Analysis of 3D flow data in the aorta: Optimised dual-venc flow-sensitive MRI and statistical data analysis for automated flow classification
Final Report Abstract
In dem von der DFG unterstütztem Forschungsprojekt wurden zum einen Methoden zur funktionellen kardiovaskulären Bildgebung mit Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) entwickelt und zum anderen die Auswertemethoden entscheident verbessert. Die geplanten Arbeiten beinhalteten die MRT-Methodenentwicklung zur optimierten Erfassung von in-vivo 3D-Blutflussdaten mit dem sogenannten dual-venc Ansatz, das Automatisieren der Auswertung, sowie die Anwendung der neuen Methoden in einem klinischen Beispiel. Die MRT-methodischen Entwicklungsarbeiten standen dabei in direktem Zusammenhang mit der Datenanalyse und deren Anforderungen an die in-vivo Erfassung von 3D-Blutfluss hinsichtlich der Messung eines großen Bereichs der pulsatilen Flussgeschwindigkeiten (dynamic range) mit hoher Qualität für alle Geschwindigkeitsbereiche. Als klinische Anwendungen standen die Erfassung und Evaluierung von 3D-Blutflussdaten in Patienten mit Hirnaneurysmen im Vordergrund. Eine weitere Anwendung lag bei Patienten mit biscupiden Trikuspedalklappen. Ziel war eine umfassende und automatisierte Charakterisierung von 3D-Strömungscharakteristika bei häufig auftretenden vaskulären Erkrankungen (Aneurysma, Bicuspidalklappen), um den Zusammenhang zwischen veränderter Hämodynamik und Entstehung als auch Progression der Pathologien zu untersuchen. Die Entwicklung der dual-venc 4D fluss-sensitiven Sequenz nahm mehr Zeit in Anspruch als urpsrünglich antizipiert, da der Validierungsteil der Sequenz vorher nicht als so anspruchsvoll erachtet wurde. Für diesen Teil der Arbeit mussten spezielle Phantome hergestellt werden, ein Druckluft-gesteuertes Rotationsphantom und ein Flussphantom mit fünf verschiedenen Rohrdurchmessern zum simulieren verschiedener Blutflussgeschwindingkeiten innerhalb eines Gefäẞsystems. Jedoch konnte trotz dieser zeitintensiven Zusatzarbeit die Entwicklung der Sequenz beendet werden, jedoch nicht die Akquirierung von Patientendaten mit dieser Sequenz. Dies ist in naher Zukunft innerhalb des Projektes in dem Patienten mit Hirnaneurysmen untersucht werden geplant. Desweiteren wurde in diesem Zusammenhang untersucht welchen Einfluss die Parallelbildgebungsmethode k-t GRAPPA auf die Quantifizierungsgenauigkeit des Bluflusses hat. Diese Untersuchung der Mess-Beschleunigungsmethode war ein wichtiger Teil der Entwicklungsarbeit für die dual-venc Entwicklung, da die sowieso schon sehr zeitintensive 4D Flusssensitive MRT durch den dual-venc Ansatz cirka 2/3 der ursprünglichen Messzeit länger braucht. Ergebnis dieser Studie war, dass die Genauigkeit und Qualität gleichbleibend gut is bei eine Bescheunigung zwischen 28 und 54% (R = 3 oder 5). Anstelle der geplanten automatischen Flussmustererkennung mit statistischen Methoden wurde die Auswertung der Daten verbessert und automatisiert. Diese Entwicklungsarbeit hatte zum Ziel die Auswertung nicht nur robuster und schneller zu machen, sondern auch in die klinische Anwendung zu bringen. Die Flussmustererkennung soll jedoch weiterhin in einem zukünftigen Projekt angegangen werden, da dies die Methode noch besser in die klinische Anwendung bringen könnte. Desweiteren wurde das Entstehen und Wachsen von Hirnaneurysmen im Zusammenhang mit der Hämodynamik betrachtet. Dieses Projekt wird fortgeführt mit der neu entwickelten dual-venc Sequenz. Diese Arbeit über die hemodynamischen Einflüsse von Hirnaneurysmen wurde von der ISMRM Gesellschaft für das Finale um den Preis des Young Investigator Awards ausgewählt: http://onlinelibrary.wiley.com.turing.library.northwestern.edu/doi/10.1002/jmri.24327/pdf.
Publications
- From unicuspid to quadricuspid: Influence of aortic valve morphology on aortic three-dimensional hemodynamics. J Magn Reson Imaging 2013, published online
Entezari P, Schnell S, Mahadevia R, Malaisrie C, McCarthy P, Mendelson M, Collins J, Carr JC, Markl M, Barker AJ
- Intracranial 4D Flow MRI: Toward Individualized Assessment of Arteriovenous Malformation Hemodynamics and Treatment-Induced Changes. AJNR Am J Neuroradiol 2013;34:1922-8
Ansari SA, Schnell S, Carroll T, Vakil P, Hurley MC, Wu C, Carr J, Bendok BR, Batjer H, Markl M
- k-t GRAPPA Accelerated 4D Flow MRI in the Aorta: Effect on Scan Time, Image Quality and Quantification of Flow and Wall Shear Stress. Magn Reson Med 2013
Schnell S, Markl M, Entezari P, Mahadewia, RJ, Semaan E, Stankovic Z, Collins JD, Carr J, Jung B
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.24925) - 3D Hemodynamics in Intracranial Aneurysms: Influence of Size and Morphology. Journal of magnetic resonance imaging: JMRI 2014;39(1):120-131
Schnell S, Ansari SA., Vakil, P, Wasielewski M, Carr ML, Hurley MC, Bendok BR, Batjer H, Carroll TJ, Carr J, Markl M
(See online at https://doi.org/10.1002/jmri.24110) - 4D Flow Imaging: Current Status to Future Clinical Applications. Current cardiology reports 2014;16(5):481
Markl M, Schnell S, Barker AJ
(See online at https://doi.org/10.1007/s11886-014-0481-8) - Bicuspid aortic cusp fusion morphology alters aortic threedimensional outflow patterns, wall shear stress, and expression of aortopathy. Circulation 2014;129(6):673-682
Mahadevia R, Barker AJ, Schnell S, Entezari P, Kansal P, Fedak PW, Malaisrie SC, Carthy P, Collins J, Carr J, Markl M
(See online at https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.113.003026) - Evaluation of aortic stenosis severity using 4D flow jet shear layer detection for the measurement of valve effective orifice area. Magn Reson Imaging 2014, published online
Garcia J, Markl M, Schnell S, Allen B, Entezari P, Mahadevia R, Chris Malaisrie S, Pibarot P, Carr J, Barker AJ
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mri.2014.04.017)
