Functional and morphological MR studies in congenital cardiovascular malformations

Abstract

The aim of this study was to evaluate new MR techniques permitting qualitative and quantitative analysis of cardiac function and measurement of velocity and flow, and later on contrast-enhanced MR angiography, techniques largely unexplored in children with CHD. Infants with tetralogy of Fallot and pulmonary atresia with ventricular septal defect were examined pre-operatively. MRI was found to be a good alternative to angiocardiography for the pre-operative evaluation of the right ventricular outflow tract and the central pulmonary arteries, even in very young patients under one year of age. Contrast-enhanced MR angiography was adapted to and optimized for infants and children. MR velocity mapping was compared with first-pass radionuclide angiography for Qp/Qs determination in left-to-right shunts. MR velocity mapping measured shunts over the whole range of possible Qp/Qs values, with high accuracy and precision, in both adults and children. Thus, one may assume the technique to be accurate and precise also in other flow applications. In children and young adult conduit patients, MRI including MR velocity mapping and Doppler-echocardiography were compared. MRI provided complete morphological and functional information about the right ventricle and about the extra-cardiac ventriculo-pulmonary conduit. This may be extended to include right ventricular outflow tract obstruction and right ventricular dysfunction in general, both pre- and post-operatively. The value of combining morphological and functional MR information in assessing the haemodynamic importance of coarctation of the aorta was examined. It was found that the visual estimation of collateral vessels correlated reasonably well with collateral flow assessment using MR velocity mapping. MRI can replace cardiac catheterization in most pre-operative investigations, both in infants and older children. Adding CE-MRA to the MR protocol aids diagnosis and saves time. MRI is the method of choice for long-term post-operative follow-up, as it is accurate and reproducible. If MRI and echocardiography are in agreement, invasive catheter studies are not necessary for diagnostic purposes in the majority of patients.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Medfödda hjärtfel (congenital heart defects,CHD) förekommer hos nästan 1 % av alla födda barn. En del lindriga hjärtfel spontanläker, men de flesta hjärtfel måste opereras i läkande eller lindrande syfte. Stora kirurgiska framsteg har gjorts på senare år. Hjärtfel som tidigare icke ansågs möjliga att åtgärda kan nu opereras, och många operationer utföres tidigt i livet, ofta i nyföddhets- eller spädbarnsperioden. Efter operationen behöver dock många patienter undersökas för uppföljning av operationsresultatet. Det finns också ett stort antal patienter med mera komplicerade CHD, som endast kan opereras i lindrande syfte, även dessa måste kontrolleras regelbundet fortsättningsvis. Antalet botade och lindrade patienter med CHD som överlever har därmed ökat, vilket innebär ett ökande behov av skonsamma undersökningstekniker både vid den primära kartläggningen och vid senare uppföljningar av hjärtfelet. Tidigare fanns endast en möjlighet att kartlägga CHD; med hjälp av hjärtkärl-röntgen (angiografi), en metod då en kateter införes i kärlbanan via instick i ljumsken. Genom katetern injiceras kontrast i hjärtat under samtidig röntgenfilmning. Vid kateterisering kan också blodprovstagning och tryckmätning utföras i de olika hjärtrummen, vilket inte kan göras med någon annan teknik. Kateterisering innebär emellertid risker, exempelvis rytmrubbning, kärlskada och cirkulationssvikt, samt en icke försumbar exponering för joniserande strålning. Utvecklingen av ekokardiografi (ultraljudsundersökning av hjärtat) var därför revolutionerande. För första gången kunde hjärtats anatomi avbildas utan ingrepp. Professor Nils-Rune Lundström i Lund var pionjär för utnyttjande av tekniken hos barn med CHD. När Doppler-ultraljud utvecklades, kunde även flödeshastigheter och flödesriktningar mätas. Med hjälp av ekokardiografi undersökes hjärtat framgångsrikt och effektivt. Ekokardiografi har därför blivit den dominerande undersökningsmetoden av hjärtat. Metoden är billig och lättillgänglig, och är skonsam för patienten. Strukturer som skyms av lunga eller skelett eller ligger djupt in i kroppen kan emellertid vara otillgängliga för bedömning med ekokardiografi. Detta gäller framför allt de stora kärlen som leder till och från hjärtat; lungartärer, lungvener och kroppspulsådern med sin grenar, och då främst hos större barn och vuxna.



