Aspects on Cardiac Pumping

Abstract

Cardiac pumping physiology is important for understanding the pathophysiology of patients with cardiac disease. MRI gives the opportunity to measure volumes and flow non-invasively with high accuracy and precision. This thesis examines some aspects on cardiac pumping physiology. Study I showed that the total heart volume in humans decreases during systole by ~8 % (range 5-11 %), and anatomically identified the major outer volume variations to occur around the AV-plane with a left-side predominance. Also, a new method for measuring total heart volume variation (THVV) by MRI flow quantification was developed and validated against cine measurements. Study II showed that the THVV is similar in patients before and after cardiac bypass surgery compared to healthy subjects. Furthermore, study II also showed that the movement of the center of volume of the heart during the cardiac cycle, in both healthy individuals and patients, describes a well-defined loop in three-dimensional space with ~2 mm between the extreme points. This loop is called the center of volume variation, COVV. After coronary-bypass surgery, however, intra-individual COVV approximately doubled, possibly related to the paradoxical septal movement following cardiac surgery. Study III showed that longitudinal AV-plane displacement (AVPD) is the primary contributor to left ventricular (LV) pumping, accounting for ~60 % of the stroke volume (SV) in healthy subjects and that this does not differ in athletes or in patients with dilated ventricles. Study IV showed that radial function of the ventricles explains over 80 % of the THVV during the cardiac cycle. The longitudinal component of right ventricular (RV) pumping is ~80 % and the difference compared to the LV is explained by the larger AVPD of the RV. Study V identified and quantified a previously unknown increase in total heart volume before the end of systolic ejection. This total heart volume increase or late ejection filling volume (LEFV) into the atria was ~11 ml or ~18 % of THVV, with no difference between the left and right side of the heart. This volume might be important for understanding the coupling of systolic to diastolic function. Furthermore, the decrease in total heart volume caused by flow from the heart generated by atrial contraction (the atrial wave reversal volume, AWRV) was quantified to be ~7 ml or ~11 % of THVV. Thus, the heart is largest before atrial contraction prior to the end of diastole and smallest before the end of systole.



In summary, this thesis has explained the total heart volume variations throughout the cardiac cycle and quantified the contribution of the AV-plane to ventricular pumping.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Förståelse av hjärtats pumpförmåga är av yttersta vikt för att kunna behandla patienter med hjärtsjukdom, framförallt hjärtsvikt. Studier av hjärtat har av naturliga skäl framförallt gjorts med öppen bröstkorg eller med hjärtat uttaget ur kroppen, och detta påverkar hjärtats pumpning. Magnetresonans-kameran gör det möjligt att avbilda hjärtat i alla delar av hjärtcykeln samt att mäta flödet i kärlen till och från hjärtat. Denna avhandling har studerat hur och varför hjärtat varierar i volym under hjärtcykeln samt kvantifierat de olika sätt som hjärtats kammare arbetar. Delarbete I visade att hjärtats yttre volymförändring under hjärtcykeln hos friska frivilliga var c:a 8 % och varierade från 5-11 %. Både flödesmätning och volymsbestäming av hjärtat över hjärtcykeln gav samma resultat. Den yttre volymförändringen är låg jämfört med hur mycket blod som tömmer sig ur kamrarna men det förklaras av inflöde av blod till förmaken. Vid jämförelse mellan höger och vänster sida av hjärtat återfanns en större del (60 %) av den yttre volymförändringen på vänstersidan. Delarbete II visade att hjärtats yttre volymförändring hos patienter var i stort sett oförändrad före och efter kranskärlsoperation och skilde sig inte jämfört med friska. Dessutom visade studien att centerpunkten (volymcentrum) i hjärtat rör sig under en hjärtcykel i en loop som börjar och slutar på samma ställe. Loopen är c:a 2 mm mellan extrempunkterna. Denna rörelse skilde sig inte mellan friska och patienter men efter bypass-operation dubblerades rörelsen till c:a 4 mm. Delarbete III visade att 60 % av vänsterkammarens slagvolym genereras av den längsgående förkortningen av kammaren genom att basen av kammaren (AV-planet) förflyttas mot kammarspetsen under tömningsfasen. Detta mättes dels på friska frivilliga men också hos atleter på elitnivå och patienter med förstorade vänsterkammare och sänkt kammarfunktion. Det var ingen skillnad mellan grupperna i andelen slagvolym som orsakas av längsgående förkortning. Delarbete IV visade på motsvarande sätt som delarbete III att 80 % av högerkammarens slagvolym genereras av den längsgående förkortningen hos friska frivilliga. Dessutom kunde delarbetet visa att hjärtats yttre volymsförändring till över 80 % kan förklaras av den radiella, kramande, kammarpumpningen. I delarbete V studerades när hjärtat är som störst och som minst. Hjärtats största volym inträffar före förmakskontraktionen då blod inte bara förflyttas från förmak till kammare, men också ut ur hjärtat som backflöde i venerna. Denna volym kvantifierades med flödesmätning på höger och vänster sida. Hjärtat är inte som minst vid slutet av systole utan börjar öka i volym före denna tidpunkt vilket beror på att inflödet av blod till förmaken är större än utflödet. Detta kan innebära att det finns en rörelseenergi i blodet på väg in i förmaket vid det tillfälle då klaffarna mellan förmak och kammare öppnas och detta kan vara en del i förklaringen till den snabba fyllnadsfasen. Dessa parametrar kan ge ny information för att förstå hjärtats pumpfunktion.



