Longitudinal evaluation of aortic hemodynamics in patients with aortic valve pathology using four-dimensional flow cardiovascular magnetic resonance imaging

Abstract

Background Four-Dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging (4D flow MRI) provides a non-invasive assessment of aortic hemodynamics and insight into blood flow patterns and wall shear stress (WSS). Aortic valve stenosis (AS) and bicuspid aortic valves (BAV) cause substantial changes in blood flow patterns and elevated and asymmetrically distributed WSS in the ascending aorta (1,2,3,4). The AS and BAV patients exhibited more helical, vortical, and eccentric flow (1,2). This study aimed to understand better the evolution of aortic hemodynamics in aortic valve pathologies. Methods After receiving ethical approval and informed consent, 20 patients from the primary studies (1,3) were reevaluated using cardiovascular MRI. There were 14 patients with BAV and 6 with stenotic tricuspid aortic valves (TAV). Between primary (P) and follow-up (FU) examination, 1 TAV and 6 BAV underwent aortic valve replacement (AVR). The patients were divided into 2 groups: non-operated (NOP) (n=13) and operated (OP) (n=7). The average duration from P to FU was 4 years. The mean age at FU was 73.3±4.4 years for OP and 57.5±15.9 for NOP. MRI studies were performed on 1.5 T (n=4) and 3.0 T (n=16) systems. Aortic valve morphology, LV function, and mass were assessed using ECG-gated breath-hold SSFP cine imaging. Aortic dimensions were measured using non-contrast magnetic resonance angiography in FU and axial SSFP imaging of the thorax in P. Standard cardiac MRI analysis was performed using cvi42. Thoracic aorta 4D flow MRI using ECG gating and respiratory navigators was acquired. Hemodynamic parameters were evaluated, including net flow, peak systolic velocity, WSS, and helical and vortical flow patterns. Results NOP and OP groups significantly differed in age and BMI. After surgery, LV mass and WSS magnitude were significantly decreased in OP in FU. WSS was significantly correlated with peak systolic velocity, helical flow, and LV mass. Peak velocity in the ascending aorta and aortic arch of OP declined significantly in FU but remained constant in NOP. There was a significant increase in net flow in certain aortic planes in OP in FU. In some cases, the helical and vortical flow patterns changed.

Hintergrund Die vierdimensionale Fluss-Magnetresonanztomographie (4D-Flow-MRT) ermöglicht eine nicht-invasive Beurteilung der Aortenhämodynamik und bietet Einblick in die Blutflussmuster und die Wandschubspannung (WSS). Aortenklappenstenose (AS) und bikuspide Aortenklappen (BAV) verursachen erhebliche Veränderungen der Blutflussmuster und erhöhte und asymmetrisch verteilte WSS in der Aorta ascendens (1,2,3,4). Ziel der Studie war es, die Entwicklung der Aortenhämodynamik bei Aortenklappenpathologien besser zu verstehen. Methodik Nach Erhalt der ethischen Genehmigung und informierten Zustimmung wurden 20 Patienten aus den Primärstudien (1,3) mittels CMR erneut untersucht. Es handelte sich um 14 Patienten mit BAV und 6 mit stenotischen trikuspidalen Aortenklappen (TAV). Zwischen der Erst- (P) und Nachuntersuchung (FU) unterzogen sich 7 Patienten einem Aortenklappenersatz (AVR). Die Patienten wurden in 2 Gruppen eingeteilt: nicht operiert (NOP) und operiert (OP). Die Dauer von P bis FU betrug circa 4 Jahre. Die MRT-Untersuchungen wurden mit 1,5 T und 3,0 T Systemen durchgeführt. Die Aortenklappenmorphologie, LV-Funktion und Masse wurden mittels SSFP-Cine-Bildgebung beurteilt. Die Aortenabmessungen wurden mittels kontrastfreier Magnetresonanzangiographie bei FU und axialer SSFP-Bildgebung des Thorax bei P gemessen. Die Standardanalyse der kardialen MRT wurde mit cvi42 durchgeführt. Die 4D-Flow-MRT der Aorta wurde mit EKG-Gating und Atemnavigator durchgeführt. Es wurden hämodynamische Parameter ausgewertet, darunter Nettofluss, systolische Spitzengeschwindigkeit, WSS sowie helikale und vortikale Flussmuster. Ergebnisse Die NOP- und OP unterschieden sich signifikant in Alter und BMI. Nach der AVR waren die LV-Masse und die WSS-Größe bei OP in FU signifikant verringert. Die WSS korrelierte signifikant mit der systolischen Spitzengeschwindigkeit, dem helikalen Fluss und der LV-Masse. Die Spitzengeschwindigkeit in der Aorta ascendens und im Aortenbogen der OP nahm in FU signifikant ab. Der Nettofluss in bestimmten Aortenebenen war bei OP in FU signifikant erhöht. In einigen Fällen veränderten sich die helikalen und vortikalen Flussmuster. Fazit Aortenklappenpathologien können die Hämodynamik des linken Ventrikels und der Aorta beeinträchtigen. Die AVR verbessert die Parameter. Die hämodynamischen Veränderungen können zur Aortendilatation und Dissektion beitragen. In dieser Studie wurde festgestellt, dass das WSS der Aorta in Gebieten mit der höchsten Dissektionshäufigkeit höher war. Das Management von Aortenerkrankungen sucht nach neuen Parametern, die über die Aortengröße hinausgehen, um chirurgische Entscheidungen zu verbessern und Dissektionen vorherzusagen. Wir schlagen vor, Kriterien, die nicht die Größe betreffen, wie das WSS, als potenziellen Parameter für die individuelle Behandlung von Aortenerkrankungen zu entwickeln. Letztlich haben wir Hypothesen für weitere, umfassendere Studien aufgestellt, um unsere Ergebnisse zu validieren