3D MRI for a comprehensive in-vivo analysis of fluid-structure interaction in carotid artery plaques
Final Report Abstract
Mit einem neuen 3D Multikontrast-MRT-Protokoll konnten wir erfolgreich bei Probanden und Patienten die Geometrie, Wandscherkräfte, Wanddicke und Zusammensetzung von Plaques in der Karotisbifurkation zu zwei Messzeitpunkten bei Hochrisikopatienten untersuchen. Durch die verwendete Auswertesoftware war es möglich, die individuelle Geometrie und die Wandscherkräfte semi-automatisch und somit beschleunigt in einer größeren Kohorte zu quantifizieren. In den Probanden- und Patientenmessungen haben wir zudem die hohe Messgenauigkeit unserer Methodik belegt, so dass diese gut für Anwendungen bei Menschen incl. Verlaufsuntersuchungen geeignet ist und erlaubt, unter realistischen Bedingungen die Interaktion von Morphologie und Hämodynamik zu untersuchen. Im Rahmen unserer Patientenstudie haben wir 121 Patienten mit hohem kardiovaskulärem Risiko untersucht. Die erste Querschnittsanalyse ergab, dass potentiell atherogene Strömungsprofile (niedrige absolute Wandschubspannung (WSSmag) und hoher oszillierender Scherindex (OSI)) bevorzugt an der posterioren Wand der inneren Halsschlagader (ACI) nachweisbar waren. Dies entspricht exakt dem Bereich, in dem sich arteriosklerotische Veränderungen typischerweise ausbilden. Weiterhin konnten signifikante und unabhängige Einflüsse der Geometrie der Karotisbifurkation, repräsentiert durch einen weiteren Durchmesser des Karotisbulbus (ICA/CCA-Ratio) und ein gewundener Verlauf der A. carotis interna (=höhere Tortuosität), auf die Gefäßwanddicke nachgewiesen werden. Signifikante Einflüsse der hämodynamischen Parameter (WSSmag, OSI) auf die Gefäßwanddicke waren in dieser Querschnittsanalyse hingegen nicht nachweisbar. 97 der initial 121 eingeschlossenen Patienten konnten nach 12 Monaten wie geplant durch eine MR-Verlaufskontrolle mit identischem Protokoll untersucht werden. Unser Ziel war es, den potenziellen Einfluss der Geometrie der Karotisbifurkation und der hämodynamischen Parameter (WSSmag, OSI) zum Zeitpunkt der Erstuntersuchung auf die Zunahme der Gefäßwanddicke nach 12 Monaten zu analysieren. In der Gesamtgruppe der 97 Patienten war eine erhöhte Tortuosität der A. carotis interna mit einem unabhängigen, aber negativen Einfluss auf die Zunahme der Gefäßwanddicke nach 12 Monaten verbunden und schien somit protektiv gegen ein Fortschreiten arteriosklerotischer Veränderungen zu wirken. Für die übrigen geometrischen und hämodynamischen Parameter konnte in der Gesamtgruppe kein signifikanter Einfluss nachgewiesen werden. Nach Ausschluss von Patienten mit einer Karotisstenosen ≥10% und somit eines relevanten „inward remodeling“, also von Veränderungen mit Lumeneinengung, änderte sich das Ergebnis: hier zeigten sich signifikante und unabhängige Einflüsse der ICA/CCA-Ratio, des Bifurkationswinkels und einer erniedrigten WSSmag auf eine Progression der Gefäßwanddicke, so dass diese geometrischen und hämodynamischen Parameter vermutlich unabhängige Risikofaktoren für eine Progression der Arteriosklerose der Karotisbifurkation sind. Im Gegensatz dazu hatte die Tortuosität auch in dieser Subgruppe einen protektiven Effekt. Zusammengefasst konnten wir erstmals und prospektiv bei einer repräsentativen Patientenkohorte nachweisen, dass geometrische und hämodynamische Faktoren offenbar eine von üblichen kardiovaskulären Risikofaktoren unabhängige Rolle in der Frühphase der Arterioskleroseprogression spielen. Sobald Stenosen entstehen, sind vermutlich andere Parameter für eine Plaqueprogredienz verantwortlich, die noch identifiziert werden müssen. Der potentielle Nutzen unserer Ergebnisse besteht in dem besseren Verständnis der Arteriosklerose der Karotisbifurkation. Unsere Ergebnisse können außerdem zu einer besseren Identifizierung und intensiveren Behandlung potentieller Risikopatienten führen. Sie können auch verwendet werden, um Modellierung der Geometrie der Karotisbifurkation nach Karotisoperationen oder Stentversorgung so zu optimieren, dass dadurch das Risiko von Stenoserezidiven minimiert wird.
Publications
- Image-based assessment of uncertainty in quantification of carotid lumen. J Med Imaging (Bellingham). 2018 Jul;5(3):034003
Kaufhold L, Harloff A, Schumann C, Krafft AJ, Hennig J, Hennemuth A
(See online at https://doi.org/10.1117/1.jmi.5.3.034003) - Joint Evaluation of Geometric Vessel Wall and Hemodynamic Parameters from Multi-Modal MR Images. ISMRM 27th Annual Meeting 2019
Lilli Kaufhold, Andreas Harloff, Markus Huellebrand, Christoph Strecker, Judith Zimmermann, Axel J. Krafft, Juergen Hennig and Anja Hennemuth
- Quantitative Multicontrast Vessel Wall Imaging in the Carotid Arteries: Preliminary Results in Healthy Volunteers. ISMRM 27th Annual Meeting 2019, abstract #2100
Axel Krafft, Christian Licht, Christoph Strecker, Lilli Kaufhold, Markus Huellebrand, Jürgen Hennig, Andreas Harloff, Anja Hennemuth, Ute Ludwig
- Carotid geometry is an independent predictor of wall thickness - a 3D cardiovascular magnetic resonance study in patients with high cardiovascular risk. J Cardiovasc Magn Reson. 2020 Sep 10;22(1):67
Strecker C, Krafft AJ, Kaufhold L, Hüllebrandt M, Weber S, Ludwig U, Wolkewitz M, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A
(See online at https://doi.org/10.1186/s12968-020-00657-5) - Einfluss von Wandschubspannung und oszillierender Schubspannung auf die Vulnerabilität von Karotisplaques – eine 3D- MRT-Studie bei 121 Patienten mit hohem kardiovaskulärem Risiko. Kongress der Deutschen Gesellschaft für Neurologie 2020
Christoph Strecker, Axel Joachim Krafft, Lilli Kaufhold, Markus Hüllebrand, Ute Ludwig, Anja Hennemuth, Jürgen Hennig, Andreas Harloff
- Carotid geometry and wall shear stress independently predict increased wall thickness -a longitudinal 3D MRI study in high-risk patients. Front. Cardiovasc. Med., 2021
Strecker C, Krafft AJ, Kaufhold L, Hüllebrandt M, Treppner M, Ludwig U, Köber G, Hennemuth A, Hennig J, Harloff A
(See online at https://doi.org/10.3389/fcvm.2021.723860)