Sammanfattningsvis har denna avhandling visat hur hjärtat minskar i volym under kammarsystole samt att den främsta orsaken till detta är kamrarnas kramande radiella kontraktion. Hjärtats volymsvariation över hjärtcykeln har visat att hjärtat är som störst innan förmakssystole och som minst innan slutet av kammarsystole. Dessutom har AV-planets bidrag till de båda kamrarnas slagvolym kvantifierats.

• author: Carlsson, Marcus
• supervisor: Håkan Arheden
• opponent: Prof Waldenström, Anders, Umeå
• organization: Lund Cardiac MR Group (research group); Clinical Physiology (Lund)
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Respiratory Medicine and Allergy; Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: Cardiac Pumping, Ventricular Function, Fysiologi, Physiology
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2007:47
• pages: 64 pages
• defense location: Föreläsningssal 1. Centralblocket. Universitetssjukhuset i Lund.
• defense date: 2007-03-16 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-85559-25-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: M Carlsson, P Cain, C Holmqvist, F Ståhlberg, S Lundbäck and H Arheden. 2004. Total heart volume variation throughout the cardiac cycle in humans. Am J Physiol Heart Circ Physiol., vol 287 pp 243-250.; M Carlsson, A Rosengren, M Ugander, U Ekelund, PA Cain and H Arheden. 2005. Center of volume and total heart volume variation in healthy subjects and patients before and after coronary bypass surgery. Clin Physiol Funct Imaging, vol 25 pp 226-33.; M Carlsson, M Ugander, H Mosen, T Buhre and H Arheden. 2006. Atrioventricular Plane Displacement is the Major Contributor to Left Ventricular Pumping in Healthy Adults, Athletes and Patients with Dilated Cardiomyopathy. Am J Physiol Heart Circ Physiol., vol 01148.2006; M Carlsson, M Ugander, E Heiberg and H Arheden. . The Quantitative Relationship between Longitudinal and Radial Function in Left, Right and Total Heart Pumping in Humans. (submitted); M Carlsson, M Ugander and H Arheden. . The Total Heart Volume Increases Prior to the Conclusion of Systolic Ventricular Ejection and Decreases during Atrial Contraction in Humans. (manuscript)
• id: b815dd48-93a6-4f99-b287-6ae33702a1dd (old id 548154)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:48:03
• date last changed: 2021-11-18 14:42:25