, inizia l'iperventilazione). Guidare il partecipante attraverso la respirazione ritmica con l'uso di segnali acustici da un metronomo a una frequenza di 30 respiri/min (un segnale acustico indica l'inspirazione, un segnale acustico indica l'espirazione). Al segno di iperventilazione di 55 s, dare un comando vocale finale per "inspirare profondamente e poi espirare e trattenere il respiro" per assicurarsi che l'apnea venga eseguita a un livello di fine espirazione.
      NOTA: La variazione di CO 2 nel sangue è molto più pronunciata con l'apnea alla fine dell'espirazione (la superficie polmonare è più piccola, riducendo al minimo la diffusione residua di CO₂ negli alveoli).
5. Analisi dell'immagine
   1. Per misurare il B-MORE, considerare la prima immagine telesistolica durante l'apnea come tempo 0 s. Confrontare i valori di intensità del segnale globale o regionale dell'immagine telesistolica acquisita più vicino al punto temporale di 30 s dell'apnea con l'intensità del segnale dell'immagine al punto di tempo di 0 s. Riportare BMORE come variazione percentuale dell'intensità del segnale a 30 s rispetto al tempo 0 s della trattenuta del respiro.

2. Procedura di pre-scansione

1. Assicurarsi che ogni partecipante superi il questionario sulla sicurezza e la compatibilità della risonanza magnetica dell'istituzione locale (modulo di controindicazione generale alla risonanza magnetica), che dovrebbe includere domande sull'anamnesi medica e chirurgica pregressa e identificare la presenza di qualsiasi impianto, dispositivo o corpo estraneo metallico all'interno o nel sito chirurgico del partecipante⁴⁰.
2. Procurati un test di gravidanza, se applicabile.
3. Verificare che il paziente si sia astenuto dai farmaci vasoattivi e dalla caffeina nelle 12 ore precedenti la risonanza magnetica.
4. Mostra al partecipante il video didattico della manovra di respirazione (Video supplementare S1).
   1. Eseguire una sessione pratica di 60 secondi di iperventilazione a ritmo seguito da una massima apnea volontaria con ogni partecipante al di fuori della sala di scansione MRI e fornire un feedback sulle prestazioni dell'iperventilazione.
   2. Istruisci i partecipanti che possono semplicemente riprendere a respirare quando hanno un forte bisogno di farlo.
      NOTA: Vedere la discussione per i punti da notare e fornire feedback ai partecipanti.

3. Acquisizione RM di sequenze sensibili all'ossigenazione

1. Modificare tre parametri dalla sequenza bSSFP standard sulla console MRI: aumentare il tempo di ripetizione (TR), aumentare il tempo di eco (TE), diminuire l'angolo di inversione (FA).
   NOTA: I valori modificati dipendono dall'intensità di campo dello scanner MRI (Tabella 2). L'aumento di TR e TE e la diminuzione di FA si traducono in un aumento di T2* o sensibilità all'ossigenazione della sequenza MRI. Queste modifiche si tradurranno quindi in un aumento della larghezza di banda e della risoluzione di base della sequenza.
2. Creare due serie di OS, una linea di base (etichettata: OS_base) e l'acquisizione continua durante la quale viene eseguita la manovra di respirazione (etichettata: OS_cont_acq). Lasciare invariata la sequenza del sistema operativo di base. Nell'acquisizione continua del sistema operativo, aumentare le misure ripetute da 1 a ~25-40 (a seconda del tipo di scanner). Aumentare il numero di cicli cardiaci (misure) fino a quando il tempo di acquisizione è di ~4,5 min.
   NOTA: Sono necessarie due sequenze OS-CMR: l'acquisizione della linea di base dell'OS e l'acquisizione continua dell'OS con manovre di respirazione vasoattiva. Nelle sezioni seguenti vengono descritti questi passaggi.

