Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging in Cryptogenic Stroke in the Young and Methodological Analysis of Left Atrial Volume Imaging

The incidence of ischemic stroke has been rising in the younger population in recent decades. The causative mechanism remains unknown in up to half of these patients. It has been speculated that most of these cryptogenic strokes are thromboembolic and some might originate from the heart. Left atrial (LA) volume, structure, and function provide relevant clinical information in cardiovascular disease. Hence accurate approximation of true LA volume by imaging in multiple phases of the cardiac cycle is essential for utilizing this information in clinical decision-making and research. The first objective of this thesis was to investigate the methods of LA volume measurement with human LA casts and LA phantoms by 3D echocardiography and in a study population of 60 subjects with cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR). The second objective was to study possible cardiac embolic sources by CMR in a study population of 30 cases with cryptogenic stroke aged 1849 years and 30 controls matched by age and gender. In our first study, we demonstrated the feasibility of 3D echocardiography to detect correct volumes of LA casts and phantoms, and that 3D echocardiography showed acceptable bias to true volumes. With CMR in Study III, we showed that the biplane 2D method for LA volume calculation underestimated the volume in comparison to the volume measured by 3D segmentation as a reference volume. Acquisition of specific LA long-axis oriented images for the 2D method did not increase agreement of the volume calculation to reference volume. 3D orientation of LA to the left ventricle, or 3D shape of LA did not show a meaningful correlation to error in calculated LA volume. All study subjects in the case-control population had normal left ventricular (LV) shape, morphology, trabeculation, and normal LV ejection fraction by both echocardiography and CMR. These measures were similar between study groups. One case had local fibrosis detected by late gadolinium enhancement. Left ventricular non-compaction (LVNC) was quantified by semi-automated software in CMR images. In this setting, we observed a higher amount of LVNC in stroke patients compared to healthy controls in Study II. In the case-control setting, LA and LV structure and function were scrutinized in Study IV. LA cyclic volume change fraction was lower in patients than in controls. In the analysis of the most pathological tertiles to detect subtle abnormalities, we observed lower LA ejection fraction and impaired LA and LV strain in cases. Two measures of 3D sphericity, calculated from a 3D LA model constructed from CMR images, were similar in cases and controls. We also noted a correlation of the amount of LVNC to LV strain, LA strain, and LA cyclic volume change fraction, but not to LA ejection fraction or LA stroke volume. Conclusions: 3D echocardiography provides accurate measures of LA cast and phantom volumes. Inaccuracies of 2D methods in LA volume determination cannot be mitigated by specific imaging planes, or by analysis of other sources of error such as LA shape and LA orientation. In young stroke patients, LV non-compaction is more abundant, and LA volumetric function is altered in comparison to healthy controls, in addition to subtle alterations observed by tertile analysis in LA and LV function.Viime vuosikymmeninä iskeemisten aivoinfarktien esiintyvyys on lisääntynyt erityisesti nuoressa aikuisväestössä. Tässä väestön osassa aivoinfarktin syytekijää ei saada selville jopa puolessa tapauksista. Tällaisten salasyntyisten aivoinfarktien taustalla ajatellaan usein olevan tromboembolinen mekanisimi. Osassa tapauksista tällainen trombi voi olla lähtöisin sydämestä. Sydänsairauksien arvioinnissa voidaan hyödyntää tietoa vasemman eteisen tilavuudesta, rakenteesta ja toiminnasta. Mahdollisimman tarkka vasemman eteisen tilavuuden arviointi eri sydämen syklin vaiheissa mahdollistaa tämän tiedon tehokkaan hyödyntämisen sydänsairauksien hoidossa ja tutkimustyössä. