Further Development and Validation of MR Elastography for Assessment of the Central Cardiovascular System
Final Report Abstract
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind häufig und mit einer relevanten Morbidität und Mortalität der Bevölkerung verbunden. Obwohl bekannt ist, dass Elastizitätsveränderungen des zentralen kardiovaskulären Systems bereits vor morphologischen Veränderungen und Endorganschäden nachweisbar sind, fehlen doch bislang noch Messmethoden, diesen Parameter nicht-invasiv direkt ortsaufgelöst bildgebend darzustellen. Als Surrogatparameter wird bislang nicht-invasiv die Pulswellengeschwindigkeit abgeschätzt, da der Goldstandard einer Elastizitätsbestimmung, die Messung einer zur Volumen- oder Flächenänderung notwendige Druckdifferenz technisch aufwändig und invasiv ist. Auch mittels Elastographie können Steifigkeitsmessungen in-vivo durchgeführt werden, allerdings existieren bislang nur einzelne Machbarkeitsversuche in der abdominellen Aorta. In dem hier durchgeführten Forschungsvorhaben wurden deshalb elastografische Messmethoden zur bildgestützten Berechnung von Elastizitätsveränderungen der Gefäße im zentralen kardiovaskulären System entwickelt und validiert. Zum einen wurde eine Magnetresonanz-Elastografietechnik (stroboscopic-wavefield-sampling based Steady-State Multifrequency Magnetic Resonance Elastography (s-MRE)) implementiert, die erstmals eine Darstellung viskoelastischer Parameter sowohl in der thorakalen als auch der abdominellen Aorta ermöglicht. Die konsekutive Untersuchung von 20 Probanden unterschiedlichen Alters zeigt die bekannte altersabhängige Zunahme der Gefäßwandsteifigkeit. Auf Parameterkarten der bewegungsarmen diastolischen kardio-aortalen Phase konnten eine von proximal nach distal abnehmende Elastizität und zunehmende Viskosität in den verschiedenen Segmente der Aorta ascendens, descendens und abdominalis abgebildet werden. Die s-MRE zeigt eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und eine geringe Inter- und Intraobservervariabilität. Zum anderen wurde die Ultraschallelastographie zur Untersuchung der Gefäße weiterentwickelt und nach einer prinzipiellen Machbarkeitsstudie folgende weitergehende Erkenntnisse aus den durchgeführten Untersuchungen der Aorta abdominalis gewonnen: Die zeitharmonische Ultraschallelastographie ist einfach und schnell anwendbar, sodass prinzipiell auch Patienten mit Kontraindikationen für Magnetresonanz-Elastografien untersucht werden. An 20 gesunden Probanden zeigt eine Steigerung des intravasalen Volumens und Autotransfusion durch Beinhochlagerung keinen Einfluss auf die gemessene Steifigkeit der Aorta abdominalis. Übereinstimmend mit Erkenntnissen der Physiologie zeigt sich aber in dem direkt daneben lokalisierten venösen Kapazitätsgefäß, der Vena cava inferior, eine zunehmende Steifigkeit der Venenwand. Die altersabhängige Zunahme der Gefäßwandsteifigkeit kann mit 0.024m/s/Jahr quantifiziert werden. Patienten mit jahrelang bekannter arterieller Hypertonie zeigen signifikant höhere Messwerte, hinweisend auf eine höhere Gefäßwandsteifigkeit. In einem Kollektiv von 74 Personen zeigt die zeitharmonische Ultraschallelastographie eine sehr hohe diagnostische Genauigkeit von 0.966 in der ROC-Analyse. Darüber hinaus zeigt sich eine exzellente Reproduzierbarkeit. Ferner konnte eine schwache Abhängigkeit der gemessenen Scherwellengeschwindigkeit vom nicht-invasiv bestimmten mittleren arteriellen Druck und Pulsdruck der Aorta erhoben werden. Aus diesem Grunde wurde die Druckabhängigkeit der Untersuchungstechnik an explantierten Schweineaorten zwischen 0-130 mm Hg analysiert. Neben den nativen Gefäßen wurden auch mit Formalin versteifte Gefäße untersucht. Die Abhängigkeit vom intravasalen Druck war gering und lag bei 30 mm Hg bei 2,50% bzw. 1,89% und 8,60% und 6,61% bei 110 mmHg für native bzw. formalinfixierte Gefäße. Die beiden entwickelten und erprobten Untersuchungtechniken, die MR- und die Ultraschallelastografie, erlauben eine genaue und reproduzierbare Bestimmung gewebemechanischer Gefäßwandeigenschaften. Hiermit können sie die Grundlage für den weitergehenden Einsatz in der Diagnostik und Therapie medikamentöser und nicht-medikamentöser Therapien bei Herz-Kreislauferkrankungen bilden.
Publications
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Schaafs LA, Tzschätzsch H, Steffen IG, Braun J, Hamm B, Sack I, Elgeti T
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Quantitative Time-Harmonic Ultrasound Elastography of the Abdominal Aorta and Inferior Vena Cava Ultrasound Med Biol. 2019 Sep;45(9):2349-2355
Schaafs LA, Tzschätzsch H, Figiel C, van der Giet M, Reshetnik A, Hamm B, Sack I, Elgeti T
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Ultrasound time-harmonic elastography of the aorta - effect of age and hypertension on aortic stiffness Investigative Radiology 2019 Nov;54(11):675-680
Schaafs LA, Tzschätzsch H, Reshetnik A, van der Giet M, Braun J, Hamm B, Sack I, Elgeti T
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teady-State Multifrequency Magnetic Resonance Elastography of the Thoracic and Abdominal Human Aorta – Validation and Reference Values Investigative Radiology 2020
Schaafs LA, Schrank F, Warmuth C, Steffen IG, Braun J, Hamm B, Sack I, Elgeti T