4. Acquisizione della linea di base del sistema operativo

1. Per la prescrizione della fetta, pianificare in un fermo immagine telesistolico di una vista ad asse lungo (immagine a due o quattro camere). Prescrivere due fette dell'asse corto, una a livello ventricolare medio-basale e l'altra a livello ventricolare medio-apicale. Vedere la discussione per i punti da considerare relativi alla posizione della sezione.
2. Regolazioni dei parametri di sequenza
   1. Regolare i parametri della sequenza in base alle esigenze di un determinato partecipante. Vedere la Tabella 3 per i parametri di sequenza che possono o non possono essere modificati.
   2. Regolare lo spazio/spaziatura media tra le fette in base alle dimensioni del cuore del partecipante e assicurarsi che la posizione corretta delle fette.
   3. Regolare il campo visivo per evitare artefatti di avvolgimento, se necessario. Fare ogni sforzo per mantenere il campo visivo tra 360 mm e 400 mm.
3. Volume spessore
   1. Regolare il volume dello spessore in modo che sia stretto attorno al ventricolo sinistro sia nella vista dell'asse lungo che in quella dell'asse corto.
4. Acquisizione di sequenze
   1. Approvare la sequenza ed eseguirla durante l'apnea di fine espirazione. Assicurarsi che questa sequenza di base del sistema operativo duri ~10 s, in base alla frequenza cardiaca e allo scanner MRI.
5. Controllo della qualità dell'immagine
   1. Controllare entrambe le sezioni della serie acquisita, verificare la presenza di movimenti respiratori, una cattiva posizione della fetta o la presenza di artefatti. Ripetere la sequenza OS di base fino a ottenere una qualità dell'immagine adeguata.
6. Per la risoluzione dei problemi, se la posizione della fetta è troppo basale o troppo apicale, regolare la posizione della fetta prescritta in modo che sia più vicina al livello ventricolare medio. Se è presente un artefatto, procedi nel seguente modo:
   1. Controllare la direzione di codifica delle fasi.
   2. Ingrandisci il campo visivo.
   3. Regolare il volume dello spessore intorno al ventricolo sinistro.

5. Acquisizione continua OS con manovre di respirazione vasoattiva

NOTA: Assicurarsi che ogni partecipante sia stato istruito sulla corretta esecuzione della manovra di respirazione prima di essere nello scanner MRI (vedere la sezione 2).

