Novel approaches to cardiac magnetic resonance postprocessing: pressure gradients across aortic coarctation and flow kinetic energy within the ventricles

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013A forma como o sangue flui dentro do corpo humano tem sido desde há muito tempo um assunto de interesse para a comunidade médico-científica. No entanto, devido aos recursos limitados é também um dos aspectos fisiológicos menos entendidos ao nível cardiovascular. Na actualidade, a introdução de novas técnicas de imagiologia, como a ultra-sonografia de Doppler ou a ressonância magnética de contraste de fase em tempo real (4D PC-MRI), tem permitido uma evolução significativa na aquisição, traduzida num muito maior nível de detalhe na sua visualização e quantificação. Esta evolução é suportada por um crescente número de investigações com maior profundidade ao nível do fluxo sanguíneo. Actualmente, com o cálculo da Angiografia Cardiovascular por Ressonância Magnética (PC-MRA) calculado a partir da imagem de PC-MRI adquirida, já é possível medir o fluxo do sangue e velocidade com resultados muito aceitáveis. No entanto, ainda existem alguns parâmetros menos explorados ao nível do fluxo sanguíneo. Dois destes parâmetros formam a base desta dissertação de mestrado: o cálculo do gradiente de pressão no caso de uma estenose na artéria aorta; a visualização e quantificação da energia cinética, ao longo do ciclo cardíaco, do fluxo sanguíneo no interior de ventrículos saudáveis e com patologias. Dado que que estes parâmetros ainda não estão muito estudados e que para a obtenção destas medidas é necessário o uso programas de processamento de imagens de ressonância magnética cardiovascular (CMR), o primeiro grande objectivo deste projecto foi estabelecer colaborações com programadores destes programas e ajudar a aperfeiçoá-los. Tal passo tinha por objectivo a familiarização e principalmente o desenvolvimento dos programas por forma a ser possível executar as medições pretendidas, identificando e solucionando problemas devidos a processos físicos relacionados com a aquisição, erros de implementação do programa ou no tratamento das imagens. Após os programas serem melhorados, prosseguiu-se para os objectivos principais deste projecto. O estudo do gradiente de pressão através de uma estenose na aorta apresentava como aliciante o facto de comparar esta técnica totalmente não invasiva com a técnica que é prática corrente em ambiente clinico: o cateterismo cardíaco, técnica invasiva de diagnóstico e tratamento. Ora, está estabelecido que apenas se efectua a colocação de um stent (através de cateterização) numa estenose aórtica quando o gradiente de pressão através da estenose é superior a 20mmHg. Assim sendo, muitas vezes é usada a cateterização apenas com fim de diagnosticar, pois nem sempre o gradiente é superior ao requerido clinicamente para indicação de cirurgia. Assim sendo este estudo tem como objectivo comparar os valores de pressão obtidos de forma invasiva, com os calculados com base nas imagens PC-MRA, resolvendo a equação de pressão de Poisson. Treze pacientes (na faixa etária de 13 a 52 anos, n = 7 masculino, n = 6 do sexo feminino) com estenose na aorta foram estudados por CMR antes de se submeterem a um cateterismo cardíaco. Campos de pressão relativos foram calculados a partir da imagem de PC-MRI. Um campo de pressão absoluta ao longo de todo a aorta segmentada foi obtido pela adição da pressão relativa de cada voxel a um valor absoluto conhecido numa região predefinida da aorta. O valor absoluto foi obtido quer por cateterização (pressões dinâmicas) quer por métodos CMR baseados em medições de pressão no braço direito (pressões estáticas) equivalentes às da aorta ascendente. Seguidamente foram comparados as pressões resultantes destes dois métodos em cinco locais de medição ao longo da aorta. Para melhor interpretação dos resultados foi feita uma análise estatística. Em todos os 5 locais de medição estudados, os coeficientes de correlação entre as medidas variaram entre 0,86 e 0,97. O Teste de Bland-Altman demostrou boa concordância entre os gradientes de pressão de pico sistólica através da coarctação. As diferenças entre os métodos não foram significativas ( p > 0,2 ). Assim sendo, pode-se concluir com este estudo que em situações clinicas, campos de pressão podem ser calculados de forma precisa a partir de velocidades de fluxo derivados 4D- VEC - MRI. Esta técnica não-invasiva pode assim evoluir para uma alternativa ao diagnóstico com recurso à cateterização invasiva. Uma