Quantitative Evaluation of Regional myocardial perfusion using fast X-ray computed tomography

Summary

Clinical quantitation of regional myocardial perfusion using a minimally invasive and easily applied technique could allow for ready quantitation of the functional significance of coronary disease, allow for further understanding of flow reserve in various cardiomyopathic and hemodynamic overload (pressure versus volume) conditions, and possibly provide basic information needed regarding the development and clinical significance of coronary collateral vessels and diseases of the myocardial microcirculation. Electron beam CT (EBCT) is a unique cardiac imaging modality that allows for rapid acquisition tomographic slices of the heart with excellent spatial resolution. It has been demonstrated to provide accurate measurements of cardiac anatomy, biventricular function, myocardial mass, and estimates of mural atherosclerotic plaque burden via quantification of coronary calcium. The application of classical indicator techniques for use by fast x-ray computed tomography techniques such as electron beam CT has been shown to allow quantitative analysis of regional myocardial perfusion throughout the myocardium. Initial studies using central intravenous contrast injection in experimental animals showed a close correlation of regional myocardial perfusion as quantitated by electron beam CT with measurements using radiolabeled microspheres at resting and moderately increased flow states. At high flow states, however, electron beam CT significantly underestimated absolute myocardial perfusion and thus myocardial flow reserve. Using another fast CT device, the Dynamic Spatial Reconstructor (DSR), concepts of intramyocardial vascular blood volume and its relation to myocardial flow have been established. By adapting these concepts to electron beam CT scanning and accounting for the increase in intramyocardial vascular blood volume at vasodilatation, the ability to correctly quantitate perfusion states up to approximately 400 mL · min⁻¹ · 100 g⁻¹ using central intravenous contrast administration was demonstrated. This implies that studies can be done with intravenous injection methods for characterization of regional myocardial perfusion up to the normal flow reserve of approximately 4∶1. Important physiologic and clinical abnormalities in flow reserve generally result in a ratio <3∶1. Electron beam CT offers the capability to quantitate regional myocardial perfusion in both the clinical and research setting. Of particular interest is the ability to provide quantitative regional myocardial perfusion which can be coupled to the evaluation of cardiac anatomy and function as well as mural coronary atherosclerotic calcium burden during the same scanning session. Thus, electron beam CT has the potential to become a valuable, minimally invasive clinical tool for comprehensive analysis of cardiac function and coronary status.

Zusammefassung

Eine minimal invasive und leicht anwendbare Methode zur quantitativen Bestimmung der regionalen Myokardperfusion wäre von großer Bedeutung in der klinischen Praxis. Die quantitative Beurteilung der physiologischen Bedeutung von Koronarstenosen wäre genauso möglich wie ein genaueres Verständnis der koronaren Flußreserve bei verschiedenen Kardiomyopathien oder Krankheitsbildern mit hämodynamischer Belastung (zum Beispiel Verschiebung der Druck-Volumen-Beziehung mit Overload). Ein wichtiger Aspekt ist auch die Aussicht, eine bessere Vorstellung von der Ausprägung und klinischen Bedeutung koronarer Koilateralgefäße sowie von Erkrankungen der koronaren Mikrozirkulation zu erhalten. Die Elektronenstrahltomographie (EBCT) ist ein einzigartiges Verfahren in der kardialen Bildgebung, das ultraschnelle Schichtbildaufnahmen des Herzens mit einer herausragenden räumlichen Auflösung in rascher Folge ermöglicht. Diese Methode ermöglicht exakte Aussagen zur Anatomie, biventrikulären Funktion und Muskeimasse des Herzens sowie zum Ausmaß der koronaren atherosklerotischen Plaquebildung mittels Quantifizierung koronarer Kalkablagerungen. Mittels Anwendung der klassischen Indikator-Verdünnungstheorie im Bereich der ultraschnellen CT-Methoden wie Elektronenstrahltomographie gelingt die quantitative Analyse der regionalen Myokardperfusion. In den ersten tierexperimentellen Studien zur Bestimmung der Myokardperfusion mittels Elektronenstrahltomographie wurde Kontrastmittel zentralvenös injiziert. Es zeigte sich eine sehr genaue Übereinstimmung der ermittelten quantitativen Werte für die Myokardperfusion im Vergleich zu der Standardtechnik, radiomarkierten Mikrosphären. Dies galt jedoch nur für Zustände mit reduzierter, normwertiger oder gering-bis mäßiggradig erhöhter Perfusion. während die Myokardper fusion bei maximaler Hyperämie deutlich zu niedrig bestimmt wurde, so daß auch die koronare Flußreserve als zu gering angegeben wurde. Mit einer anderen, ausschließlich in der Forschung verwendeten ultraschnellen CT-Methode, dem Dynamic Spatial Reconstructor (DSR), wurde das Konzept des intramyokardialen vaskulären Blutvolumens und seine Relation zum myokardialen Blutfluß etabliert. In der Folge wurde dann berichtet, daß nach Berücksichtigung der Zunahme des intramyokardialen vaskulären Blutvolumens bei maximaler Hyperämie die regionale Myokardperfusion bis zu etwa 400 ml · min⁻¹ · 100 g⁻¹ präzise mit Elektronenstrahltomographie und zentral intravenöser Kontrastmittelgabe bestimmt werden konnte. Dies zeigt, daß eine Quantifizierung der regionalen Myokardperfusion mittels Elektronenstrahltomographie bis zu einer normalen koronaren Flußreserve von etwa 4∶1 mit zentral intravenöser Kontrastmittelgabe durchgeführt werden kann. Physiologisch und klinisch bedeutsame Einschränkungen der koronaren Flußreserve führen gewöhnlich zu einem Wert <3∶1. Die Elektronenstrahltomographie ermöglicht die quantitative Bestimmung der regionalen Myokardperfusion in der klinischen Praxis und in Forschungsvorhaben. Insbesonders kann die quantitative Analyse der regionalen Myokardperfusion mit der Untersuchung von Anatomie und Funktion des Herzens sowie dem Ausmaß koronarer Kalkablagerungen als Zeichen atherosklerotischer Plaquebildung verbunden werden. Elektronenstrahltomographie ist ein vielversprechendes minimal invasives Verfahren, das eine umfassende Untersuchung der kardialen Funktion und des Koronarkreislaufs in der klinischen Praxis ermöglichen kann.