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia vasemman eteisen tilavuuden määrittämisen menetelmiä ihmisen sydämiin tehdyillä valoksilla 3D-ultraäänikuvantamisella ja 60 tutkimushenkilölle tehdyllä sydämen magneettikuvantamisella. Toisena tutkimuksen tavoitteena oli tutkia mahdollisia aivoinfarktin sydänperäisiä syytekijöitä 30 potilas-verrokkiparin tutkimusaineistossa. Tässä aineistossa potilaat olivat 18–49-vuotiaita ja verrokit olivat kaltaistettu iän ja sukupuolen mukaan. Ensimmäisessä osatyössä osoitettiin, että 3D-ultraäänitutkimuksella voidaan määrittää vasemman eteisen valosten ja eteismallien tilavuus hyväksyttävällä tarkkuudella. Kolmannessa osatyössä sydämen magneettikuvauksella 2D-menetelmällä laskettu vasemman eteisen tilavuus aliarvioi todellista vasemman eteisen tilavuutta, joka oli määritetty 3D-menetelmällä. Vasemman eteisen 2D-tilavuusmääritystä varten kerätyistä vasemman eteisen pitkän akselin suuntaisista kuvaleikkeistä laskettu eteisen tilavuus ei parantanut tilavuusmäärityksen tarkkuutta. Vasemman eteisen pitkän akselin kolmiulotteinen suuntautuminen vasemman kammion pitkän akselin suuntaan nähden tai vasemman eteisen muoto ei ollut yhteydessä 2D-menetelmissä havaittuun mittausharhaan. Kaikilla potilas-verrokkiasetelman tutkimushenkilöillä sydämen vasemman kammion muoto, rakenne ja ejektiofraktio olivat normaaleja sydämen ultraäänitutkimuksella ja sydämen magneettitutkimuksella arvioituna. Potilaiden ja verrokkien välillä ei todettu merkittäviä eroja näitä ominaisuuksia mittaavissa suureissa. Yhdellä potilaalla todettiin merkkiaineen myöhäistehostumaa vasemmassa kammiossa viitaten sydänlihaksen arpeen. Vasemman kammion non-kompaktoituneen sydänlihaksen määrä kvantifioitiin puoliautomaattisella ohjelmistolla ja sen määrän todettiin olevan suurempi aivoinfarktipotilailla verrokkeihin nähden. Neljännessä osatyössä tarkasteltiin vasemman eteisen ja kammion toimintaa potilas-verrokki-asetelmassa. Vasemman eteisen syklisen tilavuusvaihtelun osuus oli potilailla matalampi verrokkeihin nähden. Hienoisten muutosten havaitsemiseksi tutkimusryhmiä verrattiin tutkimalla patologisimpia tertiilejä kummassakin ryhmässä. Tertiilianalyysissä potilailla havaittiin matalampi vasemman eteisen ejektiofraktio ja heikompi vasemman eteisen sekä kammion toiminta strain-analyysissä verrokkeihin verrattuna. Kaksi vasemman eteisen pyöreysindeksiä, jotka oli laskettu magneettikuvista rekonstruoiduista vasemman eteisen malleista, olivat tutkimusryhmien välillä samankaltaiset. Tässä tutkimuksessa havaittiin myös vasemman kammion non-kompaktoituneen sydänlihaksen määrän korreloivan sekä vasemman eteisen että kammion strain¬iin ja vasemman eteisen sykliseen tilavuusvaihtelun osuuteen, mutta korrelaatiota ei todettu vasemman eteisen ejektiofraktioon tai iskutilavuuteen. Johtopäätökset: 3D-ultraäänitutkimuksella voidaan mitata riittävällä tarkkuudella vasemman eteiseen tehdyn valoksen sekä eteismallin tilavuus. 2D-menetelmiin liittyvä tilavuusmäärityksen epätarkkuutta ei voida korjata spesifisti tätä tarkoitusta varten tehdyillä eteisen suuntaisilla kuvausleikkeillä tai arvioimalla mahdollisia menetelmään liittyviä virhelähteitä kuten vasemman eteisen muotoa tai suuntautumista vasempaan kammioon nähden. Nuorilla aivoinfarktin sairastaneilla potilailla vasemman kammion non-kompaktoituneen sydänlihaksen määrä oli suurempi ja vasemman eteisen toiminta oli sen tilavuuden määritykseen perustuvilla analyysimenetelmillä poikkeava terveisiin verrokkeihin verrattuna. Lisäksi tertiilianalyysissä potilailla todettiin lieviä poikkeavuuksia sekä vasemman eteisen että kammion toiminnassa verrokkeihin nähden