Left Ventricular Structure and Function Basic Science for Cardiac Imaging

The myofiber geometry of the left ventricle (LV) changes gradually from a right-handed helix in the subendocardium to a left-handed helix in the subepicardium. In this review, we associate the LV myofiber architecture with emerging concepts of the electromechanical sequence in a beating heart. We discuss: 1) the morphogenesis and anatomical arrangement of muscle fibers in the adult LV; 2) the sequence of depolarization and repolarization; 3) the physiological inhomogeneity of transmural myocardial mechanics and the apex-to-base sequence of longitudinal and circumferential deformation; 4) the sequence of LV rotation; and 5) the link between LV deformation and the intracavitary flow direction observed during each phase of the cardiac cycle. Integrating the LV structure with electrical activation and motion sequences observed in vivo provides an understanding about the spatiotemporal sequence of regional myocardial performance that is essential for noninvasive cardiac imaging

Evaluation of left ventricular torsion by cardiovascular magnetic resonance

Recently there has been considerable interest in LV torsion and its relationship with symptomatic and pre-symptomatic disease processes. Torsion gives useful additional information about myocardial tissue performance in both systolic and diastolic function. CMR assessment of LV torsion is simply and efficiently performed. However, there is currently a wide variation in the reporting of torsional motion and the procedures used for its calculation. For example, torsion has been presented as twist (degrees), twist per length (degrees/mm), shear angle (degrees), and shear strain (dimensionless). This paper reviews current clinical applications and shows how torsion can give insights into LV mechanics and the influence of LV geometry and myocyte fiber architecture on cardiac function. Finally, it provides recommendations for CMR measurement protocols, attempts to stimulate standardization of torsion calculation, and suggests areas of useful future research

Will the real ventricular architecture please stand up?

Ventricular twisting, essential for cardiac function, is attributed to the contraction of myocardial helical fibers. The exact relationship between ventricular anatomy and function remains to be determined, but one commonly used explanatory model is the helical ventricular myocardial band (HVMB) model of Torrent-Guasp. This model has been successful in explaining many aspects of ventricular function, (Torrent-Guasp et al. Eur. J. Cardiothorac. Surg., 25, 376, 2004; Buckberg et al. Eur. J. Cardiothorac. Surg., 47, 587, 2015; Buckberg et al. Eur. J. Cardiothorac. Surg. 47, 778, 2015) but the model ignores important aspects of ventricular anatomy and should probably be replaced. The purpose of this review is to compare the HVMB model with a different model (nested layers). A complication when interpreting experimental observations that relate anatomy to function is that, in the myocardium, shortening does not always imply activation and lengthening does not always imply inactivation

Myocardial strain, torsion and untwisting in the normal and failing heart measured with magnetic resonance imaging

Rossum, A.C. van [Promotor]Heethaar, R.M. [Promotor]Marcus, J.T. [Copromotor]Götte, M.J.W. [Copromotor

