Assessment of myocardial viability using magnetic resonance imaging

Abstract

Myocardial infarction (MI) following an acute coronary occlusion is a leading cause of morbidity and mortality. During revascularization, microemboli may complicate treatment and affect cardiac function. The long-term effects of microembolization are not fully elucidated.

Following an MI it is important to accurately determine the size of the infarction, as it can be used for guidance in terms of prognosis. However, in the acute setting after an MI the infarct size may be overestimated due to the inclusion of a possible reversibly injured area around the infarction, the peri-infarction zone.

In chronic MI and in non-ischemic cardiomyopathies, heterogeneous fibrotic areas have been proposed as substrate for arrhythmias which may cause sudden cardiac death (SCD). Quantification of these areas may provide better risk stratification than current guidelines.

In young people and athletes the most common cause for SCD is hypertrophic cardiomyopathy (HCM), possibly due to areas of fibrosis causing fatal arrhythmias. However, the pathophysiological mechanism behind the development of fibrosis in HCM is still unclear. Magnetic resonance imaging (MRI) can be used to assess function, perfusion and viability using late gadolinium enhancement (LGE). Therefore, this thesis investigates how MRI can be used for diagnosis, prognosis and for understanding the pathophysiological mechanisms behind ischemic and non-ischemic cardiomyopathy.

Study I showed that coronary microembolization causes long-term, regional left ventricular dysfunction and that even small microemboli, which may escape the distal protective devices, influence cardiac function.

Study II demonstrated that infarct quantification with a 2D-PSIR and a 3D-IR sequence shows good agreement in patients, which allows for the sequences to be used interchangeably. Both these LGE-sequences optimized for in vivo-use yield an overestimation of infarct size ex vivo.

Study III is an experimental study which showed that contrast-enhanced MRI overestimates myocardial infarct size compared to histopathology in the acute phase but not at seven days. This is associated with a significantly higher extracellular volume in the peri-infarction zone acutely compared to seven days later, possibly due to edema.

Study IV showed that young patients with HCM had decreased perfusion in areas with hypertrophy and even lower perfusion in LGE positive, fibrotic myocardium. The stress-induced hypoperfused regions exceed regions with fibrosis indicating that hypoperfusion precede fibrosis and may be a more sensitive marker of diseased myocardium.

Finally, Study V demonstrated that a heterogeneous LGE borderzone, quantified by two different algorithms, predicts appropriate ICD-therapy to a larger extent than ejection fraction, total, and core LGE size.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

När det blir stopp i ett av hjärtats kranskärl blockeras blodflödet till hjärtat, vilket kan orsaka blodbrist i en del av hjärtmuskeln. Detta kan i sin tur leda till hjärtinfarkt, vilket tar död på hjärtmuskelceller och skadar hjärtat. Vid den efterföljande behandlingen av hjärtinfarkt kan små proppar i kranskärlen, så kallade mikroembolier, ytterligare förvärra skadan på hjärtat och påverka hjärtfunktionen negativt.

Efter en infarkt är det av stor betydelse att bestämma infarktens storlek på ett korrekt sätt, eftersom det är vägledande för frågor rörande patientens livskvalitet och livslängd. Ett område runt själva infarkten, den så kallade peri-infarkt zonen, kan dock göra det svårt att bestämma hjärtinfarktens storlek i det akuta skedet efter infarkten. Peri-infarkt zonen kan nämligen leda till att infarktens storlek och således skadan på hjärtat överskattas.

Hjärtinfarkt drabbar oftast äldre människor men även unga människor kan drabbas av hjärtsjukdomar. Den vanligast hjärtsjukdomen bland barn och unga vuxna är onormal tillväxt av hjärtmuskeln, så kallad hypertrof kardiomyopati (HCM).

HCM kan innebära att hjärtat inte pumpar ut blod effektivt nog eller att det bildas ärr i hjärtmuskeln, vilket i sin tur kan leda till plötslig hjärtdöd. Orsaken till sådan ärrvävnad i hjärtat är ännu inte helt klarlagd. Att förstå uppkomsten av ärrvävnad i hjärtmuskeln är dock viktigt för att eventuell förebyggande behandling ska kunna ges i tid.

