In Vivo flow and wall shear stress assessment in the carotid
artery with MRI
Box, F.M.A.
Citation
Box, F. M. A. (2007, September 13). In Vivo flow and wall shear stress assessment in the carotid artery with MRI. Retrieved from
https://hdl.handle.net/1887/12558
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoral thesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/12558
Note: To cite this publication please use the final published version (if applicable).
Chapter 9
---
Samenvatting
Chapter 9
Samenvatting
De wandschuifspanning (Wall Shear Stress (WSS)) die wordt uitgoefend door stromend bloed op de vaatwand, is gedefiniëerd als de snelheidsgradiënt op de vaatwand
vermenigvuldigd met de bloedviscositeit. Een vloeistof die snel stroomt oefent een grote schuifspanning op de wand uit. Als de stroperigheid van de vloeistof (de viscositeit) toeneemt en er verder niets verandert, zal daardoor dan ook de WSS toenemen. Lage WSS is gerelateerd aan atherosclerotische risicoprofielen en WSS is laag of oscillerend op plaatsen waar plaque ontwikkeling wordt gezien. In vivo beelden (beelden gemaakt in levende mensen of dieren) van de bloedstroom hebben last van een beperkte resolutie (lage resolutie geeft een wazig beeld) en de onmogelijkheid om locale bloedviscositeit te meten.
Echter, WSS kan worden verkregen door het snelheidsprofiel en de bloedviscositeit te modelleren. Met een eerste benadering van het snelheidsprofiel door een weinig gedetailleerd model als een paraboloide en onder de aanname van een constante (gemiddelde) humane bloedviscositeit, zijn correlaties gevonden tussen diverse
cardiovasculaire risicofactoren en WSS. Ook het effect van behandeling met pravastatine op de WSS is gedemonstreerd met dit model. Hoe preciezer het model, hoe preciezer de WSS kan worden verkregen. Een precieze 4D (4 dimensionaal = ruimte (3D) plus tijd) WSS beoordeling kan worden verkregen door het toepassen van een zogenaamde ‘eindige elementen methode’ (Finite Element Method (FEM)). De bloedsnelheid wordt dan gesimuleerd in een deel van het vat. De precisie van deze WSS berekening is onder andere afhankelijk van randvoorwaarden. De randvoorwaarden die gebruikt worden voor de FEM berekeningen zijn: een bloedsnelheid van nul tegen de vaatwand aan, terwijl voor de in-en uitflow condities de gemeten patiënt-specifieke flow-profielen moeten worden gebruikt.
Dit vraagt om een accurate beoordeling van de vaatmorfologie, de bloedsnelheid (beiden te verkrijgen met MRI) en de bloedviscositeit. Er moet een model van de vaatgeometrie worden gemaakt van blokjes (een zogenaamde mesh), zodat de bloedstroom kan worden gesimuleerd.
In hoofdstuk 1 wordt uitgelegd waarom atherosclerose zo’n belangrijk onderwerp is en waarom WSS zo’n veelbelovende parameter is voor de studie van de ontwikkeling van atherosclerose. De ontdekking van WSS als invloedrijke factor bij atherosclerose wordt bediscussieerd. Ook de doelen en inhoud van dit proefschrift worden nader belicht.