Evaluation of left ventricle strains by applying SPAMM cardiac MRI techniques

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017As doenças cardiovasculares são uma das maiores causas de morte no mundo, causando aproximadamente 17.5 milhões de mortes por ano, o que corresponde a 31% de todas as mortes no mundo. Estas doenças caracterizam-se pela diminuição da contração da parede do miocárdio durante o ciclo cardíaco. Uma das doenças mais comuns é a cardiomiopatia dilatada (DCM), onde o músculo cardíaco fica mais fino e fraco, e as cavidades cardíacas ficam aumentadas. Consequentemente, a capacidade de deformação do miocárdio é diminuída, o que impossibilita o coração de bombear eficientemente o sangue para as restantes partes do corpo. Esta condição é maioritariamente genética, mas também pode ser provocada por diferentes causas como infeções virais, inflamações ou lesões. A análise da deformação da parede do miocárdio aquando do ciclo cardíaco possibilita não só a identificação das deformações normais do miocárdio aquando da sua contração, mas também das deformações anormais devido a doenças cardíacas. A técnica de ressonância magnética cardíaca (CMR) é não invasiva e tem uma elevada resolução espacial, sendo por isso indispensável no estudo destas deformações. Esta técnica permite detetar essas mesmas características da contração e distensão do músculo cardíaco, possibilitando a análise das deformações e a respetiva distinção entre os pacientes saudáveis e os pacientes com cardiomiopatia dilatada. Nesta doença, observa-se o estreitamento das paredes do miocárdio e a dilatação das cavidades cardíacas, como é o caso do ventrículo esquerdo, o que se observa pelo aumento do seu diâmetro. O resultado é um decréscimo significativo na tensão e deformação da parede do miocárdio, o que impacta negativamente na eficiência da sístole ventricular. A técnica de Modulação Espacial da Magnetização (SPAMM) tem vindo a ser proposta para a visualização do movimento e deslocamento da parede do miocárdio no seu plano de imagem, através da criação de padrões de linhas e grelhas com magnetização alterada na imagem. Estes padrões são marcadores que seguem a deformação do músculo cardíaco. Ao serem detetados e seguidos durante o ciclo cardíaco, estes marcadores contribuem para o estudo do movimento da parede do miocárdio aquando da sua contração. A amostra usada nesta tese consistiu em imagens de ressonância magnética cardíaca de 9 indivíduos, 3 dos quais são saudáveis e os outros 6 são pacientes com DCM. As imagens foram adquiridas pelo Hospital Motol em Praga (República Checa) e analisadas pelo Instituto de Informática, Robótica and Cibernética da Faculdade de Engenharia Elétrica em Praga. A tese proposta teve como objetivo o estudo da deformação radial no ventrículo esquerdo através da automatização na deteção dos marcadores presentes no mesmo, assim como no seu seguimento ao longo do ciclo cardíaco. Pela análise das deformações de voluntários saudáveis e de pacientes com cardiomiopatia dilatada, é possível comparar os seus padrões de deformação cardíaca de modo a analisar as diferenças entre os dois. Pelo estudo das deformações, sabe-se que um valor positivo de deformação corresponde a um espessamento de um objeto e um valor negativo corresponde ao seu encurtamento, relativamente ao seu tamanho inicial. Durante a contração do miocárdio, é normal observar-se um espessamento e encurtamento da parede do ventrículo esquerdo. Assim sendo, as deformações radiais tomam valores positivos devido ao espessamento da parede e as circunferenciais tomam valores negativos devido ao encurtamento da parede. Os métodos de deteção dos marcadores foram aplicados com sucesso nos sujeitos saudáveis e com cardiomiopatia dilatada, sendo que estes marcadores foram também corretamente seguidos ao longo do ciclo cardíaco, durante a sístole e a diástole. Nos sujeitos saudáveis, foi observado um intervalo de deformações radiais entre 18.63 % e 43.84 %, enquanto que em pacientes com cardiomiopatia dilatada, os valores de deformação radial variaram entre 10.73 % e 14.14 %. De notar que os valores das deformações radiais são positivos e, por isso, confirmam o espessamento da parede do ventrículo esquerdo aquando da sua contração. Assim sendo, os resultados desta dissertação vão de encontro com os resultados dos testes feitos anteriormente em voluntários saudáveis e com cardiomiopatia dilatada, visto que os intervalos de deformações são semelhantes para os dois grupos. Ao comparar-se as deformações dos dois grupos pelo teste estatístico Mann-Whitney, verificou-se uma diferença significativa (p<0.05) nos valores das deformações entre os mesmos. Assim sendo, esta tese também confirma que os pacientes com a doença cardíaca têm valores mais baixos de deformação em relação aos indivíduos saudáveis, tal como é comprovado pelo facto da doença cardiomiopatia dilatada ser caracterizada pela diminuição da deformação do miocárdio durante o ciclo cardíaco. Pela comparação dos diferentes segmentos ao longo das secções básica, média e apical do ventrículo esquerdo, foi também observado que nos pacientes com cardiomiopatia dilatada, a deformação mínima correspondeu ao segmento inferolateral da base do ventrículo e que a deformação máxima se deu no segmento anteroseptal da secção média do ventrículo. Em contrapartida, nos indivíduos saudáveis, o mínimo da deformação foi no segmento anterior e o máximo da deformação correspondeu ao segmento inferoseptal, ambos os segmentos pertencentes à secção média do ventrículo esquerdo. Estes resultados foram também observados em estudos anteriores relativos a pacientes com cardiomiopatia dilatada. Relativamente à análise das deformações circunferenciais, foi observado que, nos sujeitos saudáveis, o intervalo das deformações esteve entre -32.17 % e -24.33 %, enquanto que nos pacientes com cardiomiopatia dilatada, o intervalo foi de -15.92 % a -8.17 %. O valor negativo da deformação circunferencial é devido ao encurtamento da parede do ventrículo esquerdo, sendo que este valor se encontra em conformidade com o correto comportamento da parede do ventrículo durante a contração do miocárdio, tal como observado em estudos anteriores. Para alem destes factos, também se verificou que o máximo da deformação circunferencial foi dado na secção media do ventrículo esquerdo, enquanto que o mínimo foi na secção apical do mesmo. Ao comparar-se as deformações circunferenciais, pelo teste estatístico Mann-Whitney, durante a systole e entre os dois grupos de sujeitos, verificou-se existe uma diminuição significativa (p<0.05) do seu valor absoluto nos pacientes, relativamente aos sujeitos saudáveis. Adicionalmente, também foi estudado o efeito do género (masculino / feminino) nas deformações dos pacientes com cardiomiopatia dilatada. Os resultados do estudo mostraram que as deformações do ventrículo esquerdo são maiores no género masculino, em relação ao género feminino. Contudo, outros estudos realizados anteriormente não relataram qualquer relação entre as deformações do miocárdio e o género (masculino / feminino) dos respetivos pacientes. Com esta dissertação foi possível concluir que o estudo das deformações no ventrículo esquerdo é um parâmetro importante na avaliação da contratilidade do coração. O facto de a Ressonância magnética ser uma técnica não invasiva e da técnica de Modulação espacial da magnetização permitir criar um padrão de grelha que facilmente acompanha movimentos na parede do músculo, possibilitou a eficiente deteção das deformações na parede do ventrículo esquerdo. Uma outra conclusão importante deste estudo é o facto