Lehmonen, Lauri, University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience, HUS Medical Imaging Center, University of Helsinki and Helsinki University Hospital, Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Materiaalitutkimuksen ja nanotieteiden tohtoriohjelma, Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Doktorandprogrammet i materialforskning och nanovetenskap, Julkunen, Petro, Savolainen, Sauli, Kaasalainen, Touko, and Kivistö, Sari
Several cardiac diseases affect myocardial function, with local myocardial deformation receiving much attention over the past few years. This work aimed to examine whether globally and locally analyzed quantitative cardiovascular magnetic resonance imaging-derived strain, rotation, and torsion of the heart would bring additional value and deeper understanding to myocardial mechanics in specified cardiovascular disorders. Patients with rheumatoid arthritis, tetralogy of Fallot, hereditary gelsolin amyloidosis, and hypertrophic cardiomyopathy, together with healthy controls, were investigated. A non-rigid registration-based software solution for myocardial tagging and feature tracking analysis was used for the quantification of left ventricular and right ventricular global and regional strain in different directions. Quantitative motion analysis showed that early treatment of rheumatoid arthritis was useful in retaining the diastolic function of the left ventricle. In adolescents with tetralogy of Fallot, right ventricular circumferential strain was increased relative to healthy controls. Tetralogy of Fallot subjects with increased pulmonary regurgitation had higher right ventricular longitudinal strain than subjects with less pulmonary regurgitation; this has been considered a compensation mechanism. Hereditary gelsolin amyloidosis showed local myocardial changes focused on the basal plane of the left ventricle and differing from the more common light-chain cardiac amyloidosis. The non-rigid registration-based technique was compared with the harmonic phase-based method with Gabor filtering in the analysis of myocardial tagging-derived rotation and torsion in subjects with hypertrophic cardiomyopathy. The absolute values obtained with the two software methods were significantly different, however, neither software showed significant differences in patients with hypertrophic cardiomyopathy relative to healthy controls. Motion parameters of both ventricles were associated with other quantitative cardiac magnetic resonance imaging parameters, such as volumetric measurements and T1 relaxation times, in the studies of this thesis. Tagging and feature tracking-derived motion parameters showed significant findings in local myocardial motion in rheumatoid arthritis, tetralogy of Fallot,and hereditary gelsolin amyloidosis. Software-based reference values are required when comparing motion parameters between study subjects. Currently, no standardization for measuring different deformation parameters, such as strain, rotation, or torsion exists, and several software solutions are available for analyzing these parameters. Variability between different software solutions and individual observers should be recognized. Useat sydänsairaudet vaikuttavat sydänlihaksen paikalliseen liikkeeseen, jonka vuoksi sydänlihaksen liikkeen tutkiminen on herättänyt paljon mielenkiintoa muutaman viime vuoden aikana. Tämän työn tavoitteena oli tutkia magneettikuvauksessa määritettyjä sydänlihaksen globaaleja ja paikallisia kvantitatiivisia liikeparametrejä eri sydänsairauksissa. Väitöskirjan osatöissä tutkittiin nivelreumapotilaita, Fallotin tetralogia -potilaita, Meretojantautipotilaita ja hypertrofisen kardiomyopatian omaavia potilaita, yhdessä terveiden verrokkien kanssa. Elastisen kuvarekisteröinnin omaavaa ohelmistoratkaisua käytettiin sydänlihaksen kvantitatiivisen venymän mittaamiseen eri suunnissa sydämen vasenta ja oikeaa kammiota. Kvantitatiivinen liikeanalyysi osoitti, että varhaisen nivelreuman lääkehoito kannattaa, jotta sydämen vasemman kammion diastolinen funktio saadaan ylläpidettyä. Teini-ikäisillä Fallotin tetralogia -potilailla oikean kammion kehän suuntainen venymä oli selvästi voimakkaampaa kuin terveillä verrokeilla. Lisäksi Fallotin tetralogia -potilailla, joilla oli suuri pulmonaaliläpän vuoto, oli voimakkaampi oikean kammion pitkittäissuuntainen venymä, kuin potilailla, joilla vuoto oli pienempää; tämän ajateltiin olevan sydänlihaksen kompensaatiomekanismi. Meretojantautipotilailla havaittiin paikallisia sydänlihaksen liikkeen ja kudoskoostumuksen muutoksia erityisesti sydämen vasemman kammion basaalitasossa. Elastisen kuvarekisteröinnin menetelmää verrattiin harmoniseen Gabor -suodatettuun menetelmään sydänlihaksen vasemman kammion kiertymän ja väännön analysoinnissa. Näillä kahdella menetelmällä määritetyt absoluuttiset kiertymän ja väännön arvot erosivat merkittävästi toisistaan, mutta kummallakaan menetelmällä määritetyt kiertymän ja väännön arvot eivät eronneet merkittävästi hypertrofisen kardiomyopatian omaavien potilaiden ja terveiden verrokkien välillä. Sydämen vasemman ja oikean kammion liikeparametrejä verrattiin muihin kvantitatiivisiin sydämen magneettikuvauksen parametreihin, kuten kammioiden volumetrisiin mittauksiin ja sydänlihaksen T1 relaksaatioaikoihin, väitöskirjan eri osatöissä. Sydämen magneettikuvauksessa määritetyt kvantitatiivisen liikeanalyysin eri parametrit osoittivat merkittäviä löydöksiä sydänlihaksen toiminnassa nivelreumassa, Fallotin tetralogiassa ja Meretojantaudissa. Ohjelmistokohtaiset referenssiarvot ovat tarpeen, kun absoluuttisia liikeparametriarvoja vertaillaan eri yksilöiden välillä. Tällä hetkellä ei ole olemassa standardeja eri liikekomponenttien mittaamiselle ja eri ohjelmistoratkaisuja on useita erilaisia. Vaihteluväli erilaisia ohjelmistoratkaisuja käytettäessä, ja eri tarkkailijoiden välinen vaihtelu, on syytä tiedostaa.