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Publicação
Fully non-invasive pressure drop measurements and post treatment prediction in congenital heart diseases via cardiac magnetic resonance and computer flow dynamics
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Autores
Resumo(s)
De acordo com os dados de 2017 da Organização Mundial da Saúde, as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte a nível mundial. Se estes tipos de doenças não forem diagnosticadas e tratadas atempadamente, podem levar a insuficiências cardíacas ou outras complicações irreversíveis. As duas doenças cardiovasculares congénitas estudadas neste trabalho são a coarctação aórtica (CoA), caracterizada por uma estenose, habitualmente, na zona do arco da artéria aorta, e a doença da válvula aórtica (AvD), uma malformação ao nível da válvula aórtica. Estas doenças são responsáveis por cerca de 50,000 intervenções por ano. Deste modo, a melhoria métodos de diagnóstico e de intervenção adequados e eficientes é uma prioridade e pode levar ao decréscimo no número das intervenções, bem como reduzir a morbilidade e a mortalidade. A área de imagiologia médica de diagnóstico tem tido uma evolução significativa ao longo dos anos e é de extrema importância nas tentativas de substituição de métodos de diagnóstico invasivos. As imagens médicas são adquiridas e posteriormente processadas e analisadas, com recurso a programas adequados. Atualmente, é possível obter os valores de gradientes de pressão relativa a partir de Ecocardiografia Doppler e Ressonância Magnética. Contudo, os gradientes de pressão medidos no cateterismo cardíaco, o método gold standard para o diagnóstico de CoA e AvD, são gradientes de pressão absoluta. Nesta dissertação desenvolveu-se um método de diagnóstico de CoA e AvD, a partir dos mapas de pressão relativa no estreitamento da aorta e na válvula aórtica, respectivamente. O método matemático desenvolvido tem por base as equações de Poisson, resolvida com a condição de fronteira de Neumann utilizando os métodos de elementos finitos, e a de Navier Stokes para a conservação do momento. O método desenvolvido também tem em conta a informação proveniente da função de Windkessel da artéria aorta, uma artéria distensível. Esta função dá-nos o comportamento da propagação do pulso de pressão com uma velocidade de pulso de propagação. Deste modo, é observado um desfasamento temporal entre as curvas de fluxo da pressão e da velocidade, entre as duas regiões de interesse escolhidas. Deste modo, o método, denominado de Time-shift Corrected Pressure Maps (TCPM, sigla em inglês), permite obter os mapas de pressão absoluta, isto é, mapas de pressão que têm em conta o intervalo de tempo entre os picos de pressão na aorta descendente e ascendente, no caso do primeiro estudo, e antes e depois da válvula aórtica, no caso do segundo estudo. Os pacientes de ambos os estudos tinham indicação clínica para cateterismo cardíaco e foram submetidos a ressonância magnética cardiovascular de contraste de fase em tempo real (4D PC MRI, em inglês), para recolher as imagens ao nível da aorta e da válvula aórtica e os respectivos campos de velocidade da corrente sanguínea. O primeiro estudo tem como objetivo a aplicação do método TCPM a 27 pacientes de CoA (n=16 masculinos, n=11 femininos, faixa etária de 4 a 52 anos, idade média de 20±15 anos). Após aquisição das imagens, estas foram processadas usando programas específicos. Em primeiro lugar foi necessário segmentar a aorta, seguiu-se a seleção das regiões de interesse e, finalmente, a obtenção dos campos de velocidade e dos mapas de pressão relativa entre as duas regiões de interesse selecionadas. Após aplicação do método TCPM, foram aplicados testes estatísticos (correlação, teste t e Bland-Altman) para comparar os valores obtidos a partir de TCPM com os valores obtidos no cateterismo cardíaco. Após processamento das imagens dos 27 pacientes, 6 pacientes