Changes in left ventricular function during 60-days bed rest assessed by cardiac MRI

The aim of this thesis is the semi-automated analysis of cardiac magnetic resonance (CMR) images, for the characterization of physiological changes in left ventricular (LV) volume during a 60-days head-down tilt (HDT) bed rest study. The experiment was performed at the DLR, in Cologne, from August 2015 to April 2016 and was divided in two campaigns. Twelve healthy male subjects were recruited for each campaign; six of which were assigned to the control group (CTRL) and six to the countermeasure group (CM), through a completely random assignation. The CM group was assigned a short, intensive jump training program, to be performed in the Sledge Jump System (SJS) device, aiming to counteract the negative cardiovascular consequences of prolonged bed rest. The cine CMR datasets were acquired at four stages during the study: 1) four days before the start of the HDT, 2) 21 days after the HDT started, 3) 58 days after the HDT started and, 4) the fifth day after the HDT ended. Left ventricular endocardial volume was calculated from the cine CMR images through semi-automated segmentation, using a Statistical Shape Model (SSM) technique proposed in Caiani et al. (2014) and refined in Piazzese et al. (2016). From the obtained results, the benefit of an additional step of manual refinement to the automatically obtained contours was evident, in particular once analyzing ventricles of smaller volume (i.e., end-systolic frame) due to consistent underestimation of the SSM method. This approach, applied to analyze the CMR images obtained during 60-days bed rest, showed changes in LV volume that could be related to both inactivity and dehydration. Also, some effectiveness of the studied countermeasure was highlighted, even if it was not able to completely counteract the cardiac deconditioning effects.

Lo scopo di questa tesi è l'analisi semi-automatica delle immagini di risonanza magnetica cardiaca (CMR), per la caratterizzazione dei cambiamenti fisiologici nel volume del ventricolo sinistro (LV) durante uno studio head-down tilt (HDT) bed rest di 60 giorni. L'esperimento è stato eseguito presso il DLR, a Colonia, da agosto 2015 ad aprile 2016 ed è stato diviso in due campagne. Dodici soggetti maschi sani sono stati reclutati per ogni campagna; sei dei quali sono stati assegnati al gruppo di controllo (CTRL) e sei al gruppo contromisura (CM), attraverso un'assegnazione completamente casuale. Al gruppo CM è stato assegnato un programma breve e intensivo di allenamento a salti, da eseguire nel dispositivo Sledge Jump System (SJS). L’insieme dei dati cine CMR è stato acquisito in quattro fasi durante lo studio: 1) quattro giorni prima dell'inizio del HDT, 2) 21 giorni dopo l'inizio del HDT, 3) 58 giorni dopo l'inizio del HDT e, 4) il quinto giorno dopo la terminazione del HDT. Il volume endocardico ventricolare sinistro è stato calcolato dalle immagini CMR mediante segmentazione semi-automatica, utilizzando una tecnica Statistical Shape Model (SSM), proposta in Caiani et al. (2014) e raffinata in Piazzese et al. (2016). Dai risultati ottenuti, è stato evidente il vantaggio di un ulteriore passaggio di perfezionamento manuale ai contorni ottenuti automaticamente, in particolare per analizzare ventricoli di volume più piccolo (ovvero durante fine sistole), a causa di una sottostima costante del metodo SSM Questo approccio, applicato alle immagini CMR ottenute durante il bed rest di 60 giorni, ha mostrato variazioni nel volume ventricolare sinistro che potrebbero essere correlate sia a inattività che a disidratazione. Inoltre, certa efficacia della contromisura studiata è stata evidenziata, anche se non è stato possibile neutralizzare completamente gli effetti di decondizionamento cardiaco