Further analysis on cardiovascular wall mechanics with MRI postprocessing approaches: wall shear stress in aorta with coarctation and myocardial systolic strain in the left ventricle

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016De acordo com os dados da Organização Mundial da Saúde de 2016, as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte a nível mundial. Quando não tratadas em tempo adequado ou simplesmente não tratadas, podem resultar, com uma grande probabilidade, em insuficiências cardíacas ou outras complicações irreversíveis. As duas doenças cardiovasculares congénitas estudadas neste trabalho são a coarctação aórtica (CoA), caracterizada por uma estenose na aorta, habitualmente na porção descendente da artéria, e a doença da válvula aórtica (AvD, sigla em inglês). Como mais de 50 000 intervenções são realizadas por ano na União Europeia, estas doenças têm um impacto socioeconómico significativo. Assim sendo, prognósticos adequados e tratamentos no período adequado são factores importantes que podem levar ao decréscimo no número das intervenções bem como reduzir a morbilidade e a mortalidade. Para tal, a área de imagiologia médica de diagnóstico é fundamental. A aquisição de imagens médicas, o posterior processamento e os parâmetros clínicos resultantes têm que ser avaliados com recurso a programas adequados, e os métodos de análise constantemente melhorados. De modo a permitir uma melhor intervenção ou reparação da coarctação aórtica e da doença da válvula aórtica, dois importantes parâmetros biomecânicos cardíacos são estudados neste trabalho. São eles a tensão de cisalhamento na parede aórtica (WSS, em inglês), que permite avaliar as condições do fluxo sanguíneo e o estado da parede dos vasos sanguíneos, e a deformação do miocárdio a nível do ventrículo esquerdo que, por sua vez, permite avaliar a contractilidade do ventrículo. No estudo da WSS nas aortas com estenose, 16 pacientes (idade média de 19 ± 11 anos, faixa etária 7 a 46 anos, 13 masculinos e 3 femininos) submeteram-se à ressonância magnética cardiovascular de contraste de fase em tempo real (4D PC MRI, em inglês) de modo a recolher imagens a nível da aorta e os respectivos padrões de velocidade da corrente sanguínea. Essa recolha foi feita duas vezes, uma antes do tratamento da estenose e outra após o tratamento. As imagens recolhidas foram posteriormente processadas em programas específicos: numa primeira fase foi necessário segmentar a aorta, seguida de obtenção de valores de velocidade ao longo da aorta e, posteriormente, o cálculo dos valores da tensão de cisalhamento da parede aórtica. Dado que o WSS é um parâmetro que varia ao longo de um ciclo cardíaco, é de notar que os valores obtidos correspondem a WSS’s máximos, mínimos e médios nas três porções que constituem a aorta (ascendente, transversal e descendente torácica). Por último, testes estatísticos (teste t para amostras com distribuição normal, caso contrário, teste de Wilcoxon) foram aplicados de modo a comparar os valores de WSS antes e depois do tratamento. No estudo da deformação do miocárdio a nível do ventrículo esquerdo, nomeadamente a deformação circunferencial sistólica (ECC) e a deformação radial sistólica (ERR), 8 pacientes (idade média 34 ± 23 anos, faixa etária 10 a 61 anos, 6 masculinos, 2 femininos) com CoA ou AvD foram inseridos no estudo. Ao todo foram recolhidos nestes pacientes 10 conjuntos de dados (cada conjunto incluí valores de ECC e de ERR), usando as sequências cine e tagging das suas imagens de CMR, antes e depois do tratamento. A recolha foi realizada através de duas técnicas aplicadas independentemente, ou seja, 10 conjuntos de dados para cada uma das técnicas e obtidos em condições similares. As técnicas são CMR Tagging HARP (aplicada às as sequências tagging) e CMR Feature Tracking (aplicadas às sequências cine), sendo a primeira de referência. HARP é considerado como sendo o método mais rápido no processamento de imagens tagging mas a Feature Tracking (FT) é mais rápida e simples no que toca à medição dos valores de deformação por ser aplicada directamente a sequências cine. A validação da técnica FT com a de referência, baseada nos valores de deformação (ECC e ERR), foi analisada através do método de Bland-Altman. Adicionalmente, os valores de deformação antes e após o