In hoofdstuk 2 wordt een automatische methode om de bloedstroom door de halsslagader (carotis) en de vertebrale slagaders te verkrijgen bediscussieerd. Als de bloedstroom door de twee vertebrale slagaders en de twee interne carotiden (ICA) bekend is, dan is de som hiervan de totale cerebrale bloedstroom (total cerebral blood flow (TCBF)). De TCBF is dus de totale hoeveelheid bloed die naar de hersenen stroomt. We hebben een model ontwikkeld om de hoeveelheid bloedstroom automatisch te verkrijgen, omdat de
conventionele handmatige methode veel tijd kost, leidt tot significante verschillen tussen verschillende waarnemers, en beperkte reproduceerbaarheid bij dezelfde waarnemer. Om de bloedstroom met fase-contrast magnetische resonatie (MR) technieken te verkrijgen, is een accurate bepaling van vaatcontouren in MR beelden van de dwarsdoorsnedes
essentieel. Het doel van deze studie was om te verifiëren of automatische segmentatie gebaseerd op modellen, door het fitten van een model aan het eigenlijke
bloedsnelheidsprofiel, deze problemen zou oplossen. Twee nieuwe semi-automatische methoden (een statische en een dynamische benadering) zijn ontwikkeld en vergeleken met handmatige analyses. Hiervoor werd gebruik gemaakt van fantoom- en in vivo studies van
de ICA en de vertebrale slagaders in gezonde vrijwilligers. De automatische segmentatie benaderingen zijn gebaseerd op het fitten van een 3D parabolisch snelheidsmodel op eigenlijke snelheidprofielen. Voor de statische methode werden de snelheidsprofielen gemiddeld over de complete hartcyclus, terwijl bij de dynamische benadering de
snelheidsdata van iedere fase in de hartcyclus afzonderlijk gepast werd. De enige inbreng van de gebruiker is het aanwijzen van het juiste vat. De gebruikte materialen bestonden uit de MRI-data van drie rechte fantoom-buisjes en de snelheidsprofielen van de bloedstroom van acht jonge gezonde vrijwilligers (leeftijd 24.9 ± 3.5 jaar). Voor de fantoom-studies presteerde de automatisch dynamische benadering significant beter dan de handmatige analyse. De reproduceerbaarheid werd uitgedrukt door de intra-klasse correlatie coefficient (ICC). De ICC was 0.67-0.98 voor de automatisch dynamische benadering en 0.30-0.86 voor de handmatige methode. Voor het verkrijgen van de TCBF in de in vivo studies presteerde de automatisch statische methode significant beter dan de handmatige (ICC van 0.98-0.98 en 0.93-0.95, respectievelijk). Aan de andere kant, was de automatisch
dynamische methode niet significant beter dan de handmatige (ICC=0.92-0.96). Er is geconcludeerd dat bloedstroom in MR beelden van kleine vaatjes precies, snel, met een excellente reproduceerbaarheid en zonder inter- of intra waarnemer variabiliteit kan worden verkregen met modelgebaseerde post-processing technieken gebaseerd op het fitten (d.w.z. passen) van een eerste benadering van het snelheidsprofiel aan de eigenlijke flowdata.
In hoofdstuk 3 wordt de methode die beschreven is om de bloedstroom te meten
uitgebreid naar het bepalen van WSS. De berekening van de WSS vereist informatie over de hoeveelheid stromend bloed en de maximale snelheid (Vmax) daarvan in de
dwarsdoorsnede van het vat. Onderzocht werd of WSS kan worden verkregen op een reproduceerbare manier waarbij gebruik wordt gemaakt van automatische model- gebaseerde segmentatie. De benadering was gebaseerd op de fit van een 3D paraboloide aan de eigenlijke snelheidsprofielen zoals beschreven in hoofdstuk 2, en op de bepaling van Vmax. WSS is gemeten in de ICA in twee groepen gezonde jonge vrijwilligers. In de eerste groep is de reproduceerbaarheid van herscannen en repositioneren bestudeerd. In de tweede groep is een één-week en één-maand interval onderzocht. Er is gevonden dat WSS in MR beelden van de ICA semi-automatisch en met goede tot excellente