da doença cardiomiopatia dilatada provocar uma diminuição da capacidade de deformação do coração, visto que a doença é caracterizada pelo estreitamento da parede do miocardio e por uma dilatação das cavidades cardíacas, especialmente dos ventrículos. Este facto está na origem da diminuição das deformações radiais e circunferenciais, em relação às deformações dos pacientes saudáveis. Foi também observado que a secção do ventrículo esquerdo responsável pela maior deformação é a secção média, pois foi nesta secção que se observou um maior número de valores máximos de deformação. Por fim, nesta tese também se confirma que durante a contração do miocárdio, a deformação radial teve valores positivos e a deformação circunferencial teve valores negativos, o que comprova que houve um espessamento e encurtamento da parede do ventrículo esquerdo durante a sua contração. Assim sendo, verifica-se que ao longo desta dissertação foi possível analisar a relação da deformação do ventrículo esquerdo com a doença cardiomiopatia dilatada e consequentemente, avaliar se a deformação calculada é normal ou devido à doença cardíaca. Como tal, a partir deste estudo foi possível facilitar a deteção das deformações, bem como fazer a sua análise para contribuição do estudo das doenças cardíacas, tal como a cardiomiopatia dilatada. Como trabalho futuro, poderá estudar-se como detetar automaticamente o ventrículo esquerdo e como calcular eficientemente as suas deformações. Assim, poderá também aprofundar-se o estudo e a análise da doença cardiomiopatia dilatada e de outras doenças cardíacas.Cardiovascular diseases are one of the main causes of death in the world. These diseases modify the myocardial wall contraction during cardiac cycle. One of the most common types of these diseases is the dilated cardiomyopathy (DCM), in which the heart muscle becomes weaker and the heart cavities are enlarged. Consequently, the heart deformation capability is decreased, which prevents it from pumping blood efficiently. This condition can be genetic or due to various causes such as viral infections, inflammation or injuries. The analysis of cardiac wall deformation enables identifying normal or abnormal deformations due to heart disease. Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) is able to detect the characteristic abnormalities of DCM, which are the wall thinning and dilation of heart chambers, more specifically the increasing of ventricle diameter. The result is a significant decrease in wall stress and strain, which has a negative impact on systolic ventricular performance. The Spatial Modulation of Magnetization (SPAMM) technique has been proposed for imaging myocardial motion within the plane of the image by creating a pattern of lines or grids with altered magnetization on the image. These patterns are tags that deform according to the heart muscle deformation and can be detected and tracked for wall motion studying. The sample used in this thesis was composed by cardiac MRI scans of 9 subjects, 3 of which were healthy subjects and the other 6 were patients with DCM. The scans were acquired by Motol Hospital in Prague (Czech Republic) and analyzed in the Institute of Informatics, Robotics and Cybernetics from the Faculty of Electrical Engineering in Prague. The proposed thesis intended to assess the left ventricle (LV) radial and circumferential strains by automatically detecting LV tags and tracking those during cardiac cycle. By analyzing the heart strains from healthy subjects and patients with DCM, it is possible to compare both patterns of cardiac deformation within the cardiac cycle in order to analyze the differences between them. Positive strain values describe myocardial thickening and negative values describe its shortening, related to its original length. During myocardial contraction, the radial strain is positive due to myocardial thickening, and the circumferential strain is negative due to myocardial shortening. The tracking methods were successfully applied on heathy and DCM patients and the tags were successfully detected during systole and diastole. A comparison between the strains, by Mann-Whitney statistical test, during the cardiac cycle in both sets of subjects, identified a significant difference (p<0.05) between them. It was observed that in healthy subjects, the radial strain varied from 18.63 % to 43.84 %, while in DCM patients, the radial strain varied from 10.73 % to 14.14 %. The radial strains are positive values, as the LV thickens during myocardial contraction. The results of this thesis are in agreement with previous studies done with DCM and healthy subjects, as the ranges of deformations are similar in both sets of subjects. Moreover, this thesis also confirms that DCM patients have lower radial strain values than healthy subjects, as DCM is characterized by a decrease in heart muscle strain during the cardiac cycle. By comparing several segments in the different sections of the heart, it was also observed that in DCM patients, the minimum deformation was on the inferolateral segment of the base, while the maximum was on the anteroseptal segment of the middle section. However, in healthy subjects, the minimum deformation was on the anterior segment and the maximum was on the inferoseptal segment, both in the middle section of the left ventricle. This result was also observed in previous studies. Regarding to the circumferential strains analysis, it was observed that in healthy subjects, the average circumferential strain range was from -32.17 % to -24.33 %, while in DCM patients, it was from -15.92 % to -8.17 %. The negative value of the circumferential strain means that there was a LV wall shortening and this is in conformity with the correct behavior of LV during myocardial contraction. Moreover, in healthy subjects, the mid section of LV has the major strain, while in DCM patients, it is the apical section. A comparison between the circumferential strains during systole in both sets of subjects supports the previous studies results, in which the circumferential stains values are negative during systole. Additionally, the results of Mann-Whitney statistical test also shown significant lower absolute (p<0.05) values on DCM patients, when comparing to healthy subjects. Additionally, the effect of the gender (male/ female) on the strains was also investigated on the DCM patients and the results suggest that in women, the LV strain is lower than in men. Despite these results, the other studies did not report any conclusion related to this effect. It is possible to state that the study of the LV strain is an important parameter in the evaluation of the cardiac contractility. A non-invasive assessment of LV by MRI and the superimposed grid created by SPAMM improved the tracking of LV wall strains. Another important conclusion of this study was that DCM decreases the deformation capabilities of the heart, as it is responsible for the wall thinning and dilation of heart chambers, causing a decrease in wall radial and circumferential strains. Moreover, it was observed that the major section responsible for the myocardial deformation was the middle section of the LV. Finally, this thesis also confirmed that during myocardial contraction, the radial strain values are positive due to the myocardial thickening and the circumferential values are negative due to the myocardial shortening. A need to automatically detect the LV and also to efficiently calculate the LV strains in a short time can be developed as a future work, which will also improve the analysis of DCM disease and other cardiac diseases

