Mapping of local electronic properties in nanostructured CMR thin films by Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Local Conductance Map (LCMAP)

We have investigated the local electronic properties and the spatially resolved magnetoresistance of a nanostructured film of a colossal magnetoresistive (CMR) material by local conductance mapping (LCMAP) using a variable temperature Scanning Tunneling Microscope (STM) operating in a magnetic field. The nanostructured thin films (thickness ≈500nm) of the CMR material La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) on quartz substrates were prepared using chemical solution deposition (CSD) process. The CSD grown films were imaged by both STM and atomic force microscopy (AFM). Due to the presence of a large number of grain boundaries (GB's), these films show low field magnetoresistance (LFMR) which increases at lower temperatures. The measurement of spatially resolved electronic properties reveal the extent of variation of the density of states (DOS) at and close to the Fermi level (EF) across the grain boundaries and its role in the electrical resistance of the GB. Measurement of the local conductance maps (LCMAP) as a function of magnetic field as well as temperature reveals that the LFMR occurs at the GB. While it was known that LFMR in CMR films originates from the GB, this is the first investigation that maps the local electronic properties at a GB in a magnetic field and traces the origin of LFMR at the GB.

Cost evaluation and comparison of three decision strategies for cardiac revascularization : results of the suspected CAD protocol of the European CMR registry

Background: The public health burden of coronary artery disease (CAD) is important. Perfusion cardiac magnetic resonance (CMR) is generally accepted to detect and monitor CAD. Few studies have so far addressed its costs and costeffectiveness. Objectives: To compare in a large CMR registry the costs of a CMR-guided strategy vs two hypothetical invasive strategies for the diagnosis and the treatment of patients with suspected CAD. Methods: In 3'647 patients with suspected CAD included prospectively in the EuroCMR Registry (59 centers; 18 countries) costs were calculated for diagnostic examinations, revascularizations as well as for complication management over a 1-year follow-up. Patients with ischemia-positive CMR underwent an invasive X-ray coronary angiography (CXA) and revascularization at the discretion of the treating physician (=CMR+CXA strategy). Ischemia was found in 20.9% of patients and 17.4% of them were revascularized. In ischemia-negative patients by CMR, cardiac death and non-fatal myocardial infarctions occurred in 0.38%/y. In a hypothetical invasive arm the costs were calculated for an initial CXA followed by FFR testing in vessels with ≥50% diameter stenoses (=CXA+FFR strategy). To model this hypothetical arm, the same proportion of ischemic patients and outcome was assumed as for the CMR+CXA strategy. The coronary stenosis - FFR relationship reported in the literature was used to derive the proportion of patients with ≥50% diameter stenoses (Psten) in the study cohort. The costs of a CXA-only strategy were also calculated. Calculations were performed from a third payer perspective for the German, UK, Swiss, and US healthcare systems.

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Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance imaging (OS-CMR) : potential confounding factors in use of OS-CMR

La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR.

Fiber architecture in remodeled myocardium revealed with a quantitative diffusion CMR tractography framework and histological validation

Background: The study of myofiber reorganization in the remote zone after myocardial infarction has been performed in 2D. Microstructural reorganization in remodeled hearts, however, can only be fully appreciated by considering myofibers as continuous 3D entities. The aim of this study was therefore to develop a technique for quantitative 3D diffusion CMR tractography of the heart, and to apply this method to quantify fiber architecture in the remote zone of remodeled hearts. Methods: Diffusion Tensor CMR of normal human, sheep, and rat hearts, as well as infarcted sheep hearts was performed ex vivo. Fiber tracts were generated with a fourth-order Runge-Kutta integration technique and classified statistically by the median, mean, maximum, or minimum helix angle (HA) along the tract. An index of tract coherence was derived from the relationship between these HA statistics. Histological validation was performed using phase-contrast microscopy. Results: In normal hearts, the subendocardial and subepicardial myofibers had a positive and negative HA, respectively, forming a symmetric distribution around the midmyocardium. However, in the remote zone of the infarcted hearts, a significant positive shift in HA was observed. The ratio between negative and positive HA variance was reduced from 0.96 +/- 0.16 in normal hearts to 0.22 +/- 0.08 in the remote zone of the remodeled hearts (p<0.05). This was confirmed histologically by the reduction of HA in the subepicardium from -52.03 degrees +/- 2.94 degrees in normal hearts to -37.48 degrees +/- 4.05 degrees in the remote zone of the remodeled hearts (p < 0.05). Conclusions: A significant reorganization of the 3D fiber continuum is observed in the remote zone of remodeled hearts. The positive (rightward) shift in HA in the remote zone is greatest in the subepicardium, but involves all layers of the myocardium. Tractography-based quantification, performed here for the first time in remodeled hearts, may provide a framework for assessing regional changes in the left ventricle following infarction.