tratamento, obtidos pela técnica FT, foram estatísticamente comparados, usando o teste t ou o teste de Wilcoxon consoante a existência ou não de normalidade nas amostras. O trabalho do WSS demonstrou que em geral os valores de WSS aumentam após o tratamento da estenose aórtica, embora, estatisticamente, apenas alguns valores de WSS em algumas porções da aorta (WSS médio na porção ascendente, todos os WSS’s na porção transversal e valores de WSS min. na porção descendente) aumentaram de um modo significativo (p-values entre 0.009 e 0.038 para um nível de significância de 5%). Esta parte do trabalho serviu também para validar o programa utlizado na obtenção dos WSS’s contra valores publicados em estudos anteriores, dado que corresponde à primeira versão. A avaliação da deformação miocárdica demonstrou que existe uma boa concordância entre as duas técnicas de medição baseando nos resultados obtidos pelo método de Bland-Altman, principalmente para ECC (bias ≈ – 2.02 % e limites de concordância de – 10.5 a 6.4 %). Verificou-se que resultados semelhantes foram obtidos em vários estudos anteriores. Observou-se também que as alterações na deformação miocárdica com o tratamento não foram estatisticamente significativas para ambos os tipos de deformação estudados, a ECC e a ERR (p-values > 0.05 ao nível de significância de 5%). Em conclusão, os resultados obtidos com este trabalho poderão fornecer informações importantes relativamente à evolução das doenças aqui estudadas com o tratamento. A contractilidade do ventrículo esquerdo é alterada quando o coração é sujeito a intervenções, resultando na alteração da forma do ventrículo (remodelling) a longo prazo. Assim sendo, a análise da deformação do tecido miocárdico torna-se essencial para perceber como essa alteração é verificada. Adicionalmente, a validação da Feature Tracking contra a Tagging permitiu reforçar conclusões de estudos anteriores: a FT é um método válido que pode subtituir a Tagging, principalmente, na análise da deformação circunferencial do miocárdio.Cardiovascular diseases (CVDs) are the main cause of death worldwide. Irreversible heart complications are a highly probable outcome when they are left untreated. The congenital CVDs addressed by this work, coarctation of the aorta (CoA) and aortic valve disease (AvD), have a significant socio-economic impact. Therefore, providing adequate prognosis and timely treatment should decrease the morbidity and mortality. To accomplish this goal, diagnostic medical imaging is a key area to develop. The image acquisition, processing and clinical parameters outcome need to be assessed with appropriate tools and revised, as new techniques are constantly being implemented and improved. Two important cardiovascular parameters that can be evaluated in order to improve diagnosis and intervention in CoA or AvD cases are the aorta wall shear stress (WSS) and the LV myocardial strain. To study WSS in aorta with CoA, 16 patients underwent a cardiovascular magnetic resonance (CMR) exam to obtain phase contrast 4D Flow CMR images. Images were collect before and after aorta treatment. Post-processing was necessary to obtain WSS values and statistical analysis were performed. To study LV myocardium strains, namely systolic circumferential strain (ECC) and systolic radial strain (ERR), 10 datasets were acquired from 8 patients with CoA or AvD before and after intervention with Cine and Tagging sequences of CMR images. The post-processing of the images was done using two techniques (Tagging HARP and Feature Tracking) that were applied independently to measure those strains. The validation of one technique against the other was performed through Bland-Altman method. Lastly, strain values estimated before and after intervention were statistically compared. The WSS study showed that in general WSS values are increased after CoA treatment. Although, statistically, only some values revealed a significant increase (p 0.05) between strain values estimated before and after treatment for both ECC and ERR. The evaluation of cardiovascular parameters is important to forecast the evolution of a disease by, for example, predicting the LV or heart remodeling after intervention. Thus, the possibility to identify patients at risk of future heart complications could be timely and properly provided