1. Pianificazione delle sequenze
   1. Se possibile, copiare la posizione della sezione e regolare il volume dall'immagine di base del sistema operativo o duplicare la sequenza del sistema operativo di base e, in caso di misurazioni ripetute, aumentare da 1 a ~25-40 (o quasi 4,5 minuti di tempo di acquisizione).
2. Verificare il posizionamento dell'immagine e della sezione, quindi eseguire il ciclo di acquisizione.
3. Se possibile, apri la finestra del live streaming.
4. Nella sala di controllo, collegare un dispositivo con il file .mp3 delle istruzioni per la manovra respiratoria nell'ingresso ausiliario o prepararsi a tenerlo sopra il microfono proiettato nello scanner MRI. In alternativa, guidare manualmente il partecipante attraverso la manovra di respirazione utilizzando un cronometro per il cronometraggio e fornire istruzioni verbalmente attraverso il microfono collegato al sistema di altoparlanti MRI.
5. Acquisizione di sequenze
   1. Premere contemporaneamente play per la sequenza di acquisizione continua OS sullo scanner MRI e riprodurre per il file di istruzioni di respirazione .mp3 o avviare il cronometro se il partecipante viene istruito manualmente.
   2. Se guidi manualmente il partecipante attraverso le manovre di respirazione, istruiscilo a inspirare ed espirare, quindi trattieni il respiro per 10 secondi e inizia a iperventilare non appena sente il segnale acustico del metronomo.
   3. Avvisare il partecipante al segno di iperventilazione di 40 s (2:40 sul cronometro).
   4. Al punto di tempo di 55 s di iperventilazione (2:55 sul cronometro), istruire il partecipante a "inspirare profondamente, espirare e trattenere il respiro".
      NOTA: Le immagini di respirazione libera e iperventilazione presenteranno artefatti di movimento. Questo è previsto. Tuttavia, non dovrebbero esserci artefatti di movimento durante l'apnea. È di fondamentale importanza che le immagini trattenute dal respiro vengano acquisite dopo l'espirazione (posizione di fine espirazione confortevole). Solo un'apnea dopo l'espirazione porta al rapido aumento di CO₂ nel sangue durante i primi 30 secondi della successiva apnea, con la conseguente variazione del flusso sanguigno coronarico e dell'ossigenazione miocardica.
   5. Monitorare le prestazioni del partecipante dell'iperventilazione stimolata attraverso la finestra della sala di controllo o la telecamera dello scanner MRI per garantire un'adeguata esecuzione della respirazione profonda. Se si utilizzano soffietti, monitorare i picchi di ampiezza sul visore di gating respiratorio. Se l'iperventilazione non viene eseguita in modo adeguato dopo la guida iniziale, interrompere l'acquisizione e ripetere la sequenza di acquisizione continua del sistema operativo.
   6. Monitora eventuali piccoli respiri effettuati dai partecipanti durante l'apnea. A tale scopo, è necessario monitorare il tracciamento di una cintura respiratoria sulla console di risonanza magnetica o visivamente attraverso la finestra/telecamera.
   7. Una volta che il partecipante inizia a respirare alla fine dell'apnea, interrompere l'acquisizione.
   8. Dopo la fine dell'acquisizione, chiedere al partecipante se ha avuto effetti avversi e lasciare che il partecipante respiri normalmente per 3 minuti.
6. Risoluzione dei problemi: ripetere l'acquisizione
   1. Se le manovre respiratorie devono essere ripetute, ripetere la sequenza OS di base.
      NOTA: È necessario un periodo di 2-3 minuti prima di ripetere l'acquisizione per consentire alla fisiologia di tornare al basale. Dati precedenti hanno dimostrato che la fisiologia non ritorna al basale dopo 1 minuto^{e 41}.
   2. Se la qualità dell'immagine della sequenza di base dell'OS è adeguata, ripetere l'acquisizione continua dell'OS e l'esecuzione delle manovre respiratorie.

6. Analisi dell'immagine

1. Importa i set di dati di immagine OS-CMR in un visualizzatore DICOM con funzionalità di contorno dell'immagine, al meglio con la funzionalità per analizzare automaticamente le variazioni di intensità del segnale sensibili all'ossigenazione.
2. I marcatori e la loro misurazione
   1. Acquisire un'immagine di base durante una breve acquisizione di apnea di base prima dell'iperventilazione (riposo). Confronta la prima immagine dell'apnea (che rappresenta la fine dello stimolo di "stress") con l'immagine di base.
      NOTA: L'iperventilazione è uno stimolo vasocostrittore che riduce l'ossigenazione miocardica (Sano: %ΔSI ≈-5% a -10%¹³).
   2. Ottenere molte immagini (e cicli cardiaci) durante l'apnea. Usa la prima immagine dell'apnea come linea di base e confronta tutte le immagini seguenti con questa immagine.
      NOTA: L'apnea è uno stimolo vasodilatatore che aumenta l'ossigenazione miocardica (%ΔSI ≈ +5%-15%^12,13,14,16).
   3. Contorni miocardici
      Per l'analisi manuale: selezione della fase cardiaca
      1. Poiché l'apnea può contenere più di 400 immagini, analizzare solo una singola fase di ogni ciclo cardiaco. Di conseguenza, focalizzare l'analisi sulle immagini telesistoliche di ciascun ciclo cardiaco.
      2. Identificare le immagini telesistoliche di ciascun ciclo cardiaco.
      3. Disegna i contorni dell'epicardio e dell'endocardio attorno al miocardio.
      4. Finestra l'immagine per cercare artefatti, che appariranno come aree scure (suscettibilità) o luminose a causa di uno scarso gating nel miocardio.
         NOTA: Evitare di includere pixel con effetti di volume parziali dai pool di sangue ventricolare sinistro e destro. La maggior parte degli errori di contouring si verifica dal contorno endocardico, compresi i pixel con effetti di volume parziale e la conseguente intensità del segnale artificialmente elevata dal pool sanguigno ventricolare sinistro. Per evitare ciò, disegna il contorno endocardico di un pixel intero all'interno del miocardio. Allo stesso modo, assicurarsi che il contorno epicardico sia un pixel intero all'interno del miocardio per evitare effetti di volume parziale dal pool sanguigno ventricolare destro, dal grasso epicardico o dall'interfaccia aria-polmone.
      5. Copia e incolla i contorni endocardici ed epicardici dalla prima immagine telesistolica del ciclo cardiaco all'immagine telesistolica del ciclo cardiaco successivo. Regolare i contorni in base alle esigenze.
         Per l'analisi automatizzata:
         NOTA: Con le funzionalità di contouring automatizzato, se lo si desidera, tutte le fasi del ciclo cardiaco possono essere modellate e analizzate.
      6. Controllare tutte le immagini per garantire un contorno accurato.
         NOTA: alcune funzionalità di contornatura automatizzata disponibili in commercio sono state addestrate su set di dati che sono stati sagomati per l'analisi volumetrica. Questi contorni sono soggetti a effetti di volume parziale in quanto hanno lo scopo di delimitare il pool sanguigno e il miocardio. I contorni OS-CMR devono essere completamente all'interno del miocardio.