reproduceerbaarheid kan worden verkregen als gebruik wordt gemaakt van model- gebaseerde post-processing. Reproduceerbaarheid kan verder worden verbeterd door het toepassen van temporele en spatiële middeling
Met een parabolisch snelheidsprofiel als benadering hebben ultrageluids-studies
aangetoond dat de WSS afneemt met de leeftijd. Echter, met een standaard echo-Doppler systeem kan er maar één (centraal gelegen) bloedsnelheid worden gemeten. Met MRI kan een heel snelheidsprofiel in een selecteerbare dwarsdoorsnede worden verkregen. Het doel van de studie die beschreven wordt in hoofdstuk 4 was om te onderzoeken of er
verschillen in snelheidprofielen tussen jonge en oudere gezonde vrijwilligers bestaan en of deze verschillen de WSS-bepaling beïnvloeden. De snelheidsprofielen van de bloedstroom in de ICA van 20 jonge gezonde vrijwilligers (leeftijd 26.7 ± 7.1 jaar) en van 16 gezonde oudere vrijwiligers (leeftijd 73.9 ± 2.8 jaar) zijn bepaald. De tijdresolutie was 16 fasen per hartcyclus. De parameters Flow (stromingshoeveelheid), Vmax en het quotiënt van Flow en Vmax zijn verkregen na middeling over de hartcyclus (aangegeven met het
achtervoegsel M), voor diastole (aangeven met D) en voor systole (aangegeven met S). Er is gevonden dat, Flow, Vmax-S en Vmax-D significant lager zijn voor de oudere
Chapter 9
vrijwilligers. In alle 16 opeenvolgende fasen van de hartcyclus was er een significant verschil in de snelheidprofielen tussen jongeren en ouderen. Er is gedemonstreerd dat de snelheidsprofielen van de jonge individuen meer afgeplat en die van de ouderen meer gepiekt zijn dan het gefitte parabolische snelheidsprofiel. Flow-M/Vmax-M was 26,4%
(p=1,3.10-7) lager voor oudere individuen (0.15 ± 0.03 cm2 versus 0.11 ± 0.02 cm2). De hoeveelheid bloedstroom in de ICA lijkt sneller achteruit te gaan met de leeftijd dan Vmax. Door deze verschillen in achteruitgang kan worden verwacht dat de vervalsnelheid van WSS met de leeftijd sneller is dan er kan worden gemeten met parabool modellering.
Samenvattend kan gesteld worden dat het snelheidsprofiel in de ICA significant verandert met de leeftijd. Hierdoor zal WSS sneller achteruitgaan met toenemende leeftijd dan eerder verondersteld werd.
De Statines vormen een klasse van medicijnen die gericht zijn op een reductie van LDL- cholesterol. Het is bekend dat statines plaquestabiliteit verbeteren en zelfs plaque regressie is gedemonstreerd. Echter het is niet bekend op hoe statines WSS beïnvloeden. Het doel van het onderzoek in hoofdstuk 5 was om in een dubbelblinde gerandomiseerde placebo gecontroleerde studie te onderzoeken of pravastatine een effect heeft op de WSS. In vivo WSS werd verkregen zoals beschreven in hoofdstuk 3. De morfologie van de ICA en de bloedstroom in de ICA, is gemeten met MRI bij 355 deelnemers. De WSS en de
bloedsnelheid verminderden significant sneller in de pravastatine groep (p<0.04 en p<0.02) dan in de placebo groep. De omvang van de bloedstroom daarentegen, verschilde niet significant tussen de groepen. De vaatdiameter nam significant toe, wanneer pravastatine werd gebruikt. We vonden dat WSS en bloedsnelheid sneller achteruitgaan wanneer pravastatine wordt gebruikt zonder dat de omvang van de bloedstroom toeneemt.
