Fractal analysis of the ischemic transition region in chronic ischemic heart disease using Magnetic Resonance Imaging

Abstract

Background Classification of the predominating pathomechanism in chronic ischemic heart disease (IHD) in the individual patient is pivotal to draw the adequate therapeutic consequences. However, no suitable clinical method currently exists to approach this problem. Objectives To establish a novel pathophysiology-driven concept and a corresponding method characterising the composition of pathomechanisms underlying myocardial ischemia in chronic IHD. Methods A software is developed (“FraktalWandler”) implementing local fractal analysis (FA) of the ischemic myocardial transition region in perfusion imaging, here using magnetic resonance imaging (MRI). Fractal properties of perfusion regulation are exploited to differentiate stenotic coronary artery disease (CAD) and coronary microvascular dysfunction (CMD). FA provides the fractal dimension (FD) of the transition region as a measure of geometrical complexity. FD during first-pass (FDfirst-pass) and recirculation (FDrecirculation) are hypothesised to indicate the predominating pathomechanism and ischemic severity, respectively. FA was evaluated by receiver operating characteristics (ROC) analysis, as well as univariate and bivariate descriptive statistics. Percent diameter stenosis in invasive coronary angiography (ICA) served as reference. Results A total of 108 ischemic myocardial segments in 26 patients (5 females) with chronic IHD were analysed. Classification of the predominating pathomechanism using the FA software was feasible. Optimal classification point in ROC-analysis was FDfirst-pass = 2.358. Mean ± standard deviation of FDfirst-pass and FDrecirculation were on average 2.449 ± 0.035 and 2.215 ± 0.085 for classified CAD lesions, and 2.280 ± 0.039 and 2.127 ± 0.044 for classified CMD lesions, respectively. As predicted by the hypothesis, a moderate linear correlation was found between FDrecirculation and percent diameter stenosis in ICA in classified CAD lesions (r = 0.472, p = 0.001) but not in classified CMD lesions (r = 0.082, p = 0.600). Conclusions The ischemic myocardial transition region provides information on pathomechanical composition and severity of myocardial ischemia in the individual patient. FA is a suitable method to quantitatively assess this information and it is independent of the employed imaging modality. The presented concept helps to gain insight into the pathophysiology of chronic IHD and may facilitate therapeutic decision making.

Hintergrund Die Klassifikation des prädominanten Pathomechanismus der chronischen Myokardischämie beim individuellen Patienten ist von entscheidender Bedeutung, um die adäquaten therapeutischen Konsequenzen ziehen zu können. Dazu existiert jedoch zur Zeit keine klinisch anwendbare Methode. Zielsetzung Ein neues pathophysiologisch orientiertes Konzept und die dazugehörige Methode werden eingeführt, welche in der Lage sind, die pathomechanische Komposition der chronischen Myokardischämie zu charakterisieren. Methoden Eine Software („FraktalWandler“) ist im Rahmen dieses Projekts entwickelt worden, welche die lokale Fraktal-Analyse (FA) der ischämischen myokardialen Übergangsregion in der Perfusionsbildgebung, hier Magnetresonanz-Tomografie (MRI), implementiert. Die fraktalen Eigenschaften der Perfusions-Regulation werden ausgenutzt, um die stenotische koronare Herzkrankheit (CAD) von der koronaren mikrovaskulären Dysfunktion (CMD) zu differenzieren. Die FA liefert die fraktale Dimension (FD) der Übergangsregion als Maß der geometrischen Komplexität. Gemäß der Hypothese lässt die FD während der first-pass Perfusionsphase (FDfirst-pass) Rückschlüsse auf den prädominanten Pathomechanismus zu, wohingegen die FD während der Rezirkulationsphase (FDrecirculation) die Schwere der Ischämie einschätzt. Die FA wurde statistisch mittels Receiver-Operating-Characteristics (ROC) Analyse, sowie univariater und bivariater deskriptiver Statistik ausgewertet. Der koronarangiografische prozentuale Stenosegrad diente als Referenz. Ergebnisse Insgesamt wurden 108 ischämische Myokardsegmente bei 26 Patienten (davon 5 Frauen) mit chronischer Myokardischämie ausgewertet. Die Klassifikation des prädominanten Pathomechanismus mittels FA gelang erfolgreich. Der optimale Klassifikationspunkt nach ROC- Analyse lag bei FDfirst-pass = 2,358. Mittelwert ± Standardabweichung von FDfirst-pass und FDrecirculation waren 2,449 ± 0,035 und 2,215 ± 0,085 für klassifizierte CAD-Läsionen, bzw. 2,280 ± 0,039 und 2,127 ± 0,044 für klassifizierte CMD-Läsionen. Wie gemäß der Hypothese zu erwarten, zeigte sich eine moderate lineare Korrelation zwischen FDrecirculation und dem koronarangiografischen prozentualen Stenosegrad bei klassifizierten CAD-Läsionen (r = 0,472, p = 0,001), nicht jedoch bei klassifizierten CMD-Läsionen (r = 0,082, p = 0,600). Schlussfolgerungen Die ischämische myokardiale Übergangsregion liefert Informationen über die pathomechanische Komposition und Schwere der Myokardischämie beim individuellen Patienten. Die FA ist eine geeignete Methode, diese Informationen quantitativ zu erfassen und ist darüber hinaus unabhängig von der verwendeten Bildgebungsmodalität. Das vorgestellte Konzept hilft, pathophysiologische Vorgänge der chronischen Myokardischämie besser zu verstehen und könnte die therapeutische Entscheidungsfindung erleichtern.