7. Segmentazione per l'analisi regionale

1. Per ottenere informazioni regionali, identificare l'inserzione anterosettale e inferosettale del ventricolo destro per dividere il miocardio nella segmentazione dell'American Heart Association (AHA)⁴².

8. Calcolo di B-MORE

1. Esprimere B-MORE come variazione percentuale dell'intensità del segnale dal basale alla vasodilatazione (vedi equazione 1):
   (1)
2. Calcolare il B-MORE globale come l'intensità media globale del segnale miocardico delle immagini telesistoliche a 30 s rispetto a 0 s della apnea⁸ (vedi equazione 2):
   (2)

Interpretariato B-MORE
In studi pubblicati in precedenza che utilizzavano OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva, il B-MORE globale o regionale è stato calcolato confrontando la prima immagine telesistolica della trattenuta con l'immagine telesistolica più vicina a 15 s, 30 s, 45 s, ecc. della apnea. La fase telesistolica del ciclo cardiaco è stata scelta per diversi motivi. L'immagine telesistolica è la fase più consistente identificata tra i lettori: contiene il maggior numero di pixel nel miocardio, normalmente si verifica all'incirca allo stesso tempo di attivazione indipendentemente dalla frequenza cardiaca del partecipante ed è sempre presente nell'acquisizione (mentre la diastole terminale potrebbe non essere mostrata nelle immagini prospettiche durante una apnea in cui la frequenza cardiaca può cambiare).

Da un punto di vista fisiologico, i punti temporali 0 s e 30 s dell'apnea sono stati scelti specificamente per i seguenti motivi. Il tempo 0 s (o la prima immagine telesistolica dell'apnea) è una valutazione dell'intensità del segnale dopo un periodo di "stress" (60 s di iperventilazione) e, quindi, il punto di massima vasocostrizione. Tradotto in intensità del segnale, questo rappresenta una diminuzione del flusso sanguigno miocardico senza aumento della domanda, con conseguente aumento locale della concentrazione di deossiemoglobina e una diminuzione dell'intensità del segnale rispetto al basale. Durante l'apnea, l'intensità del segnale aumenta con la vasodilatazione mediata dall'anidride carbonica, aumentando efficacemente il flusso sanguigno miocardico nel contesto di nessun aumento della domanda locale. Al punto temporale di ~15 s dell'apnea, la curva di intensità del segnale inizia a stabilizzarsi a ^4,8. Pertanto, l'apnea minima teorica richiesta per l'analisi OS-CMR è di 15 s (o due cicli cardiaci acquisiti per valutare la differenza tra due punti dati). Tuttavia, è stato dimostrato che il punto di tempo di 30 secondi dell'apnea è più robusto ed è, quindi, considerato la vera lunghezza minima richiesta per l'apnea.