foram retirados do estudo. N=3 pacientes foram retirados porque a percentagem de fluxo que passa pelo estreitamento é insuficiente para calcular o gradiente de pressão a partir de TCPM e N=3 pacientes foram retirados porque a aorta não estava inserida por completo no FOV. As medições obtidas a partir de TPCM e cateterismo cardíaco têm uma correlação linear significante (R²=0,90; p<0,001). A partir dos gráficos Bland-Altman é possível verificar uma boa concordância entre as medições de ambos os métodos, com bias de -2,69 mmHg e os limites de concordância de ±4,74 mmHg. O teste de equivalência mostrou uma relação significante entre os métodos (p=0,007). O segundo estudo tem como objetivo a aplicação do método TPCM e o método da Área de Gorlin a 4 pacientes de AvD (n=4 masculinos, faixa etária 17 a 36 anos, idade média 27±7 anos). O método da Área de Gorlin permite obter o gradiente de pressão absoluta a partir da área geométrica da válvula e do fluxo total que passa nessa área. Após a aquisição das imagens, foi feito o processamento das mesmas. Numa primeira fase, as imagens foram segmentadas na região da válvula aórtica. Depois, as imagens segmentadas foram analisadas em dois programas distintos. O primeiro foi utilizado de forma a obter os campos de velocidade e os mapas de pressão relativa entre dois pontos antes e depois da válvula aórtica. O segundo permitiu definir a região da válvula como região de interesse e exportar os valores de velocidade, área, pressão relativa e fluxo absoluto nessa região. Os resultados mostram uma correlação linear significativa entre os valores de cateterismo cardíaco e de TCPM (R²=0,99; p<0,001). Os gráficos de Bland-Altman mostram uma boa concordância entre os valores de TCPM (24,75±22,50 mmHg) e de cateterismo (20,88±19,51 mmHg), com um bias de -3,87 mmHg e limites de concordância de ±3,64 mmHg. Os resultados também sugeriram uma ligeira subestimação dos valores do cateterismo cardíaco a partir do método da Área de Gorlin (14,47±13,00 mmHg), com um bias de 6,41 mmHg e limites de concordância de ±7,15 mmHg. Este estudo foi feito com uma amostra diminuta de 4 pacientes, o que não é suficiente para retirar conclusões com significância. Contudo, foi uma primeira abordagem positiva, que mostra a potencialidade que este método pode vir a apresentar. O método TCPM proposto neste projeto permite a medição não invasiva de gradientes de pressão absoluta a partir de mapas de pressão relativa em pacientes de CoA e AvD. Vários aspectos têm que ser tidos em conta de forma a garantir a eficácia deste método. Por exemplo, as regiões de interesse escolhidas têm que se cuidadosamente selecionadas de forma a serem perpendicular à direção do fluxo naquele local. Só desta maneira é possível obter o fluxo, os campos de velocidade e as pressões relativas corretas. Também, se o raio da estenose for menor que 2 voxéis, a relação sinal-ruído aumenta substancialmente, e a resolução especial da aquisição é insuficiente. Contudo, a aplicação do método TPCM a casos de grande estreitamento não é necessária visto que estes casos já são tipicamente identificados em imagens anatómicas de ressonância magnética e que o paciente segue automaticamente para intervenção quando a área do estreitamente representa cerca de 50% do valor de área típico da aorta. O método não invasivo TCPM apresenta uma boa concordância com o cateterismo cardíaco em termos da medição dos gradientes de pressão em CoA e AvD. Os bias e os limites de concordância entre cateterismo e TCPM foram substancialmente mais pequenos que os bias e os limites de concordância entre cateterismo e ecocardiografia Doppler e entre o cateterismo e o método da Área de Gorlin. Com os resultados apresentados já é possível ver o potencial desta técnica no processo de diagnóstico e decisão de intervenção em casos de CoA e AvD. Contudo, estudos com populações maiores será extremamente benéfico para validar clinicamente este método.