CMR imaging predicts death and other adverse events in suspected cardiac sarcoidosis

OBJECTIVES This study aimed to demonstrate that the presence of late gadolinium enhancement (LGE) is a predictor of death and other adverse events in patients with suspected cardiac sarcoidosis. BACKGROUND Cardiac sarcoidosis is the most important cause of patient mortality in systemic sarcoidosis, yielding a 5-year mortality rate between 25% and 66% despite immunosuppressive treatment. Other groups have shown that LGE may hold promise in predicting future adverse events in this patient group. METHODS We included 155 consecutive patients with systemic sarcoidosis who underwent cardiac magnetic resonance (CMR) for workup of suspected cardiac sarcoid involvement. The median follow-up time was 2.6 years. Primary endpoints were death, aborted sudden cardiac death, and appropriate implantable cardioverter-defibrillator (ICD) discharge. Secondary endpoints were ventricular tachycardia (VT) and nonsustained VT. RESULTS LGE was present in 39 patients (25.5%). The presence of LGE yields a Cox hazard ratio (HR) of 31.6 for death, aborted sudden cardiac death, or appropriate ICD discharge, and of 33.9 for any event. This is superior to functional or clinical parameters such as left ventricular (LV) ejection fraction (EF), LV end-diastolic volume, or presentation as heart failure, yielding HRs between 0.99 (per % increase LVEF) and 1.004 (presentation as heart failure), and between 0.94 and 1.2 for potentially lethal or other adverse events, respectively. Except for 1 patient dying from pulmonary infection, no patient without LGE died or experienced any event during follow-up, even if the LV was enlarged and the LVEF severely impaired. CONCLUSIONS Among our population of sarcoid patients with nonspecific symptoms, the presence of myocardial scar indicated by LGE was the best independent predictor of potentially lethal events, as well as other adverse events, yielding a Cox HR of 31.6 and of 33.9, respectively. These data support the necessity for future large, longitudinal follow-up studies to definitely establish LGE as an independent predictor of cardiac death in sarcoidosis, as well as to evaluate the incremental prognostic value of additional parameters.

Novel Approaches to Myocardial Perfusion: 3D First-Pass CMR Perfusion Imaging and Oxygenation-Sensitive

This article reviews technical aspects and the current status of novel cardiovascular magnetic resonance (CMR) approaches to assessing myocardial perfusion, specifically oxygenation-sensitive magnetic resonance imaging, comparing their diagnostic targets and clinical role with those of other imaging approaches. The paper includes discussions of relevant pathophysiological aspects of myocardial ischemia and the clinical context of revascularization in patients with suspected or known coronary artery disease. Research using oxygenation-sensitive CMR may play an important role for a better understanding of the interplay of coronary artery stenosis, blood flow reduction, and their impact on actual myocardial ischemia.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.

Assessing microvascular function with breathing maneuvers : an oxygenation-sensitive CMR study

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale.

Association of myocardial T1-mapping CMR with hemodynamics and RV performance in pulmonary hypertension

Early detection of right ventricular (RV) involvement in chronic pulmonary hypertension (PH) is essential due to prognostic implications. T1 mapping by cardiac magnetic resonance (CMR) has emerged as a noninvasive technique for extracellular volume fraction (ECV) quantification. We assessed the association of myocardial native T1 time and equilibrium contrast ECV (Eq-ECV) at the RV insertion points with pulmonary hemodynamics and RV performance in an experimental model of chronic PH. Right heart catheterization followed by immediate CMR was performed on 38 pigs with chronic PH (generated by surgical pulmonary vein banding) and 6 sham-operated controls. Native T1 and Eq-ECV values at the RV insertion points were both significantly higher in banded animals than in controls and showed significant correlation with pulmonary hemodynamics, RV arterial coupling, and RV performance. Eq-ECV values also increased before overt RV systolic dysfunction, offering potential for the early detection of myocardial involvement in chronic PH.