Dopo il calcolo del B-MORE globale (confronto tra 30 s e 0 s di apnea), questi dati possono essere visualizzati visivamente e quantitativamente. Quantitativamente, i valori globali di B-MORE sono stati confrontati tra volontari sani e pazienti con OSAS, CAD, INOCA e HFpEF, nonché dopo trapianto di cuore 12,13,14,15,16 (Tabella 4). Visivamente, è possibile generare mappe di sovrapposizione di colori pixel per pixel per aumentare le misurazioni quantitative nella valutazione dell'ossigenazione miocardica (Figura 1).

Figura 1: Riserva di ossigenazione miocardica visualizzata con una mappa di intensità del segnale per valutare l'ossigenazione tissutale globale e/o regionale ottenuta con OS-CMR e manovre di respirazione vasoattiva. (A) L'ossigenazione miocardica globale è mantenuta in un volontario sano; (B) una diminuzione dell'ossigenazione miocardica regionale in un paziente con stenosi discendente anteriore sinistra (occlusione al 100% all'angiografia coronarica quantitativa); (C) una riduzione globale dell'ossigenazione miocardica in un paziente con insufficienza cardiaca. La barra dei colori fornisce una rappresentazione visiva dell'ossigenazione miocardica, con il nero/blu che rappresenta compromessa e il verde che rappresenta una sana risposta all'ossigenazione miocardica. Abbreviazioni: OS-CMR = risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione; LAD = anteriore sinistro discendente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Rappresentazione visiva di una scansione OS-CMR completa con manovre di respirazione vasoattiva. (A) Le acquisizioni standard di una risonanza magnetica cardiaca, inclusi localizzatori, immagini della funzione cine dell'asse corto e lungo e immagini di caratterizzazione tissutale (come la mappatura T1 e/o T2). (B) Le prestazioni, gli effetti fisiologici, l'acquisizione e i cambiamenti nell'intensità del segnale di risonanza magnetica durante la manovra di respirazione vasoattiva. Abbreviazioni: OS-CMR = risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione; DeoxyHb = deossiemoglobina. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Effetti collaterali riportati di sottoporsi a una risonanza magnetica cardiaca e all'esecuzione di manovre di respirazione vasoattiva. I dati riportati sono stati raccolti da studi condotti presso il McGill University Health Centre su oltre 300 partecipanti (dati non pubblicati raccolti presso l'Istituto di ricerca del McGill University Health Centre).

Tabella 2: Differenze di parametro tra SSFP bilanciato e sequenza SSFP modificata (BOLD) a 3 Tesla e 1,5 Tesla. Abbreviazioni: SSFP = stato stazionario, precessione libera; bSSFP = SSFP bilanciato; mSSFP = SSFP modificato; OS = sensibile all'ossigeno; BOLD = dipendente dal livello di ossigeno nel sangue.

Tabella 3: Parametri di sequenza OS-CMR modificabili e non modificabili durante l'acquisizione dell'immagine. Abbreviazioni: OS-CMR = risonanza magnetica cardiaca sensibile all'ossigenazione; ECG = elettrocardiografia; TE = tempo di eco; TR = tempo di ripetizione.

Tabella 4: Valori della riserva di ossigenazione miocardica indotta dalla respirazione globale (B-MORE) da studi pubblicati in precedenza che utilizzano OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva 12,13,14,15,16. I valori di B-MORE sono rappresentati come media ± deviazione standard. *valore p per il confronto B-MORE. Abbreviazioni: B-MORE = riserva di ossigenazione miocardica indotta dalla respirazione; CAD = malattia coronarica; HFpEF = insufficienza cardiaca con frazione di eiezione conservata; INOCA = ischemia senza stenosi ostruttiva dell'arteria coronaria; OSAS = sindrome delle apnee ostruttive del sonno.