Doctor of Philosophy

dissertationImage-based biomechanics, particularly numerical modeling using subject-specific data obtained via imaging, has proven useful for elucidating several biomechanical processes, such as prediction of deformation due to external loads, applicable to both normal function and pathophysiology of various organs. As the field evolves towards applications that stretch the limits of imaging hardware and acquisition time, the information traditionally expected as input for numerical routines often becomes incomplete or ambiguous, and requires specific acquisition and processing strategies to ensure physical accuracy and compatibility with predictive mathematical modeling. These strategies, often derivatives or specializations of traditional mechanics, effectively extend the nominal capability of medical imaging hardware providing subject-specific information coupled with the option of using the results for predictive numerical simulations. This research deals with the development of tools for extracting mechanical measurements from a finite set of imaging data and finite element analysis in the context of constructing structural atlases of the heart, understanding the biomechanics of the venous vasculature, and right ventricular failure. The tools include: (1) application of Hyperelastic Warping image registration to displacement-encoded MRI for reconstructing absolute displacement fields, (2) combination of imaging and a material parameter identification approach to measure morphology, deformation, and mechanical properties of vascular tissue, and (3) extrapolation of diffusion tensor MRI acquired at a single time point for the prediction the structural changes across the cardiac cycle with mechanical simulations. Selected tools were then applied to evaluate structural changes in a reversible animal model for right ventricular failure due to pressure overload

