Aortic coarctation describes a stenotic region mostly near the ductus botalli and therefore leads to a chronic left ventricular pressure overload. The indication for intervention is based on the pressure gradient over the stenosis, which is currently being measured in the catheter lab. As this is an interventional method it bears potential risks. MRI-based computational fluid dynamics is an alternative method to measure pressure gradients, which has already been validated against the heart catheter. As pressure gradients increase during physical exercise, exercise testing is sometimes necessary for decision making. Currently exercise is simulated using sympathomimetic drugs, although their reaction differs from real physical exercise. Therefore, in this work MRI-based computational fluid dynamics were combined with an MRI-compatible ergometer to measure pressure gradients non-invasively at rest and during physical exercise. Furthermore, the stenotic region leads aortic and cerebral aneurysms due to altered blood flow, which can also be measured using computation fluid dynamics. In 20 patients with aortic coarctation MRI sequences were registered during rest and physical exercise with an MRI-compatible step-ergometer. Using MRI-based computational fluid dynamics, parameters of aortic blood flow where determined. Segmentations of patients left ventricle and aorta were created based on 3D steady state free precession sequences. 4D flow sequences were registered at rest and during exercise with an MRI-compatible step ergometer. In combination with the segmentations pressure gradients, wall shear stress and further parameters of blood flow were simulated at rest and during exercise. Pressure gradient, cardiac output and wall shear stress increased during exercise. The increase in cardiac output was based on a heart rate increase, as stroke volume remained on average unchanged. Likewise, the additional parameters of blood flow did not change. The reaction to physical exercise showed substantial differences between individuals. MRI-based computational fluid dynamics in combination with MRI-ergometry enables measuring pressure gradients as well as other parameters of aortic blood flow non-inva-sively, at rest and during exercise. The interindividual differences in hemodynamic reactions to exercise underline the value of individual diagnostics. The presented method allows measuring established parameters as well as parameters valuable for further research on the pathomechanism of aortic coarcation.
Die Aortenisthmusstenose ist eine Verengung der Aorta meist im Bereich des ductus botalli und führt zu einer chronischen Druckbelastung des linken Ventrikels. Die Indikation zur interventionellen Therapie basiert auf dem Druckgradienten über der Stenose, der aktuell im Herzkatheter gemessen wird. Dies ist jedoch eine invasive Maßnahme und geht mit Risiken einher. Die MRT-basierte Strömungssimulation ist eine alternative nicht-invasive Methode, um Druckgradienten zu messen, die bereits gegen den Herzkatheter validiert wurde. Da der Druckgradient bei körperlicher Anstrengung ansteigt, können Belastungsuntersuchungen zur Therapieentscheidung notwendig sein. Aktuell werden dafür Sympathomimetika verwendet. Jedoch unterscheiden sich deren hämodynamische Reaktionen von denen körperlicher Anstrengung. Daher wurde in dieser Arbeit MRT-basierte Strömungssimulation mit einem MRT-kompatiblen Ergometer kombiniert, um Druckgradienten nicht-invasiv in Ruhe und während realer körperlicher Anstrengung zu messen. Durch die Engstelle in der Aorta kommt es auch zu veränderten Flussmustern in der Aorta und den Kopf-Hals-Gefäßen, die zu zerebralen und aortalen Aneurysmen führen können und ebenfalls mittels Strömungssimulationen gemessen werden können. Bei 20 Patienten*innen mit Aortenisthmusstenose wurden MRT-Sequenzen in Ruhe und während körperlicher Anstrengung mittels Step-Ergometer aufgenommen und daraus mit MRT-basierter Strömungssimulation verschiedene Parameter des aortalen Blutflusses erfasst. Basierend auf einer 3D steady state free precession-Sequenz wurde zunächst die individuelle Anatomie des linken Ventrikels und der Aorta segmentiert. 4D Flusssequenzen der Aorta ascendens wurden in Ruhe und während körperlicher Anstrengung mit einem MRT-kompatiblen Step-Ergometer aufgenommen. Basierend auf den individuellen Anatomien in Kombination mit den Flusssequenzen wurden Druckgradienten, Wandschubspannung und weitere Blutflussparameter in Ruhe und Belastung simuliert. Unter körperlicher Anstrengung stiegen Druckgradient, Herzminutenvolumen und Wand-schubspannung an. Der Anstieg des Herzminutenvolumens basierte auf einem Herzfre-quenzanstieg, das Schlagvolumen blieb Durchschnitt unverändert. Die zusätzlich erfassten Blutflussparameter blieben ebenfalls unverändert. Die Reaktion auf körperliche Anstrengung aller Parameter zeigte allerdings interindividuell erhebliche Unterschiede. Die MRT-basierte Strömungssimulation in Kombination mit der MRT-Ergometrie ermöglicht es Druckgradienten sowie andere Parameter des aortalen Blutflusses nicht-invasiv, in Ruhe als auch unter körperlicher Anstrengung zu messen. Die interindividuellen unter-schiedlichen hämodynamischen Reaktionen, unterstreichen die Relevanz individueller Messungen. Die Methode ermöglicht sowohl etablierte Parameter zu messen als auch Parameter, welche die weitere Erforschung der Pathomechanismen ermöglichen kann.
