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.

Relationship of vasodilator-induced changes in myocardial oxygenation with the severity of coronary artery stenosis: a study using oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance

Aims To explore the impact of the functional severity of coronary artery stenosis on changes in myocardial oxygenation during pharmacological vasodilation, using oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance (OS-CMR) imaging and invasive fractional flow reserve (FFR). An FFR is considered a standard of reference for assessing haemodynamic relevance of coronary artery stenosis; yet, the relationship of FFR to changes in myocardial oxygenation during vasodilator stress and thus to an objective marker for ischaemia on the tissue level is not well understood. Methods and results We prospectively recruited 64 patients with suspected/known coronary artery disease undergoing invasive angiography. The FFR was performed in intermediate coronary artery stenosis. OS-CMR images were acquired using a T2*-sensitive sequence before and after adenosine-induced vasodilation, with myocardial segments matched to angiography. Very strict image quality criteria were defined to ensure the validity of results. The FFR was performed in 37 patients. Because of the strict image quality criteria, 41% of segments had to be excluded, leaving 29/64 patients for the blinded OS-CMR analysis. Coronary territories with an associated FFR of <0.80 showed a lack of increase in myocardial oxygenation [mean signal intensity (ΔSI) −0.49%; 95% confidence interval (CI) −3.78 to 2.78 vs. +7.30%; 95% CI 4.08 to 10.64; P < 0.001]. An FFR of <0.54 best predicted a complete lack of a vasodilator-induced oxygenation increase (sensitivity 71% and specificity 75%). An OS-CMR ΔSI <4.78% identified an FFR of <0.8 with a sensitivity of 86% and specificity of 92%. Conclusion An FFR of <0.80 is associated with a lack of an adenosine-inducible increase in oxygenation of the dependent coronary territory, while a complete lack of such an increase was best predicted by an FFR of <0.54. Further studies are warranted to identify clinically meaningful cut-off values for FFR measurements and to assess the utility of OS-CMR as an alternative clinical tool for assessing the functional relevance of coronary artery stenosis.

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.

Reproducibility of free-breathing cardiovascular magnetic resonance coronary angiography.

OBJECTIVE: Contemporary free-breathing non contrast enhanced cardiovascular magnetic resonance angiography (CMRA) was qualitatively and quantitatively evaluated to ascertain the reproducibility of the method for coronary artery luminal dimension measurements. SUBJECTS AND METHODS: Twenty-two healthy volunteers (mean age 32 +/- 7 years, 12 males) without coronary artery disease were imaged at 2 centers (1 each in Europe and North America) using navigator-gated and corrected SSFP CMRA on a commercial whole body 1.5T System. Repeat images of right (RCA, n = 21), left anterior descending (LAD, n = 14) and left circumflex (LCX, n = 14) coronary arteries were obtained in separate sessions using identical scan protocol and imaging parameters. True visible vessel length, signal-to-noise (SNR), contrast-to-noise ratios (CNR) and the average luminal diameter over the first 4 cm of the vessel were measured. Intra-observer, inter-observer and inter-scan reproducibility of coronary artery luminal diameter were determined using Pearson's correlation, Bland-Altman analysis and intraclass correlation coefficients (ICC). RESULTS: CNR, SNR and the mean length of the RCA, LAD and LCX imaged for original and repeat scans were not significantly different (all p > 0.30). There was a high degree of intra-observer, inter-observer and inter-scan agreements for RCA, LAD and LCX luminal diameter respectively on Bland-Altman and ICC analysis (ICC's for RCA: 0.98. 0.98 and 0.86; LAD: 0.89, 0.89 and 0.63; LCX: 0.95, 0.94 and 0.79). CONCLUSION: In a 2-center study, we demonstrate that free-breathing 3D SSFP CMRA can visualize long continuous segments of coronary vessels with highly reproducible measurements of luminal diameter.

Breathing manoeuvre-dependent changes in myocardial oxygenation in healthy humans.

AIMS CO₂ is an intrinsic vasodilator for cerebral and myocardial blood vessels. Myocardial vasodilation without a parallel increase of the oxygen demand leads to changes in myocardial oxygenation. Because apnoea and hyperventilation modify blood CO₂, we hypothesized that voluntary breathing manoeuvres induce changes in myocardial oxygenation that can be measured by oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance (CMR). METHODS AND RESULTS Fourteen healthy volunteers were studied. Eight performed free long breath-hold as well as a 1- and 2-min hyperventilation, whereas six aquatic athletes were studied during a 60-s breath-hold and a free long breath-hold. Signal intensity (SI) changes in T₂*-weighted, steady-state free precession, gradient echo images at 1.5 T were monitored during breathing manoeuvres and compared with changes in capillary blood gases. Breath-holds lasted for 35, 58 and 117 s, and hyperventilation for 60 and 120 s. As expected, capillary pCO₂ decreased significantly during hyperventilation. Capillary pO₂ decreased significantly during the 117-s breath-hold. The breath-holds led to a SI decrease (deoxygenation) in the left ventricular blood pool, while the SI of the myocardium increased by 8.2% (P = 0.04), consistent with an increase in myocardial oxygenation. In contrast, hyperventilation for 120 s, however, resulted in a significant 7.5% decrease in myocardial SI/oxygenation (P = 0.02). Change in capillary pCO₂ was the only independently correlated variable predicting myocardial oxygenation changes during breathing manoeuvres (r = 0.58, P < 0.01). CONCLUSION In healthy individuals, breathing manoeuvres lead to changes in myocardial oxygenation, which appear to be mediated by CO₂. These changes can be monitored in vivo by oxygenation-sensitive CMR and thus, may have value as a diagnostic tool.

Hyperoxia Exacerbates Myocardial Ischemia in the Presence of Acute Coronary Artery Stenosis in Swine.

BACKGROUND Current guidelines limit the use of high oxygen tension after return of spontaneous circulation after cardiac arrest, focusing on neurological outcome and mortality. Little is known about the impact of hyperoxia on the ischemic heart. Oxygen is frequently administered and is generally expected to be beneficial. This study seeks to assess the effects of hyperoxia on myocardia oxygenation in the presence of severe coronary artery stenosis in swine. METHODS AND RESULTS In 22 healthy pigs, we surgically attached a magnetic resonance compatible flow probe to the left anterior descending coronary artery (LAD). In 11 pigs, a hydraulic occluder was inflated distal to the flow probe. After increasing PaO2 to >300 mm Hg, LAD flow decreased in all animals. In 8 stenosed animals with a mean fractional flow reserve of 0.64±0.02, hyperoxia resulted in a significant decrease of myocardial signal intensity in oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance images of the midapical segments of the LAD territory. This was not seen in remote myocardium or in the other 8 healthy animals. The decreased signal intensity was accompanied by a decrease in circumferential strain in the same segments. Furthermore, ejection fraction, cardiac output, and oxygen extraction ratio declined in these animals. Changing PaCO2 levels did not have a significant effect on any of the parameters; however, hypercapnia seemed to nonsignificantly attenuate the hyperoxia-induced changes. CONCLUSIONS Ventilation-induced hyperoxia may decrease myocardial oxygenation and lead to ischemia in myocardium subject to severe coronary artery stenosis.

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.