File supplementare 1: file .mp3 preregistrato che guida il paziente attraverso la manovra di respirazione vasoattiva. Fare clic qui per scaricare il file.

Video supplementare S1: Video di manovra di respirazione istruttiva. Clicca qui per scaricare questo video.

L'aggiunta di un'acquisizione OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva standardizzate a un protocollo di ricerca o di risonanza magnetica clinica già consolidato aggiunge poco tempo alla scansione complessiva. Con questa breve aggiunta, è possibile ottenere informazioni sulla funzione macro e microvascolare sottostante (Figura 2). Un'importante conseguenza della disfunzione endoteliale è l'incapacità del sistema vascolare di rispondere agli stimoli fisiologici, come inizialmente dimostrato attraverso un anormale rilassamento mediato dal flusso nel cuore⁴³. L'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva endoteliale-dipendente consente il monitoraggio diretto dell'ossigenazione miocardica durante le manovre di respirazione vasoattiva ed evita la necessità di agenti di contrasto esogeni e agenti farmacologici di stress vasoattivo. L'iperventilazione e l'apnea innescano una risposta vascolare riproducibile e misurabile attraverso l'endotelio e possono, quindi, fornire un modello più fisiologico rispetto ad altri metodi per valutare la funzione microvascolare.

I risultati degli studi che utilizzano OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva hanno fornito importanti contributi alla comprensione della fisiopatologia sottostante in pazienti con condizioni ischemiche senza stenosi esplicativa dell'arteria coronarica, in particolare INOCA, HFpEF e infiammazione (ad esempio, dopo trapianto cardiaco). La potenziale aggiunta di OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva standardizzate per identificare i pazienti che presentano dolore toracico ischemico come affetti da disfunzione microvascolare esplicativa o al work-up clinico di pazienti HFpEF e trapiantati cardiaci migliorerebbe significativamente il processo decisionale clinico in queste popolazioni di pazienti⁴⁴.

Quando si esegue l'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva, ci sono alcuni aspetti da cercare nell'esecuzione delle manovre respiratorie da parte dei partecipanti e nelle immagini. Comunemente, i partecipanti cercano di tenere il passo con il ritmo del metronomo (30 respiri/min) e non inspirano profondamente. È più importante respirare profondamente che mantenere il ritmo di 30 respiri/min (ad esempio, la "respirazione di pancia" è più efficace della respirazione toracica superficiale). Nei partecipanti sani, si prevede che la frequenza cardiaca aumenti di ~20 battiti/min durante l'iperventilazione. I pazienti partecipanti tendono ad avere un aumento della frequenza cardiaca di 5-10 battiti/min⁴⁵. Alcuni partecipanti potrebbero essere tentati di inspirare un po' per aumentare il tempo di apnea. Pertanto, i pazienti devono essere informati che il test perderà la sua accuratezza diagnostica se il protocollo non viene seguito attentamente e che qualsiasi piccolo respiro terminerà il test.

Se la posizione di una fetta è troppo basale (vicino al piano valvolare), i tratti di efflusso potrebbero non consentire di differenziare il ventricolo sinistro dal ventricolo sinistro o potrebbero trovarsi nel tratto di efflusso ventricolare sinistro a causa del movimento del piano passante e avrebbero un impatto sulla capacità di analizzare le immagini. Se una fetta è troppo apicale, le immagini potrebbero non essere perpendicolari alla parete ventricolare e, quindi, potrebbero contenere sangue o tessuto paracardiaco e compromettere la valutazione. Inoltre, se una fetta è troppo apicale, ci sono significativamente meno pixel di vero miocardio, aumentando il rischio di includere pixel con effetti di volume parziale nell'analisi.