Novel cardiovascular magnetic resonance phenotyping of the myocardium

INTRODUCTION Left ventricular (LV) microstructure is unique, composed of a winding helical pattern of myocytes and rotating aggregations of myocytes called sheetlets. Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a cardiovascular disease characterised by left ventricular hypertrophy (LVH), however the link between LVH and underlying microstructural aberration is poorly understood. In vivo cardiovascular diffusion tensor imaging (cDTI) is a novel cardiovascular MRI (CMR) technique, capable of characterising LV microstructural dynamics non-invasively. In vivo cDTI may therefore improve our understanding microstructural-functional relationships in health and disease. METHODS AND RESULTS The monopolar diffusion weighted stimulated echo acquisition mode (DW-STEAM) sequence was evaluated for in vivo cDTI acquisitions at 3Tesla, in healthy volunteers (HV), patients with hypertensive LVH, and HCM patients. Results were contextualised in relation to extensively explored technical limitations. cDTI parameters demonstrated good intra-centre reproducibility in HCM, and good inter-centre reproducibility in HV. In all subjects, cDTI was able to depict the winding helical pattern of myocyte orientation known from histology, and the transmural rate of change in myocyte orientation was dependent on LV size and thickness. In HV, comparison of cDTI parameters between systole and diastole revealed an increase in transmural gradient, combined with a significant re-orientation of sheetlet angle. In contrast, in HCM, myocyte gradient increased between phases, however sheetlet angulation retained a systolic-like orientation in both phases. Combined analysis with hypertensive patients revealed a proportional decrease in sheetlet mobility with increasing LVH. CONCLUSION In vivo DW-STEAM cDTI can characterise LV microstructural dynamics non-invasively. The transmural rate of change in myocyte angulation is dependent on LV size and wall thickness, however inter phase changes in myocyte orientation are unaffected by LVH. In contrast, sheetlet dynamics demonstrate increasing dysfunction, in proportion to the degree of LVH. Resolving technical limitations is key to advancing this technique, and improving the understanding of the role of microstructural abnormalities in cardiovascular disease expression.Open Acces

Doctor of Philosophy

dissertationDiffusion tensor MRI (DT-MRI or DTI) has been proven useful for characterizing biological tissue microstructure, with the majority of DTI studies having been performed previously in the brain. Other studies have shown that changes in DTI parameters are detectable in the presence of cardiac pathology, recovery, and development, and provide insight into the microstructural mechanisms of these processes. However, the technical challenges of implementing cardiac DTI in vivo, including prohibitive scan times inherent to DTI and measuring small-scale diffusion in the beating heart, have limited its widespread usage. This research aims to address these technical challenges by: (1) formulating a model-based reconstruction algorithm to accurately estimate DTI parameters directly from fewer MRI measurements and (2) designing novel diffusion encoding MRI pulse sequences that compensate for the higher-order motion of the beating heart. The model-based reconstruction method was tested on undersampled DTI data and its performance was compared against other state-of-the-art reconstruction algorithms. Model-based reconstruction was shown to produce DTI parameter maps with less blurring and noise and to estimate global DTI parameters more accurately than alternative methods. Through numerical simulations and experimental demonstrations in live rats, higher-order motion compensated diffusion-encoding was shown to successfully eliminate signal loss due to motion, which in turn produced data of sufficient quality to accurately estimate DTI parameters, such as fiber helix angle. Ultimately, the model-based reconstruction and higher-order motion compensation methods were combined to characterize changes in the cardiac microstructure in a rat model with inducible arterial hypertension in order to demonstrate the ability of cardiac DTI to detect pathological changes in living myocardium

Asociación de la disincronía de ventrículo izquierdo con mal pronóstico en los pacientes con tetralogía de Fallot

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Pediatría. Fecha de lectura: 17-10-201