Magnetisk resonanstomografi (MR) Väteatomen är en av grundbyggstenarna i vatten, och väteatomens kärna (protonen) är associerad med ett magnetfält. När kroppens vävnad utsätts för ett externt statiskt magnetfält polariseras de enskilda väteatomkärnornas magnetfält och ett svagt kollektivt magnetfält (M) byggs upp parallellt med det externa magnetfältet. Med hjälp av en radiofrekvent puls utsänd av en s.k. sändarspole kan vävnadens magnetfält (M) tippas ner i ett plan vinkelrätt mot det externa fältet. En signal karakteristisk för olika vävnader kan därigenom detekteras och rekonstrueras till två-dimensionella bilder med hjälp av en matematisk operation, den s.k. Fouriertransformen. Denna teori ligger till grunden för medicinsk bildgenerering med hjälp av magnetresonans (MRI) som introducerades för c:a 20 år sedan. Till att börja med användes tekniken framför allt för centrala nervsystemet och rörelseapparaten. Trots att hjärtat ständigt är i rörelse, vilket kräver EKG-styrning av signalinsamlingen, rapporterades lyckade hjärtundersökningar redan 1984.



Bildframställning med MR För bildgenerering användes till att börja med två olika sekvenstekniker. Med en s.k. spinneko-sekvens framstår rörligt blod svart och hjärtmuskeln blir grå. Denna teknik har ganska lång signalinsamlingstid, men kan alstra bilder med hög upplösning. Gradienteko-tekniken med vilken blod istället blir vitt, kräver inte lika lång signal-insamlingstid som spin-eko, vilket medför att man hinner skapa flera bilder av hjärtat under ett hjärtslag. Spelas dessa upp i snabb följd, erhålles en rörlig bildsekvens; en s.k. cine-loop, vilket är grunden för cine-MR. Denna teknik ger information om hjärtats och klaffarnas rörelser. Turbulent flöde i förträngningar, från ett klaffläckage eller i små shuntförbindelser, ger bortfall av signal (svart). Den positiva kontrasten från blod kan ökas med hjälp av ett paramagnetiskt grundämne, gadolinium. Detta förkortar signalinsamlingstiden. Kärlundersökning med gadolinium-baserat kontrastmedel - kontrastförstärkt MR-angiografi (CE-MRA) - kan framställa tunna kärl och kärl med långsamt flöde. Eftersom signaldata insamlas i en 3D-box, kan olika typer av tredimensionella bildrekonstruktioner göras.



Kvantitativa mätningar med MR Hjärtrummens storlek och storleksvariationer (slutdiastolisk respektive slutsystolisk volym, slagvolym och ejektionsfraktion) kan beräknas från cine-MR med stor noggrannhet. En ytterligare teknik är flödesmätning med MR. Denna metod bygger på en gradienteko-teknik där fasinformation från det rörliga blodets protoner har kodats så att information om medel- och max-hastighet erhålles. Liksom vid cine-MR insamlas flera bilder=mätpunkter under ett hjärtslag, därmed kan flödeshastigheten beräknas som en funktion av tiden. Från dessa data kan minutvolym och delvolymer beräknas, och då även information om flödesriktning erhålles, kan framåtriktat (slagvolym) respektive bakåtriktat (klaffläckage) flöde anges. Därmed är flödesmätning med MR den enda teknik som ger exakt mätning av ett klaffläckage. Maximal hastighet i en klaff- eller kärlförträngning, uppmätt med Doppler eller MR-flödesmätning kan, med hjälp av Bernouille-ekvationen, omräknas till motsvarande tryckskillnad som mätes vid kateterisering.



