Συγκριτική αξιολόγηση in vitro της λειτουργίας διαφόρων τύπων προσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς με τη χρήση νεότερων απεικονιστικών τεχνικών

Abstract

Background: A comprehensive non-invasive evaluation of prosthetic mitral valve function can be challenging. We described the development and functional testing of an MRI compatible flow loop system for comparison of multimodality imaging techniques to assess prosthetic mitral valve function. We presented a novel method to assess BMV effective orifice area (EOA) based on phase contrast (PC) cardiovascular magnetic resonance (CMR) and 4D Flow MRI derived data. We compared the performance of these new methods to Doppler and in vitro reference standards. Methods: Three prosthetic mitral valves with normal function, a 31 mm Medtronic Mosaic valve, a 31 mm Hancock II valve and a 31 mm Open Pivot mechanical prosthesis were placed into a mock ventricle and imaged using Doppler echocardiography, 3D color Doppler echocardiography and cardiovascular magnetic resonance, at 70 beats/min with DFVs of 70, 90 and 110 ml/beat. The diastolic orifice area was assessed by 2D spectral Doppler method (Doppler-EOA), 3D color Doppler method (3D-CDOA), cine MRI planimetry (ΑOA) and phase contrast MRI planimetry (PC-MROA) for each valve at each flow rate, followed by a head to head comparison of echocardiography and MRI-based techniques. In addition, four sizes of normal BMVs (27, 29, 31, 33 mm) and 4 stenotic BMVs (27 and 29 mm, with mild or severe leaflet obstruction) were evaluated using the CMR-compatible flow loop. Valves were evaluated with PC-CMR and Doppler methods under the same flow conditions of 70, 90 and 110 ml/beat, at 70 beats/min (N = 24). PC-EOA was calculated as PC-CMR flow volume divided by the PC-time velocity integral (TVI). Finally, 4 stented porcine BMVs (27, 29, 31, 33 mm) underwent 4D Flow imaging. 4D Flow-EOA was calculated by dividing the diastolic forward volume with the calculated 4D Flow-TVI. PC-ΕΟΑ and 4D Flow MRI-EOA were compared with the Doppler-EOA reference standards. Results: PC-DFV demonstrated an excellent correlation (r = 0.99, p < 0.0001) when compared with the flow transducer standard across all valve types and flow conditions. A two way ANOVA analysis showed that 3D-CDOA, ΑOA and PC-MROA were not significantly different from each other (p = NS), however the Doppler derived EOA was significantly smaller than the cine MRI, PC-CMR or the 3D color Doppler area measures (p < 0.001). PC-CMR measurements of the diastolic peak velocity and TVI correlated strongly with Doppler values (r = 0.99, p < 0.001 and r = 0.99, p < 0.001, respectively). Across all conditions tested, the Doppler and PC-CMR measurement of EOA (1.4 ± 0.5 vs 1.5 ± 0.7 cm2, respectively) correlated highly (r = 0.99, p < 0.001), with a minimum bias of 0.13 cm2, and narrow limits of agreement (-0.2 to 0.5 cm2). 4D Flow-EOA revealed a strong correlation when compared with Doppler derived EOA (r = 0.985, p < 0.001) and the mean difference was -0.1 ± 0.05 cm2 between the two methods. Calculated 4D Flow-TVI by our method correlated well with Doppler derived TVI (r = 0.99, p < 0.001 and mean difference 3.2 ± 1.97 cm). Conclusion: With the development of the flow loop we explored and defined the conditions in which a specific imaging modality is limited or best suited to the non-invasive assessment of prosthetic MV function. We described a novel method to assess bioprosthetic mitral valve function based on PC measures of transvalvular flow volume and velocity integration. PC-CMR methods can be used to accurately measure EOA for both normal and stenotic BMV’s and may provide an important new parameter of prosthetic valve function when Doppler methods are unobtainable or unreliable. Our 4D Flow data showed high agreement with Doppler-EOA calculations, demonstrating a potential for 4D Flow MRI in bioprosthetic valve evaluation.