Compromissione globale dell'ossigenazione miocardica
L'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva ha precedentemente dimostrato una ridotta riserva globale di ossigenazione miocardica nei pazienti con OSA e HFpEF e nei pazienti sottoposti a trapianto cardiaco^12,14,16. La scoperta di una riduzione globale di B-MORE nei pazienti con HFpEF è in conflitto con i risultati di uno studio precedente che dimostrava una compromissione della perfusione miocardica ma ha mantenuto l'ossigenazione miocardica nei pazienti con HF⁴⁶ non ischemico. Tuttavia, gli studi precedenti utilizzavano l'adenosina, un vasodilatatore endoteliale indipendente, come agente di stress. Pertanto, la disfunzione microvascolare endoteliale dipendente e il potenziale impatto sull'ossigenazione miocardica non sono stati studiati. La presenza o l'assenza di disfunzione endoteliale nei pazienti con scompenso cardiaco cronico ha importanti implicazioni cliniche, in quanto la gravità della disfunzione endoteliale può non solo determinare la presentazione clinica, ma anche avere valore prognostico rispetto al futuro ricovero, al trapianto cardiaco o alla morte^34,47.

La presenza di una marcata riduzione globale di B-MORE nei pazienti sottoposti a trapianto cardiaco, sia con che senza vasculopatia da allotrapianto cardiaco rispetto ai controlli sani, è un risultato importante per far luce sulla fisiopatologia sottostante e sulla tempistica e riduzione dei test di follow-up invasivi e ha implicazioni prognostiche. La riduzione di B-MORE nei pazienti sottoposti a trapianto cardiaco con e senza vasculopatia da allotrapianto cardiaco è probabilmente il risultato di una diminuita vasoreattività coronarica. Questa spiegazione è inoltre supportata dall'associazione di un'ulteriore compromissione di B-MORE con la gravità della vasculopatia cardiaca da allotrapianto¹⁴. Poiché lo screening annuale per la disfunzione microvascolare con angiografia coronarica invasiva è raccomandato nei pazienti dopo trapianto cardiaco⁴⁸, la capacità dell'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva di identificare e monitorare la gravità della disfunzione microvascolare in questa popolazione di pazienti può fornire una metodologia di screening alternativa non invasiva e senza ago.

Compromissione regionale dell'ossigenazione miocardica
In molti centri, il 50%-70% dei pazienti sottoposti ad angiografia coronarica invasiva non presenta una stenosi coronarica ostruttiva significativa, richiedendo una tecnica di imaging non invasiva sia per identificare l'INOCA che per fornire informazioni prognostiche sugli esiti cardiovascolari in questa popolazione di pazienti non ben compresa. La valutazione clinica dei pazienti con INOCA ha storicamente applicato i test di reattività coronarica, inclusa la misurazione dell'indice di resistenza microcircolatoria durante l'angiografia coronarica invasiva^25,26. Tuttavia, questo metodo è limitato dalla sua invasività, dalla mancanza di riproducibilità e dal costo. Inoltre, l'angiografia invasiva non valuta il livello dell'effetto fisiopatologico critico a valle, cioè l'effetto sull'ossigenazione miocardica. Recentemente, l'OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva in donne con INOCA ha dimostrato risultati intriganti. Mentre non c'è stata alcuna compromissione del B-MORE globale rispetto ai controlli sani di pari età, la risposta vascolare coronarica, definita da un cambiamento nell'ossigenazione miocardica, ha mostrato un modello eterogeneo di risposta all'ossigenazione alterata rispetto a quella dei soggetti sani di pari età¹⁵.

Le variazioni regionali osservate nella funzione endoteliale e nell'ossigenazione miocardica nei pazienti con dolore toracico e INOCA forniscono un'importante comprensione della fisiologia della disfunzione microvascolare in questa popolazione di pazienti. Le variazioni regionali nell'ossigenazione miocardica potrebbero potenzialmente essere mediate da anomalie locali nei fattori di rilassamento di derivazione endoteliale, stimoli neurali anomali al microcircolo coronarico con conseguente regionalità del flusso e dell'ossigenazione, o un furto vascolare coronarico⁴⁹. Una spiegazione alternativa di questi risultati potrebbe essere l'eterogeneità delle eziologie alla base di INOCA⁵⁰. La visualizzazione dello stato di ossigenazione tissutale e la sua eterogeneità regionale mediante mappe acquisite mediante OS-CMR con manovre respiratorie suggeriscono che questa metodologia potrebbe svolgere un ruolo importante in un esame più diretto e completo della funzione vascolare miocardica regionale in questi pazienti al di là di una misura globale semplificata di perfusione o ossigenazione.