This dissertation aims to validate MRI-based time-shift corrected pressure mapping (TCPM) against cardiac catheterization in CoA and AvD patients. Also, in AvD patients, catheterization will be compared against Gorlin Area method. This project is divided in two independent studies: the first one for CoA patients and the second one for AvD patients, all with clinical indication for cardiac catheterization. In both CoA and AvD, clinical guidelines recommend treatment in the presence of a relevant pressure gradient. While reliable non-invasive measurement approaches would be crucial, the accuracy of currently available methods has been limited. In both studies, 4D PC-MRI was performed to compute relative pressure maps via Pressure-Poisson equation. To consider the patient-specific peak pressure time-shift from the ascending to the descending aorta and before and after the aortic valve, relative pressure gradient maps were corrected by the inertial term. Comparison between TCPM and invasive peak-to-peak measurements was performed using correlation, Bland-Altman plots and mean-equivalence t-test. In the first study, with a cohort of 21 patients with CoA, TCPM and catheter measurements showed significant linear correlation (R²=0.90; p<0.001). Bland-Altman plots demonstrated good agreement between TCPM and catheter derived pressure gradients with mean differences of -2.69 mmHg and 95% limits of agreement between -6.38 and 1.00 mmHg between methods. The mean-equivalence test was significant (p=0.007). In the second study, with a cohort of 4 patients with AvD, the catheterization measurements were compared against TPCM measurements. The results showed significant linear correlation (R²=0.99; p<0.001). Bland Altman plots showed a good agreement between TCPM (24.75±22.50 mmHg) and catheter derived peak-to-peak pressure gradients (20.88±19.51 mmHg), and suggested slight underestimation of the pressure gradients by the Gorlin Area method (14.47±13.00 mmHg). Non-invasive TCPM showed equivalence to pressure gradients from invasive heart catheterization in patients with CoA and AvD. However, in the AvD study, they were obtained for a very small cohort of patients and do not have sufficient statistical significance to validate the method for AvD patients.
This dissertation aims to validate MRI-based time-shift corrected pressure mapping (TCPM) against cardiac catheterization in CoA and AvD patients. Also, in AvD patients, catheterization will be compared against Gorlin Area method. This project is divided in two independent studies: the first one for CoA patients and the second one for AvD patients, all with clinical indication for cardiac catheterization. In both CoA and AvD, clinical guidelines recommend treatment in the presence of a relevant pressure gradient. While reliable non-invasive measurement approaches would be crucial, the accuracy of currently available methods has been limited. In both studies, 4D PC-MRI was performed to compute relative pressure maps via Pressure-Poisson equation. To consider the patient-specific peak pressure time-shift from the ascending to the descending aorta and before and after the aortic valve, relative pressure gradient maps were corrected by the inertial term. Comparison between TCPM and invasive peak-to-peak measurements was performed using correlation, Bland-Altman plots and mean-equivalence t-test. In the first study, with a cohort of 21 patients with CoA, TCPM and catheter measurements showed significant linear correlation (R²=0.90; p<0.001). Bland-Altman plots demonstrated good agreement between TCPM and catheter derived pressure gradients with mean differences of -2.69 mmHg and 95% limits of agreement between -6.38 and 1.00 mmHg between methods. The mean-equivalence test was significant (p=0.007). In the second study, with a cohort of 4 patients with AvD, the catheterization measurements were compared against TPCM measurements. The results showed significant linear correlation (R²=0.99; p<0.001). Bland Altman plots showed a good agreement between TCPM (24.75±22.50 mmHg) and catheter derived peak-to-peak pressure gradients (20.88±19.51 mmHg), and suggested slight underestimation of the pressure gradients by the Gorlin Area method (14.47±13.00 mmHg). Non-invasive TCPM showed equivalence to pressure gradients from invasive heart catheterization in patients with CoA and AvD. However, in the AvD study, they were obtained for a very small cohort of patients and do not have sufficient statistical significance to validate the method for AvD patients.
Descrição
Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
Palavras-chave
Ressonância Magnética Cardiovascular Coartação da aorta Gradientes de pressão Estenose aórtica Mapas de pressão através de Ressonância Magnética 4D PC-MRI Teses de mestrado - 2017