vez que num estudo anterior (Carlsson et al.) foi estudada a evolução da energia cinética no interior de ventrículos saudáveis ao longo de um ciclo cardíaco, este estudo tem como objectivo primário desenvolver um procedimento cujos resultados sejam coerentes com os de Carlsson et al.. Em seguida, pretende também oferecer uma primeira comparação visual e quantitativa entre as energias cinéticas ventriculares de voluntários saudáveis versus pacientes com regurgitação numa válvula cardíaca (válvula mitral no caso de se considerar o ventrículo esquerdo antes e após intervenção, e válvula pulmonar no caso de se considerar o ventrículo direito antes de intervenção). A segmentação 3D semiautomática do lúmen ventricular foi feita para cada intervalo temporal do ciclo cardíaco. Desta resultou uma máscara do respectivo ventrículo em movimento durante um ciclo cardíaco. Simultaneamente foi calculado o PC-MRA contendo a informação das velocidades do fluxo sanguíneo. Para calcular e visualizar a energia cinética per cada intervalo temporal foi desenvolvido um módulo num software de programação cujo algoritmo combina os dados de fluxo de PC-RM com uma máscara de ventrículo em movimento. Foram então comparados os gráficos e figuras obtidos entre ventrículos saudáveis e ventrículos com regurgitação valvular (quer para o ventrículo direito quer para o ventrículo esquerdo). Estes são os primeiros resultados obtidos pelo estudo da energia cinética ventricular, dado que este projecto ainda se encontra em desenvolvimento. Ainda assim pode-se comprovar que os resultados obtidos segundo esta metodologia são coerentes com os obtidos por Carlsson et al. (ao nível dos ventrículos saudáveis). Pode-se também comprovar que ventrículos com maior volume são mais propensos a apresentar relativamente maior energia cinética. Observou-se também que a energia cinética tende a ser mais elevada em locais em que existe mais turbulência e caminhos de fluxo de sangue não lineares como as válvulas cardíacas. Em conclusão, estas técnicas emergentes de análise de imagens cardiovasculares potenciam uma melhor compreensão do sistema cardiovascular. No futuro poderão permitir um melhor diagnóstico assim como um planeamento terapêutico personalizado de patologias cardiovasculares. Isto iria aumentar a taxa de sucesso e, por conseguinte, reduzir a principal causa patológica de mortes entre a população humana. De notar ainda que o estudo dos gradientes de pressão através da aorta resultou já num artigo que aguarda neste momento aprovação.The blood flow physiology is one of the less understood cardiovascular areas, due to limited resources available in the past. Nowadays, new cardiovascular imaging techniques, such as 4D phases contrast (PC-MRI) Cardiovascular Magnetic Resonance (CMR) are emerging, increasing the quality of flow visualization and quantification. Two of the less explored quantification parameters are the basis of this Master thesis project: Pressure differences across an aortic stenosis and visualization and quantification of the blood flow kinetic energy (KE) within the moving ventricles. To achieve this goal two postprocessing softwares were refined and applied. To study the pressure gradient across an aortic stenosis, thirteen patients were scanned CMR prior to catheterization. Relative pressure fields were computed from PC-MRI by solving the Pressure Poisson equation. Vessel pressure field map was obtained from each voxel differences to a defined reference location with known absolute pressure (from catheterization and from non-invasive arm pressure measurements). The agreement between these techniques was determined at five measurement sites along the aorta. To calculate and visualize the KE per time step an algorithm combined the PC-MRI flow data with a moving ventricle mask. Then the ventricle KE was plotted over the cardiac cycle. The KE was calculated within left ventricles (LV) with mitral regurgitation (MR), right ventricles (RV) with pulmonary regurgitation (PR) and healthy LV and RV. The respective curves and maps were compared. The kinetic energy study presents here the first results of a future larger project. The pressure gradient study results show that in a clinical setting of aortic coarctation, pressure fields can accurately be computed from PC-MRI. The KE study shows that, in regurgitations cases, KE tends to be higher than in healthy ventricles. This multi study project exemplifies how the use post-processing techniques can maximise the amount of information obtained non-invasively from the CMR