Limitazioni
Permangono alcuni limiti della metodologia. Da un punto di vista fisiologico, l'utilizzo dell'effetto BOLD per fare inferenze sull'ossigenazione dei tessuti richiede la considerazione di altre variabili poiché l'intensità del segnale OS-CMR è influenzata anche dall'afflusso di sangue e dal volume sanguigno ^2,51. Fortunatamente, però, gli effetti sull'intensità del segnale sono sinergici e fisiologicamente collegati (la vasodilatazione coronarica indotta aumenta contemporaneamente il flusso sanguigno, il volume sanguigno e l'ossigenazione del sangue). Il potenziale bias di questi fattori confondenti è, quindi, sistematico e unidirezionale, con scarsa rilevanza nella valutazione della funzione microvascolare. Altri fattori correlati al sangue (emoglobina, ematocrito) e all'intensità del campo sono stati identificati come potenziali fattori confondenti nell'interpretazione e nell'analisi delle immagini OS-CMR^51,52 e dovranno essere presi in considerazione se significativamente anormali. Per affrontare questi fattori, nuovi biomarcatori derivati dalla risposta all'intensità del segnale OS-CMR possono controllare o ridurre al minimo gli effetti confondenti dello stato emodiluitivo e dell'ematocrito, ad esempio, normalizzando la risposta dell'intensità del segnale al pool sanguigno ventricolare sinistro o destro di ciascun partecipante.

Fino a poco tempo fa, la valutazione dei dati OS-MR richiedeva laboriose annotazioni, segmentazioni e analisi manuali. Sono in fase di sviluppo strumenti di post-elaborazione di facile utilizzo per l'analisi automatizzata o semiautomatica di set di dati dinamici OS-CMR⁵³. Infine, mancano valori normali basati sulla popolazione e studi clinici che confrontino i risultati dell'OS-CMR con le misurazioni invasive della disfunzione microvascolare, nonché i dati sulla prognosi, l'efficienza dei costi e l'impatto del suo uso sugli esiti clinici.

Conclusione
Il monitoraggio non invasivo dei cambiamenti dinamici regionali o globali nell'ossigenazione miocardica mediante OS-CMR con manovre di respirazione vasoattiva fornisce informazioni uniche e clinicamente significative sulla funzione vascolare coronarica e può svolgere un ruolo particolarmente importante nei pazienti con disfunzione microvascolare. Ulteriori studi clinici devono essere eseguiti per indagare la sua utilità clinica in varie popolazioni di pazienti.

MGF è elencato come titolare del brevetto degli Stati Uniti n. 14/419,877: Inducendo e misurando i cambiamenti di ossigenazione miocardica come indicatore per la malattia cardiaca; Brevetto degli Stati Uniti n. 15/483,712: misurazione dei cambiamenti di ossigenazione nei tessuti come marcatore della funzione vascolare; Brevetto degli Stati Uniti n. 10.653.394: Misurazione dei cambiamenti di ossigenazione nei tessuti come marcatore della funzione vascolare - continuazione; e brevetto canadese CA2020/051776: metodo e apparato per la determinazione di biomarcatori della funzione vascolare utilizzando immagini CMR in grassetto. EH è elencato come titolare del brevetto internazionale CA2020/051776: Metodo e apparato per la determinazione di biomarcatori della funzione vascolare utilizzando immagini CMR in grassetto.

Questo documento e la revisione della metodologia sono stati resi possibili dall'intero team del Courtois CMR Research Group presso il McGill University Health Centre. Un ringraziamento speciale alle nostre tecnologhe di risonanza magnetica Maggie Leo e Sylvie Gelineau per la scansione dei nostri partecipanti e il feedback su questo manoscritto.

This corrects the article 10.3791/64149