Εισαγωγή: Η ενδελεχής αναίμακτη εκτίμηση της λειτουργίας των προσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς αποτελεί ιδιαίτερη πρόκληση για τον κλινικό καρδιολόγο. Περιγράφηκε η κατασκευή και ο λειτουργικός έλεγχος ενός κυκλώματος παλμικής ροής που αποτελείται από υλικά συμβατά με τον μαγνητικό τομογράφο για την in vitro αξιολόγηση της λειτουργίας προσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς με σύγχρονες απεικονιστικές μεθόδους. Παρουσιάστηκε μια νέα μέθοδος υπολογισμού της λειτουργικής επιφάνειας στομίου βασιζόμενη σε δεδομένα με τις ακολουθίες παλμών phase contrast και με την μέθοδο 4D Flow MRI. Η αποτελεσματικότητα των νέων αυτών μεθόδων συγκρίθηκε με την Doppler μέθοδο και με in vitro μεθόδους αναφοράς. Μέθοδοι: Τρεις φυσιολογικά λειτουργούσες προσθετικές βαλβίδες μιτροειδούς, δύο βιοπροσθετικές βαλβίδες Medtronic Mosaic και Hancock II, μεγέθη 31 mm, και μία μηχανική βαλβίδα Open Pivot, μέγεθος 31 mm, αντίστοιχα, τοποθετήθηκαν διαδοχικά στον ειδικά διαμορφωμένο θάλαμο απεικόνισης του πειραματικού μοντέλου και ακολούθησε απεικόνισή τους με την φασματική Doppler υπερηχοκαρδιογραφία, την τρισδιάστατη υπερηχοκαρδιογραφία με το έγχρωμο Doppler καθώς και με την μαγνητική τομογραφία καρδιάς, χρησιμοποιώντας τρία σενάρια διαστολικού όγκου ροής (70, 90, 110 ml/παλμό) στην καρδιακή συχνότητα των 70 παλμών/λεπτό (bpm). Mετρήθηκαν η διαστολική επιφάνεια στομίου ροής με τις μεθόδους Doppler (Doppler-EOA), τρισδιάστατη υπερηχοκαρδιογραφία με το έγχρωμο Doppler (3D-CDOA) και μαγνητική τομογραφία καρδιάς με την μέθοδο της πλανημέτρησης με τις ακολουθίες παλμών SSFP (ΑOA) και τις ακολουθίες παλμών phase contrast (PC-MROA), σε όλες τις συνθήκες ροής και για τους τρεις τύπους βαλβίδων, και ακολούθησε συγκριτική αξιολόγηση. Στην συνέχεια, τέσσερεις φυσιολογικά λειτουργούσες βιοπροσθετικές βαλβίδες (μεγέθη 27, 29, 31, 33 mm) και τέσσερεις βιοπροσθετικές βαλβίδες με στένωση (μεγέθη 27 και 29 mm, με ήπια και με σημαντική στένωση, αντίστοιχα) εκτιμήθηκαν αρχικά με την φασματική Doppler υπερηχοκαρδιογραφία και ακολούθως με απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, χρησιμοποιώντας τα ίδια τρία σενάρια όγκου διαστολικής ροής ανά παλμό (70, 90, 110 ml/παλμό) στην καρδιακή συχνότητα των 70 παλμών/λεπτό (bpm). Υπολογίστηκε η επιφάνεια λειτουργικού στομίου χρησιμοποιώντας τις ακολουθίες παλμών phase contrast (PC-EOA) με διαίρεση του διαστολικού όγκου ροής με το υπολογιζόμενο PC-TVI. Τέλος, τέσσερεις προς μελέτη φυσιολογικά λειτουργούσες βιοπροσθετικές βαλβίδες (μεγέθη 27, 29, 31, 33 mm, αντίστοιχα) αξιολογήθηκαν με απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού μελέτης ροής τεσσάρων διαστάσεων (4D Flow MRI), χρησιμοποιώντας όμοια σενάρια όγκου διαστολικής ροής (70, 90, 110 ml/παλμό) στην καρδιακή συχνότητα των 70 παλμών/λεπτό (bpm). Υπολογίστηκε η επιφάνεια λειτουργικού στομίου 4D Flow-EOA με διαίρεση του διαστολικού όγκου ροής με το υπολογιζόμενο 4D Flow-TVI. Συγκρίθηκαν οι PC-EOA, 4D Flow-EOA με την επιφάνεια λειτουργικού στομίου, που είχε υπολογιστεί με την Doppler υπερηχοκαρδιογραφία. Αποτελέσματα: Οι μετρήσεις του