* * * * * * * * *



Tack vare utvecklingen av kraftfullare gradienter och magnetsystem i början på 90-talet, kunde många av de tekniker som beskrivits ovan utvecklas. När denna studie inleddes 1995, var många av dessa tekniker fortfarande inte utvärderade för barn, och användes inte för barn, i synnerhet inte för mindre barn. Syftet med denna avhandling blev att studera och anpassa nya högupplösande bildtekniker inklusive CE-MRA, samt funktionella mätmetoder med MR, för barn med CHD. Denna patientgrupp tenderar att bli yngre pga tidig diagnostik och operation, som ofta sker redan i nyföddhetsperioden. Fem delarbeten har gjorts. Alla är utförda med ett magnetsystem med hög fältstyrka, 1.5 Tesla.



Delarbete I I detta arbete undersöktes 14 barn (medelålder 7.5 månader) med angiografi och MR samma dag. Patienterna hade antingen Fallots tetrad eller pulmonalisatresi, två närbesläktade hjärtfel som karakteriseras av förträngning eller avsaknad av höger kammares utflöde, och har varierande grad av underutvecklade lungartärer. Syftet var att kartlägga höger kammares utflöde och klaff samt lungartärernas storlek och utseende. Detta är värdefull information för planering av tidpunkt för och utformning av operation. Vi fann mycket god överensstämmelse mellan MR och angiografi vid framställningen av klaff och lungartärer, medan överensstämmelsen för den rörliga förträngningen i utflödesdelen var något sämre. MR kunde påvisa sex av sju kärlförträngningar. Studien visade att MR var ett fullgott alternativ till angiografi vid utredning av lungartärerna och höger kammares utflöde inför operativ planering. Detta gällde även i spädbarnsperioden.



Delarbete II CE-MRA hade tidigare använts i mycket liten utsträckning på barn, på grund av restriktioner i godkänd kontrastmängd, och att man måste hålla andan under den cirka 20-25 sekunder långa insamlingstiden. När snabbare sekvenser introducerades, blev tekniken möjlig att använda vid barnundersökningar. Tekniken behövde dock anpassas för barn, framför allt med avseende på mängd och koncentration av kontrastmedlet men även hastighet och start av kontrastinjektionen. I delarbete 2 kompletterades kliniska MR-undersökningar med CE-MRA hos 39 patienter med CHD, varav 15 stycken var yngre än 6 månader. 90 % av undersökningarna hade acceptabel eller utmärkt bildkvalitet. Tillfredställande signalintensitet erhölls med godkänd kontrastdos. Studien resulterade i rekommendationer om spädningsförfarande av kontrasten vid mycket små kontrastdoser samt lämpliga injektionshastigheter. Tekniken visade sig vara mycket användbar för patienter med CHD, även nyfödda.



Delarbete III Om en förbindelse finnes mellan vänster och höger hjärthalva sker shuntning av blod genom denna, vilket leder till att en ökad mängd blod passerar lungorna. Överskottet kan mätas, exempelvis vid kateterisering, eller med hjälp av isotoper (first-pass radionuclide angiography). Ett annat alternativ är MR-flödesmätning. Förutom en experimentell studie undersöktes 12 försökspersoner för att kartlägga flödesmätningsteknikens noggrannhet och precision. Därefter utfördes shuntbestämning med såväl MR som isotoper på 24 patienter, varav 6 barn. Isotop-mätning gav i medeltal ett 14 % högre shunt-värde, och en större mätvariation mellan olika analysutövare. MR-flödesmätning visade sig kunna mäta shuntflöde med mycket hög noggrannhet även vid stora shuntar, där isotoptekniken har kända begränsningar. Man bör därför kunna anta att flödesmätningstekniken är lika noggrann och precis i andra mätsituationer.



Delarbete IV Conduits är kärltransplantat som inopereras mellan höger kammare och lungkärlen om lungartären saknas eller är underutvecklad. Dessa transplantat förstörs med tiden genom kalkinlagring vilket ger förträngning och/eller klaffläckage och därmed ökande hjärtbelastning. Conduiten måste då bytas ut vid en ny operation. När detta sker kan inte förutsägas. Dessa patienter behöver därför kontrolleras livet ut, men är tyvärr ofta mycket svårundersökta med ekokardiografi på grund av skymmande ärrvävnad och lunga. I delarbete IV jämfördes 27 patienter som undersökts med ekokardiografi inklusive Doppler-mätning och MR. I MR protokollet ingick spinneko och cine-MR samt MR-flödesmätning för kartläggning av conduitens utseende och funktion, och värdering av högerkammarens storlek och funktion. 6 patienter blev även kateteriserade. Resultaten visade god överensstämmelse mellan metoderna vid mätning av graden av conduitförträngning, men något sämre vad gäller klaffläckage, vilket talar för att MR är en mer objektiv teknik än ekokardiografi. Som väntat kunde transplantatet inte inspekteras med ekokardiografi hos en stor andel av patienterna pga skymd sikt. Slutsatsen blev därför att tillfredsställande bedömning av höger kammare och dess utflöde (i denna studie representerat av en inopererad conduit) kan göras icke-invasivt med MR.