Plaque ontwikkeling wordt gezien op plaatsen waar de WSS laag is of oscilleert. Moderne niet-invasieve MRI-technieken gecombineerd met de eindige elementen methode (FEM) kan objectieve informatie verschaffen over de aanwezigheid, uitgebreidheid en ernst van WSS-verstoringen in een 3D-visualisatie van belangrijke vaten. Met FEM kunnen de 4D bloedsnelheidsprofielen en de bloeddruk worden gesimuleerd. De randvoorwaarden voor het verkrijgen van de locale WSS, m.b.v. de FEM methode zijn: de 3D geometrie van de vaatwand (waar de bloedsnelheid nul is) en de bloedstroom op de in-en uitflow locaties van het gesimuleerde vaatsegment. De geometrie van de vaten, de hoeveelheid
bloedstroom en de bloedviscositeit verschillen sterk tussen individuen. Daarvoor is een methode nodig om betrouwbare patiënt specifieke data te verkrijgen. In onze divisie is een software pakket ontwikkeld (MRA-CMS) voor de automatische segmentatie en visualisatie van arterieën van 3D MR angiografische data. Deze 3D-data sets, die de oppervlakte van het lumen (waar het bloed doorheen stroomt) representeren, kunnen worden gebruikt om de vereiste informatie over de 3D geometrie te verkrijgen. Aan de andere randvoorwaarde, het verkrijgen van informatie over de in- en uitflow, kan worden voldaan met behulp van de procedure die beschreven is in hoofstuk 2. In voorgaande hoofdstukken is aangenomen dat de bloedviscositeit een constante is. Bloed is echter een niet-Newtoniaanse vloeistof en de viscositeit is shear rate afhankelijk (d.w.z. afhankelijk van hoe snel de stromingsnelheid toeneemt als je vanaf de wand richting het midden van het bloedvat gaat). Als de shear rate aan de wand hoog is, is de bloedviscositeit laag en andersom. In hoofdstuk 6 wordt een overzicht gegeven van de mogelijkheden om in-vivo WSS te verkijgen en de gebruikte methode te controleren.
Plaqueontwikkeling komt voornamelijk voor op plaatsen met recirculatie, waar de WSS oscilleert. In hoofdstuk 7 in een onderzoek naar de effecten van niet-Newtoniaanse bloedviscositeit, de variaties in stromingshoeveelheid en vaatdiameter op
wandverschijnselen in een carotis bifurcatiemodel gepresenteerd. De stroming door een model van de carotis bifurcatie is gesimuleerd door middel van de eindige elementen methode. De bloedviscositeit als functie van de shear rate is gemodeleerd volgens het Carreau-Yassuda (CY) model. De omvang van de bloedstroom en de vaatmorfologie zijn verkregen met MRI. De bloedviscositeit, heamatocrit niveau’s (Hct) en omvang van de bloedstroom zijn gemeten in 49 gezonde vrijwilligers. Er wordt een aanpassing van het CY model voorgesteld, zodat verschillen in hematocrit niveaus kunnen worden ingepast;
verder is de plasma viscosititeit gevarieerd in het CY-model. Resultaten van ons model geven aan dat toename in de hoeveelheid stromend bloed een groter effect heeft op de WSS dan voorspeld kan worden met het paraboloide model. Hct heeft meer invloed op de WSS als de plasma viscositeit laag is. Lage plasma viscositeit is geassocieerd met een lage WSS, wat een tegenstelling impliceert, omdat zowel van hoge WSS als van lage plasma viscositeit wordt gedacht dat het wenselijke condities zijn. Maximale WSS oscillaties zijn gevonden aan de rand van de recirculatie zones. Veranderingen in bloedstroom en vaatdiameter hebben een significante invloed op WSS-waarden; hetzelfde geldt voor de bloedviscositeit, maar deze effecten zijn minder sterk .
In conclusie, WSS heeft bewezen een interessante parameter te zijn, die kan worden gebruikt om de ontwikkeling van atherosclerose en de effecten van therapeutische
interventies te bestuderen. Een practische en snelle methode om WSS te verkrijgen in grote klinische studies is ontwikkeld door het fitten van een paraboloide op de MRI-afgeleide data over de snelheid waarmee het bloed stroomt; deze methode vereist weinig
gebruikersinteractie en rekenkracht. Met de meer complexe FEM methode kunnen de WSS en WSS oscillaties in 4D worden onderzocht.
Chapter 9
