Die kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie zur Untersuchung von biologischen Herzklappenprothesen

Abstract

Der Aortenklappenersatz (AKE) stellt derzeit die einzige effektive Therapie bei symptomatischen Erkrankungen der Aortenklappe dar. Postoperative Morbidität und Mortalität werden entscheidend vom Ausmaß des funktionellen und strukturellen kardialen Remodelling und vom Auftreten prothesen- und operationsassoziierter Komplikationen bestimmt. Wichtiger Einflussfaktor ist der durch die implantierte Herzklappenprothese bedingte Grad der Blutströmungsbehinderung - je höher, desto stärker die kardiale Druckbelastung und desto ausgeprägter die Turbulenz des Blutstroms in der Aorta ascendens. Moderne Prothesendesigns zielen darauf ab, möglichst geringfügige Abweichungen von der physiologischen Blutstromdynamik zu bewirken. Ein Konzept ist die Implantation von biologischen Herzklappenprothesen in komplett supra-annulärer Position. Wir evaluierten diese neueste Generation von Bioherzklappen mittels transthorakaler Echokardiographie (TTE) und stellten fest, dass sie im allgemeinen zu Vorteilen hinsichtlich der prothesennahen Druckgradienten, der Öffnungsfläche und dem Auftreten von Patienten-Prothesen-Mismatch führt - letzterer Parameter bedeutet ein Missverhältnis zwischen der funktionellen Kapazität einer Prothese und dem hämodynamischen Bedarf eines Patienten und ist mit ungünstigem kardialen Remodelling sowie erhöhter Morbidität und Mortalität verbunden. Im Detail zeigten die Daten jedoch auch, dass i) gerade Patienten mit sehr kleinem Aortenklappenannulus nicht von dem neuen Prothesenkonzept profitierten, ii) nicht alle Fabrikate mit komplett supra- annulärem Prothesendesign denselben erwünschten Effekt zeigten, und iii) die TTE zur Bestimmung der Prothesenöffnungsfläche Limitationen aufwies. Diese Erkenntnisse unterstrichen die Bedeutung einer detaillierten Funktionsanalyse von Bioherzklappen und verlangten nach einer neuen Technik mit überlegener Messgenauigkeit und Potential für neue Analyseparameter. Wir wählten die kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie (MRT), die sowohl hochaufgelöste Abbildungen von Bioherzklappenprothesen als auch Analysen des angrenzenden Blutflussmusters versprach. Unsere Studien zeigten, dass diese Methode die Prothesenöffnungsfläche von Herzklappenprothesen mit ähnlicher Genauigkeit wie die semi-invasive transösophageale Echokardiographie, und mit höherer Genauigkeit als die TTE quantifizieren kann. Des Weiteren war es möglich, mit der kardiovaskulären MRT in-vitro Referenzwerte der Prothesenöffnungsfläche für eine Vielzahl verschiedener Fabrikate zu definieren. Überdies erlaubte die kardiovaskuläre MRT, die gesamte thorakale Aorta exakt zu beurteilen, und identifizierte so deutlich mehr Patienten mit Aortenaneurysma nach AKE als die TTE. Die hohe Prävalenz von Aortendilatationen lässt sich durch Turbulenzen des Blutstroms distal von Herzklappenprothesen erklären, wie wir sie mittels MRT-basierter, dreidimensionaler Flussmusteranalysen darstellten. Schließlich zeigten wir, dass auch mittels Ultrahochfeld-MRT kardiovaskuläre Bildgebung möglich ist, die das Potential bietet, noch detailliertere Einblicke in die Morphologie und Funktion von Herz Gefäßen zu liefern. Unsere Studien trugen zur Etablierung der kardiovaskulären MRT zur Untersuchung von Bioherzklappenprothesen bei. Die Nicht-Invasivität, Freiheit von Röntgenstrahlung und Kontrastmittel, robuste Bildqualität und hohe Messgenauigkeit, sowie die Anwendungsvielfalt machen die kardiovaskuläre MRT zu einer geeigneten Methode für detaillierte Funktionsanalysen von Bioherzklappenprothesen. Die neu erworbenen Erkenntnisse sollen in Zukunft dazu beitragen, neue Konzepte der Prothesentechnologie zu entwickeln, sowie Patienten individueller zu behandeln.

Aortic valve replacement (AVR) is currently the only effective treatment of symptomatic diseases of the aortic valve. Postoperative morbidity and mortality are decisively affected by the extent of functional and structural cardiac remodelling and by the incidence of prosthesis-related and surgery- related adverse events. Thereby, the severity of blood flow obstruction caused by the implanted prosthesis is an important influencing factor - the more severe, the more intense are both cardiac pressure load and blood flow turbulence in the ascending aorta. Modern prosthetic designs aim at causing only minimal deviation from the physiologic blood flow dynamics. One concept is the implantation of biological heart valve prostheses in complete supra- annular position. We evaluated this latest generation of heart valve bioprostheses using transthoracic echocardiography (TTE) and found out that it is associated with advantages regarding transprosthetic pressure gradients, effective orifice area and the incidence of patient-prosthesis mismatch - the latter parameter describes a mismatch between the functional capacity of a prosthesis and the hemodynamic demand of the patient and is related to unfavorable cardiac remodelling as well as increased morbidity and mortality. However, these data also revealed that i) patients with very small aortic annulus did not benefit from the new prosthetic concept, ii) not all makes of bioprostheses with complete supra-annular design achieved the same desired effect, and iii) TTE had limitations for assessing the prosthetic orifice area. These results underlined the significance of a detailed performance analysis of bioprostheses and strengthened the need for a novel technology with superior accuracy and potential to acquire new parameters. We chose cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR), which promised both high- resolution images of the bioprostheses and analysis of the adjacent blood flow patterns. Our studies demonstrated that CMR is capable to quantify the effective orifice area of heart valve bioprostheses with similar accuracy compared to the semi-invasive transesophageal echocardiography, and with superior accuracy compared to TTE. Furthermore, CMR allowed defining reference values of the orifice area for a plurality of various bioprostheses in an in- vitro model. Moreover, CMR enabled us to exactly assess the whole thoracic aorta, thus identifying clearly more patients with aortic aneurysm following AVR compared to TTE. The high prevalence of aortic dilatation can be explained by significant blood flow turbulences distal to the heart valve prostheses, as we have demonstrated by performing a CMR-based three-dimensional analysis of the blood flow patterns. Finally we confirmed that cardiac imaging is feasible even with ultra-high-field CMR, which has the potential to enable even more detailed insights into the morphology and function of the heart and vessels in future. Our studies contributed to establishing CMR for the assessment of heart valve bioprostheses. The non-invasiveness, freedom from ionizing radiation and contrast media, robust image quality and high accuracy, as well as versatility characterize CMR as a suitable method for detailed analyses of heart valve bioprostheses. In future, the new insights gained by CMR can contribute to develop novel concepts of prosthetic technology and treat patients more individually.