Kontrastförstärkt magnetresonanstomografi (MR) kan användas för att avbilda hjärtat i detalj och gör det därmed möjligt att undersöka ärrvävnad i hjärtat.

En hjärtinfarkt läker så småningom ut och skadan ombildas då till ett ärr, vilket kan orsaka oregelbunden hjärtrytm, så kallade arytmier, hos patienten. Arytmier är livshotande då det kan leda till plötslig hjärtdöd. Det finns dock förebyggande behandling att ge patienter som riskerar att drabbas av arytmier, i form av en implanterbar defibrillator (ICD). Kriterierna för vilka patienter som ska få en ICD är dock inte optimala och många patienter får en ICD inopererad utan att ha nytta av

den. Med en bättre förståelse för vem som faktiskt skulle ha nytta av en ICD skulle onödigt lidande och komplikationer kunna undvikas i större utsträckning än idag.

Syftet med denna avhandling var att se hur MR kan användas för diagnostik,

studera sjukdomsförlopp och för att förutsäga sjukdomsutfall hos patienter med ärrvävnad i hjärtat. För att närmare studera sjukdomsförloppen användes även experimentella djurstudier i avhandlingen.

I delarbete I visades i en djurmodell att små mikroembolier i kranskärlen ger upphov till små infarkter i hjärtat och orsakar nedsatt hjärtfunktion som delvis återhämtas över tid.

I delarbete II visades att storleksbestämning av hjärtinfarkt med två olika MR-tekniker, 2D- och 3D-MR, visar samstämmiga resultat hos patienter men att dessa tekniker överskattar hjärtinfarkten storlek i en djurmodell när hjärtat har tagits ut.

I delarbete III visades att MR överskattar infarktens storlek vid akut hjärtinfarkt men inte vid sju dagar jämfört med referensmetod i en djurmodell. Detta kan förklaras av att peri-infarkt zonen förvinner vid sju dagar och det kan bero på regress av ödem.

I delarbete IV visades att patienter med HCM har sänkt blodtillförsel i områden med förtjockad hjärtmuskelvägg och att blodtillförseln är ytterligare sänkt i områden med ärrvävnad. Studien visade även att områden i hjärtmuskeln med blodbrist ökar när patienterna belastas. Hjärtmuskelns område med blodbrist visade sig även vara större än områden med ärrvävnad, vilket talar för att ärrvävnad uppkommer som följd av blodbrist till hjärtmuskeln.

I delarbete V visades att storleken på gränszonen mellan områden med ärrvävnad och levande hjärtmuskel kan förutsäga vilka patienter som kommer ha nytta av behandling med ICD bättre än idag etablerade kriterier.

Sammanfattningsvis ger denna avhandling ökad insikt kring 1) hjärtinfarkt, 2)hur små blodproppar i kranskärlen påverkar hjärtfunktionen, 3) orsaken till ärrvävnad vid HCM, samt 4) hur MR kan bidra med information om sjukdomsutfall hos patienter med ärrvävnad i hjärtat.

• author: Jablonowski, Robert
• supervisor: Marcus Carlsson; Håkan Arheden; Henrik Engblom; Petru Liuba
• opponent: Professor Bluemke, David, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA
• organization: Lund Cardiac MR Group (research group); Clinical Physiology (Lund)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Respiratory Medicine and Allergy; Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: Magnetic resonance imaging, myocardial infarction, hypertrophic cardiomyopathy, fibrosis, viability
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:48
• pages: 99 pages
• defense location: Föreläsningssal 3, Skåne University Hospital, Lund
• defense date: 2015-05-13 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-127-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 44cc3a33-9194-4d30-ba7a-280798c00cd7 (old id 5276989)
• date added to LUP: 2016-04-01 12:56:07
• date last changed: 2021-11-15 16:03:09