διαστολικού όγκου ροής (DFV) με τις ακολουθίες παλμών phase contrast έδειξαν στατιστικά σημαντική συσχέτιση (r = 0,99, p < 0,0001) κατά την σύγκρισή τους με τις μετρήσεις από τα υψηλής ακρίβειας ροόμετρα, για όλους τους τύπους βαλβίδων και όλες τις συνθήκες ροής. Η μελέτη ανάλυσης διακύμανσης, two way ANOVA, έδειξε ότι οι μετρήσεις της διαστολικής επιφάνειας στομίου 3D-CDOA, ΑOA και PC-MROA με την χρήση των απεικονιστικών μεθόδων δεν παρουσίασαν στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ τους (p = NS), ωστόσο η λειτουργική επιφάνεια στομίου με την Doppler μέθοδο ήταν μικρότερη από τις μετρήσεις που προέκυψαν με τις cine MRI, PC-CMR ή την τρισδιάστατη υπερηχοκαρδιογραφία με το έγχρωμο Doppler (p < 0,001). Η μέγιστη διαστολική ταχύτητα ροής και το ολοκλήρωμα των στιγμιαίων μέγιστων ταχυτήτων διαστολικής ροής - χρόνου (TVI) με την μέθοδο PC-CMR έδειξαν πολύ καλή συσχέτιση με τις τιμές από το συνεχές Doppler (r = 0,99, p < 0,001 και r = 0,99, p < 0,001, αντίστοιχα). Κατά την σύγκρισή της με την επιφάνεια λειτουργικού στομίου Doppler-EOΑ, η επιφάνεια λειτουργικού στομίου PC-EOA έδειξε στατιστικά σημαντική συσχέτιση (r = 0,99, p < 0,001), με την τελευταία (PC-EOA) να παρουσιάζει τιμές λίγο μεγαλύτερες σε σχέση με αυτή του Doppler-EOA (bias 0,13 cm2), με διάστημα εμπιστοσύνης 95%, που κυμαινόταν μεταξύ -0,2 και 0,5 cm2 με την ανάλυση Bland – Altman. Η επιφάνεια λειτουργικού στομίου βάσει του υπολογισμού της με την 4D Flow MRI ανέδειξε στατιστικά σημαντική συσχέτιση προς τον αντίστοιχο υπολογισμό της με την μέθοδο Doppler (r = 0,985, p < 0,001), και η μέση διαφορά που προέκυψε μεταξύ των δύο μεθόδων ήταν -0,1 ± 0,05 cm2. Το υπολογιζόμενο TVI συσχετίστηκε άριστα με το αντίστοιχο υπολογιζόμενο βάσει της μεθόδου Doppler-TVI (r = 0,99, p < 0,001 και μέση διαφορά 3,2 ± 1,97 cm).Συμπεράσματα: Με την δημιουργία του κυκλώματος παλμικής ροής διερευνήθηκαν και καθορίστηκαν οι επιμέρους περιπτώσεις κατά τις οποίες μια συγκεκριμένη αναίμακτη απεικονιστική μέθοδος υπερέχει ή παρουσιάζει αδυναμίες έναντι άλλων για την εκτίμηση των προσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς. Έγινε περιγραφή μιας νέας μεθόδου για την αξιολόγηση των προσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς, η οποία βασίστηκε σε μετρήσεις του διαβαλβιδικού όγκου ροής και του ολοκληρώματος των ταχυτήτων ροής - χρόνου που προήλθαν από τις ακολουθίες παλμών phase contrast. Ο υπολογισμός της επιφάνειας του λειτουργικού στομίου με τις ακολουθίες παλμών phase contrast αποδείχθηκε ακριβής για την εκτίμηση των βιοπροσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς, τόσο αυτών με φυσιολογική λειτουργία όσο και αυτών με στένωση, και συνεπώς αναδείχθηκε μια σημαντική νέα παράμετρος αξιολόγησης της λειτουργίας των βαλβίδων όταν η μέθοδος Doppler δεν είναι αξιόπιστη ή όταν παρουσιάζονται τεχνικές δυσκολίες κατά την απεικόνιση. Ο υπολογισμός της επιφάνειας του λειτουργικού στομίου με την 4D Flow MRI έδειξε υψηλή συμφωνία με τις μετρήσεις της Doppler μεθόδου, καταδεικνύοντας την δυνατότητα της 4D Flow MRI στην εκτίμηση της λειτουργίας των βιοπροσθετικών βαλβίδων μιτροειδούς.