Delarbete V Vid coarktation, en medfödd förträngning på kroppspulsådern, leds blodflödet förbi hindret via andra kärl som upparbetas efter hand; s.k. kollateralkärl. Det är av intresse att före operation känna till deras omfattning. Flödet via dessa kärl kan mätas med MR-flödesmätning, vilket är en tidskrävande metod som förlänger undersökningstiden. En annan metod är att visa kärlen på MR bilder med hög bildupplösning med hjälp av spinneko-teknik och/eller CE-MRA. Studien visade att spinneko och CE-MRA var likvärdiga metoder vid bildframställning av kollateralkärl. Sambandet=korrelationen mellan storleken av kollateralflöde och mängden kollateral kärl var relativt bra. En exakt flödesberäkning behöver därför endast utföras när antalet kollateralkärl misstänks vara för litet eller om förträngningen inte är speciellt uttalad.



Sammanfattningsvis visar studien att MR erbjuder exakta och reproducerbara metoder för mätning av hjärtfunktion och flödesbestämning. MR kompletterar ekokardiografi, och MR kan ersätta kateterisering och hjärtkärlröntgen för kartläggning av anatomi både hos spädbarn och större barn.

• author: Holmqvist, Catarina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Ringertz, Hans, Stockholm
• organization: Diagnostic Radiology, (Lund)
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: medicinsk instrumentering, tomografi, radiologi, Klinisk fysiologi, Contrast-enhanced MR angiography., Coarctation, Intra-cardiac shunts, Conduits, Tetralogy of Fallot, Function, Flow, MR velocity mapping, Infants, Children, Magnetic Resonance Imaging, Angiocardiography, Heart, Congenital heart defects, medical instrumentation, tomography, radiology, Clinical physics
• pages: 103 pages
• defense location: Lund
• defense date: 2002-02-15 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Publisher name: Catarina Holmqvist, Department of Radiology, University hospital, SE-221 85 Lund, Sweden Publisher address: No value Publisher e-address: No value Article: Holmqvist C, Hochbergs P, Björkhem G, Brockstedt S, Laurin S.Preoperative evaluation with MRI in tetralogy of Fallot and pulmonary atresia with ventricular septal defect. ACTA Radiologica 42 (2001) 63-69. Article: Holmqvist C, Larsson E-M, Ståhlberg F, Laurin S. Contrast-enhanced thoracic 3D-MR angiography in infants and children. ACTA Radiologica 42 (2001) 50-58. Article: Arheden H, Holmqvist C, Thilén U, Hanseus K, Björkhem G, Pahlm O, Laurin S, Ståhlberg F. Left-to-right cardiac shunts: Comparison of measurements obtained with MR velocity mapping and with radionuclide angiography. Radiology 1999;211:453-458. Article: Holmqvist C, Oscarsson G, Ståhlberg F, Thilén U, Björkhem G, Laurin S.Functional evaluation of extracardiac ventriculo-pulmonary conduits and of the right ventricle with MR imaging and MR velocity mapping. Am J Cardiol 1999;83:926-932. Article: Holmqvist C, Ståhlberg F, Hanséus K, Hochbergs P, Sandström S,Larsson E-M, Laurin S. Collateral flow in Coarctation of the Aorta with MR Velocity Mapping: correlation to morphological imaging of collateral vessels.J Magn Reson Imaging. 2002 Jan;15(1):39-46.
• id: 9fe84c94-9553-475b-9725-b3b7ba954082 (old id 464536)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:18:47
• date last changed: 2018-11-21 20:58:02