title: Vergleich kardialer Volumetrie mittels 2D-cine- und 3D-whole-heart-Technik: Ursachen der Unterschiede und Möglichkeiten zum Ausgleich des systematischen Fehlers der 2D-cine-Messungen
Creators: name: Engelhardt, Sophia
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: kardiale Volumetrie
subject: 2D-cine
subject: 3D-whole-heart
subject: Herz-MRT

description: Hintergrund und Ziele Die Magnetresonanztomographie ist eine in der Kardiologie häufig verwendete Bildgebungsmodalität zur Quantifizierung der Herzfunktion. Zur rein volumetrischen Bestimmung gilt die Flussmessung in der Aorta mittels Phasenkontrast-MRT (PK) als Goldstandard, jedoch können hiermit keine Informationen über Veränderungen der Ventrikelmorphologie sowie über Funktionsparameter wie der Ejektionsfraktion gewonnen werden. Aus diesem Grund hat sich im klinischen Alltag der Einsatz der 2D-cine-Technik etabliert, bei der der linke Ventrikel im Fokus steht. Trotz präziser Bildakquise und Segmentierung kommt es hierbei dennoch zu verfahrensabhängigen Ungenauigkeiten. Eine weitere, bisher in der kardialen Volumetrie kaum eingesetzte Technik, stellt das 3D-whole-heart-MRT dar. Ziel der Arbeit war es herauszufinden, ob diese 3D-whole-heart-Methode der 2D-cine-Technik in der kardialen Volumetrie überlegen ist. Hierfür wurden beide MRT-Verfahren hinsichtlich ihrer Validität bei der Bestimmung kardialer Funktionsparameter miteinander verglichen. Zudem wurden die Ursachen für die Ungenauigkeiten der 2D-cine-Technik analysiert und Möglichkeiten zur Reduktion des systematischen Fehlers im 2D-cine-Verfahren erarbeitet. Methoden An der prospektiven Studie nahmen 18 gesunde Probandinnen und Probanden auf freiwilliger Basis teil. Zur Datenerhebung wurde ein 3-Tesla-MRT verwendet. In einer Sitzung erfolgte die retrospektiv elektrokardiographisch- (EKG-) getriggerte Aufnahme einer 2D-cine-, einer 3D-whole-heart- und einer Phasenkontrast-Sequenz. Aus den Datensätzen der 2D-cine-Methode wurde ein idealisierter Zylinder entlang der semiautomatisch ermittelten Endokardkonturen gebildet, indem die einzelnen interpolierten Schichten zusammengesetzt wurden. Aus den 3D-whole-heart-Sequenzen wurden mithilfe des 3D-Slicer-Programms die entsprechenden linksventrikulären Modelle Threshold-basiert rekonstruiert. Anschließend erfolgte der Vergleich hinsichtlich Volumina und Kongruenz. Zusätzlich wurde insbesondere der Einfluss der Triggerzeitpunkte, der im 2D-cine unberücksichtigten apex- und basisnahen Anteile, der fälschlicherweise zum Ventrikelvolumen gerechneten Papillarmuskulatur sowie deren Abhängigkeit vom Ventrikelvolumen untersucht. Ergebnisse Für die 3D-whole-heart-Methode war der zeitliche Aufwand sowohl für die Bildakquise (3D: 11,5 ± 7,8 min; 2D: 3,5 ± 1,6 min) als auch für die Segmentierung (3D: 8,1 ± 2,3 min; 2D: 5,6 ± 1,1 min) im Vergleich zum 2D-cine-Verfahren höher. Die Triggerzeitpunkte waren im 3D-whole-heart-Verfahren in der endsystolischen Phase signifikant früher als im 2D-cine-Verfahren (2D: 284,9 ± 27,8 ms; 3D: 266,9 ± 31,7 ms; p &lt; 0,01). Enddiastolisch lagen die Triggerzeitpunkte der 2D-cine-Aufnahmen signifikant vor denen der 3D-whole-heart-Technik (2D: 662,5 ± 34,9 ms; 3D: 684,1 ± 39,7 ms; p &lt; 0,05). Das Angleichen der 2D-cine-Triggerzeiten an die der 3D-whole-heart-Aufnahmen hatte keinen wesentlichen Einfluss auf die ursprünglichen Volumina. Die linksventrikulären Volumina der 3D-whole-heart-Messungen waren in beiden Herzphasen (ES: 61,2 ± 11,4 ml; ED: 140,1 ± 16,2 ml) signifikant höher als im 2D-cine-Verfahren (ES: 50,6 ± 11,1 ml; ED: 135,0 ± 17,0 ml). Die Volumina der im 2D-cine-Verfahren unberücksichtigten Ventrikelanteile waren in der Endsystole höher als in der Enddiastole (ES: 9,0 ± 3,3 ml; ED: 2,8 ± 3,5 ml; p &lt; 0,05). Daraus resultierte eine signifikante Überschätzung des 2D-cine-Schlagvolumens verglichen mit der als Goldstandard geltenden Phasenkontrastmessung (2D: 84,4 ± 11,4 ml; PK: 78,8 ± 12,0 ml; p &lt; 0,01). Das mittels 3D-whole-heart berechnete Schlagvolumen (3D: 79,0 ± 12,1 ml) wies hierzu keine signifikante Differenz auf (p =0,73). Aufgrund der geringen Volumenänderung der Papillarmuskulatur zwischen Enddiastole und Endsystole (ED: 9,59 ± 2,4 ml; ES: 8,4 ± 2,4 ml) ergab sich kein signifikanter Einfluss auf das Schlagvolumen. In den enddiastolischen Messungen zeigte sich eine positive Korrelation zwischen den Volumina der Papillarmuskulatur und den 3D-whole-heart-Volumina (r = 0,66; p &lt; 0,01). Schlussfolgerung Der Vergleich zwischen 2D-cine-MRT und 3D-whole-Heart-MRT zur Bestimmung kardialer Volumina und Funktionsparameter ergab validere Messergebnisse für die 3D-whole-heart-Methode. Bei Verwendung der 2D-cine-Technik führt unter anderem die unvollständige Erfassung apikaler und basaler Ventrikelanteile zu einer Unterschätzung der linksventrikulären Volumina und aufgrund unverhältnismäßiger Messungenauigkeiten zwischen Enddiastole und Endsystole zu einer Überschätzung der linksventrikulären Schlagvolumina. Dennoch sind die Messergebnisse, auch aufgrund der signifikant höheren Zeiteffizienz der 2D-cine-Technik, bei herzgesunden Patienten als ausreichend genau zu bewerten. Unter Berücksichtigung der in dieser Studie erarbeiteten Formel zur Größenabschätzung der im 2D-cine-Volumen enthaltenen Papillarmuskulatur könnten die 2D-cine-Ergebnisse noch valider werden. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass die 3D-whole-heart-Bildgebung bei Patienten mit abweichender kardialer Anatomie aufgrund angeborener oder erworbener Herzerkrankungen Vorteile in der Volumetrie bietet.
