Non-invasive evaluation of the pulse wave velocity from phase-contrast MR imaging in healthy and aneurysmatic subjects

In recent years an exponential increase in the interest of the scientific and medical community for the functional properties of large arteries has been developed, and in particularly for arterial stiffness as a physiological and clinical parameter. Arterial stiffness is defined as the pressure required to obtain a specific dilation in an arterial segment. The speed of the sphygmic or pulse wave (pulse wave velocity, PWV) is basically a speed and therefore can be expressed as the ratio between the distance that the pressure pulse inside the vessel takes to go from one point to another (Δx) and the time it takes to cross that distance (Δt). The most common non-invasive technique uses to measure the velocity of the pressure wave is the applanation tonometer technique. In this thesis work, PWV computation from phase-contrast magnetic resonance images was carried out both with regional and local methods using the TTF (Time to Foot) and xCorr (Correlation) methods for the regional methods and the QA method for the local ones to evaluate which one was closest to the tonometry reference value. For the analysis of phase contrast images and the PWV computation a tool has been implemented in Matlab (The Mathwork, Natick, MA, USA) environment both for 2D PC - MR images and for 4D flow ones. The aim of this thesis work is to compare the PWV values obtained from phase contrast images (2D PC MRI and 4D flow) with the values of PWV obtained from applanation tonometry, considered as the gold standard, of six healthy subjects and six subjects with aneurysm at the level of the ascending aorta. The results obtained by comparing PWV values from 2D PC - MRI and tonometry show that the TTF method is similar to the reference value with a bias of about 1 m/s and linear regression values R2 between 0.54 and 0.96, both for controls and for patients. Results obtained from 4D flow technique, on the other hand, are not as positive as the 2D ones and this discrepancy could be caused above all by the lower temporal resolution of the 4D flow acquisitions compared to the 2D PC - MRI ones (only 20 frames for the 4D flow and 30 frames for 2D PC - MRI in a single cardiac cycle).

Negli ultimi anni si è assistito ad un aumento esponenziale dell’interesse della comunità scientifica e medica per le proprietà funzionali delle grandi arterie, ed in particolare per la rigidità (stiffness) arteriosa come parametro fisiologico e clinico. Si definisce come rigidità arteriosa la pressione necessaria per ottenere una determinata dilatazione in un segmento arterioso. La velocità dell’onda sfigmica o di polso (pulse wave velocity, PWV) è di base una velocità e quindi può essere espressa come il rapporto tra la distanza che l’impulso di pressione all’interno del vaso impiega per andare da un punto ad un altro (Δx) e il tempo che impiega per attraversare tale distanza (Δt). La tecnica non invasiva più frequentemente usata per calcolare la celerità dell’onda di pressione è quella della tonometria ad applanazione. Il calcolo della celerità dell’onda di pressione da immagini di risonanza magnetica a contrasto di fase è stato effettuato sia con metodi regionali che locali utilizzando in particolare il metodo TTF (Time to Foot) e xCorr (Correlation) per i primi e il metodo QA per i secondi per valutare quale si avvicina di più al valore di riferimento di tonometria. Per l’analisi delle immagini a contrasto di fase e il calcolo della PWV è stato implementato un tool in ambiente Matlab (The Mathwork, Natick, MA, USA) sia per le immagini 2D PC – MR che per il 4D flow. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di confrontare i valori di PWV ottenuti da immagini a contrasto di fase (2D PC MRI e 4D flow) di sei soggetti sani e di sei soggetti con aneurisma a livello dell’aorta ascendente con i valori di PWV ottenuti dalla tonometria ad applanazione, considerato come metodo gold - standard. I risultati ottenuti dal confronto tra i valori di PWV da 2D PC – MRI e tonometria mostrano che il metodo TTF è quello che sembra condurre a risultati più simili a quelli di riferimento, con un bias di circa 1 m/s e che presenta valori di regressione lineare R2 compresi tra i 0.54 e 0.96, sia per i controlli che per i pazienti. I risultati ottenuti da 4D flow, invece, non sono così positivi come quelli 2D e questa discrepanza può essere causata soprattutto dalla più bassa risoluzione temporale delle acquisizioni 4D flow rispetto a quelle 2D PC – MRI (solo 20 frame per il 4D flow e 30 frame per le 2D PC – MRI in un singolo ciclo cardiaco).