Myocardial strain: On agreement and reproducibility of a new parameter to determine ventricular function

Abstract

Background. Strain is a novel quantitative parameter to determine heart function and heart failure by measuring the shortening of the heart muscle from diastole to systole. Using cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR), various techniques are available to quantify strain: tagging (TAG), feature tracking (FT) and strain-encoding (SENC)/ fast strain-encoding (fSENC). In echocardiography, strain can be calculated using speckle-tracking (STE). Whereas the problem of inter-vendor variability of different ultrasound systems is well analyzed for STE, it is unknown if the choice of the magnetic resonance imaging scanner influences CMR-strain measurements. Moreover, important aspects of reproducibility have not been thoroughly explored for many modalities and techniques, such as fSENC, limiting the use of strain measurements in clinical routine. This dissertation focuses on a study published by our working group to address these obstacles regarding the fSENC-technique. Furthermore, it integrates the results into a clinical context and compares the analysis to research on other modalities and techniques.

Methods. Fifteen healthy volunteers were scanned at three centers with different 3T magnetic resonance scanners from leading vendors: the German Heart Institute Berlin, the Charité University Medicine Berlin-Campus Buch and the Theresien-Hospital Mannheim. Every volunteer received four fSENC-scans with a uniform imaging protocol, interrupted by a fifteen-minute break between scan number two and three. Left ventricular (LV) global longitudinal strain (GLS) and circumferential strain (GCS) were analyzed (Myostrain 5.0, Myocardial Solutions). Inter-vendor agreement was determined using Bland-Altman analysis. Test-retest reproducibility and inter- and intra-observer reproducibility were calculated using intraclass correlation (ICC) and coefficients of variation (CoV). The results are demonstrated and compared to studies on different modalities and techniques for strain analysis.

Results. fSENC showed good to moderate inter-vendor agreement between different sites (bias of 0.01-1.88%) and excellent test-retest reproducibility, regardless of the vendor. Inter- and intra-observer agreement of all global strain analyses were excellent.

Conclusion. Our findings show that a bias should be expected when using fSENC in volunteers. Although this bias needs to be validated in a larger cohort and in patients, it should be considered when planning multi-center studies and when comparing fSENC scans that were acquired at different sites. The excellent test-retest reproducibility and intra- and inter-observer reproducibility reflect the reliability of fSENC, which is in accordance with other modalities and techniques to determine strain.

Hintergrund. „Strain“ (Verformung) ist ein neuer quantitativer Parameter zur Bestimmung von Herzfunktion und Herzinsuffizienz anhand der Messung der Verkürzung des Herzmuskels von Diastole zu Systole. In der kardiovaskulären Magnetresonanztomographie (MRT) sind verschiedene Techniken zur Quantifizierung von „Strain“ verfügbar: „Tagging“ (TAG), „Feature Tracking“ (FT) und „Strain-encoding“ (SENC)/ „fast Strain-encoding“ (fSENC). In der Echokardiographie kann „Strain“ mittels „Speckle-tracking“ (STE) berechnet werden. Während das Problem der Variabilität zwischen verschiedenen Ultraschallsystemen für „STE“ bereits gut untersucht ist, ist es ungewiss ob die Wahl des Scanners einen Einfluss auf die MRT „Strain“-Messwerte hat. Außerdem wurden wichtige Aspekte der Reproduzierbarkeit für viele Modalitäten und Techniken, wie zum Beispiel „fSENC“, noch nicht vollständig erforscht, was den Nutzen von „Strain“-Messungen in der klinischen Routine einschränkt. Diese Dissertation fokussiert sich auf eine Studie, die unsere Arbeitsgruppe publizierte, um diese Hindernisse in Bezug auf die „fSENC“ Technik zu adressieren. Darüber hinaus integriert sie die Ergebnisse in einen klinischen Kontext und vergleicht diese Analyse mit der Forschung zu anderen Modalitäten und Techniken.

Methoden. Fünfzehn gesunde Probanden wurden an drei Zentren mit verschiedenen 3T MRT-Geräten der führenden Hersteller untersucht: am Deutschen Herzzentrum Berlin; der Charité Universitätsmedizin Berlin- Campus Buch und dem Theresien-Krankenhaus Mannheim. Jeder Proband erhielt vier „fSENC“-Untersuchungen mit einem einheitlichen Bildgebungsprotokoll, unterbrochen von einer fünfzehn-minütigen Pause zwischen den Untersuchungen Nummer zwei und drei. Der linksventrikuläre (LV) globale longitudinale „Strain“ (GLS) und der LV zirkumferentielle „Strain“ (GCS) wurden analysiert (Myostrain 5.0, Myocardial Solutions). Die Übereinstimmung zwischen den Herstellern wurde mittels Bland-Altman Analyse bestimmt. Die Reproduzierbarkeit wiederholter Messungen sowie die Inter- und Intraobserver-Vergleichbarkeit wurden mit der Intraklassen-Korrelation (ICC) und dem Variationskoeffizienten (CoV) berechnet. Die dargestellten Ergebnisse werden demonstriert und mit Studien zu anderen Modalitäten und Techniken zur Messung von „Strain“ verglichen.

Ergebnisse. „fSENC“ zeigte eine gute bis moderate Übereinstimmung zwischen verschiedenen Standorten (Bias von 0.01-1.88%) und eine exzellente Reproduzierbarkeit aufeinanderfolgender Tests, ungeachtet des Herstellers. Die Interobserver und Intraobserver-Vergleichbarkeiten aller globalen „Strain“-Analysen waren exzellent.

Schlussfolgerung. Unsere Ergebnisse zeigten, dass ein Bias bei der Nutzung von „fSENC“ bei Probanden erwartet werden muss. Obwohl dieser Bias in einer größeren Kohorte und in Patienten validiert werden muss, sollte er bei der Planung von multizentrischen Studien und beim Vergleich von „fSENC“ Messungen an verschiedenen Standorten berücksichtigt werden. Die exzellente Reproduzierbarkeit wiederholter Messungen sowie die Interobserver- und Intraobserver-Vergleichbarkeiten reflektieren die Verlässlichkeit von „fSENC“. Dies ist in Übereinstimmung mit anderen Modalitäten und Techniken zur Bestimmung von „Strain“.