description: Abstract Objectives Magnetic Resonance Imaging (MRI) is crucial in evaluating cardiac function, with the phase-contrast method considered the gold standard for measuring aortic flow. However, it cannot provide information on ventricular morphology or functional parameters like ejection fraction (EF). Consequently, 2D-cine MRI has become prevalent in clinical practice, predominantly for left ventricular (LV) assessment. This study aimed to determine if 3D-whole-heart-MRI, which was barely used in cardiac volume measurement so far, is a superior alternative to the current 2D-cine method for cardiac volumetry. By comparing the validity of both techniques in measuring cardiac function parameters, this study additionally aimed to identify potential reasons for inaccuracies in 2D-cine-MRI and subsequently acquire possibilities to reduce its systematic errors. Design &amp; Methods In a prospective study involving 18 healthy volunteers aged 23-25, 2D-cine MRI, 3D-whole-heart-MRI, and phase-contrast-MRI were performed using a 3-Tesla-MRI. To build the left ventricular model from the recorded images, semi-automatic endocardial contouring was applied for 2D data, and a threshold-based segmentation method was used for 3D images, respectively, during end-systole (ES) and end-diastole (ED). The methods and resulting models were compared regarding ventricular volume differences and congruence. The impact of different cardiac trigger delays on left ventricular volumetry was investigated by adjusting the 2D-cine trigger-delays to those of the 3D-whole-heart-method. Additionally, the study focused on the often-neglected apical and basal regions in the 2D-cine method and the improper inclusion of papillary muscles in the ventricular cavity. Observations &amp; Results Acquisition (3D: 11,5 ± 7,8 min; 2D: 3,5 ± 1,6 min) and segmentation (3D: 8,1 ± 2,3 min; 2D: 5,6 ± 1,1 min, p &lt; 0,01) took longer for the 3D-whole-heart method than for the 2D-cine technique. End-systolic trigger time was significantly earlier in the 3D-whole-heart (2D: 284,9 ± 27,8 ms; 3D: 266,9 ± 31,7 ms, p &lt; 0,01), while end-diastolic trigger delays were shorter in 2D-cine imaging (2D: 662,5 ± 34,9 ms; 3D: 684,1 ± 39,7 ms, p &lt; 0.05). There was a significant difference between the LV volumes calculated with the 2D-cine and 3D-whole-heart methods. Both ED and ES phase measurements showed significantly higher volumes obtained from the 3D-whole-heart MRI (ES: 61,2 ± 11,4 ml; ED: 140,1 ± 16,2 ml) than from the 2D-cine method (ES: 50,6 ± 11,1 ml; ED: 135,0 ± 17,0 ml). Matching the 2D-cine trigger times to those of the 3D-whole-heart did not significantly affect the deviation of the LV volumes. The main reason for these differences can be attributed to the incomplete inclusion of apical and basal slices in 2D-cine imaging. These disregarded volumes were higher in the ES phase compared to the ED phase (ES: 9,0 ± 3,3 ml; ED: 2,8 ± 3,5 ml; p &lt; 0,05). As a result, stroke volumes (SV) calculated from the 2D-cine LV volumes were significantly overestimated compared to the arterial flow volumes measured by phase-contrast MRI (2D: 84,4 ± 11,4 ml; PC: 78,8 ± 12,0 ml; p &lt; 0,01), while stroke volumes obtained from 3D-whole-heart imaging showed a high correlation with the results of phase-contrast MRI (3D: 79,0 ± 12,1 ml; p = 0,73). Due to small volume changes of papillary muscles between the ES and ED phases (ED: 9,59 ± 2,4 ml; ES: 8,4 ± 2,4 ml), their influence on stroke volume calculation was not found to be significant. Furthermore, a linear dependency between end-diastolic papillary muscle volume and EDV was observed in 3D-whole-heart measurements (r = 0,66). Conclusions The comparison between 2D-cine MRI and 3D-whole-heart MRI for cardiac volumetry revealed higher accuracy in 3D-whole-heart imaging. When using 2D-cine MRI, incomplete inclusion of apical and basal slices potentially leads to underestimation of LV volumes and, due to disproportionate inaccuracies between ED and ES phases, overestimation of LV stroke volumes. Nevertheless, considering the significantly higher time efficiency of the 2D-cine technique, measurement results are deemed sufficiently accurate for heart-healthy patients. By incorporating the formula developed in this study for estimating the papillary muscle size within the 2D-cine volumes, 2D-cine measurements could potentially become more valid. Nevertheless, 3D-whole-heart imaging is presumed to offer advantages in patients with special cardiac anatomy or physiology due to congenital or acquired heart disease.