Cardiac and respiratory influences on intracranial and cervical flows measured by real-time phase-contrast MRI

Background: Cervical and intracranial blood, as well as cerebrospinal fluid (CSF) flow rates can be quantified with Real-Time (RT) Phase-Contrast (PC) MRI. Previous studies have shown how, not only heart beat, but also the thoracic pump have great effect on modulating the dynamics of these fluids. Methods: Thirty healthy volunteers were examined with a 3T scanner. A RT-PC sequence was acquired for of internal carotid arteries, internal jugular veins, CSF and superior sagittal sinus. The subjects were asked to breathe in three different ways for 60s each: freely (F), with a constant rate (PN) and with deep and constant respiration rate (PD). The average flow rates were computed. Then this average value was subtract by the signal and the power spectral density was computed for each detrended flow rate. High (HF) and very-high (VHF) frequency peaks were identified on the spectra while their frequencies were compared to the respiratory and cardiac frequencies estimated using a thoracic belt and a pulse oximeter. The effect of breathing patterns on average flow rates, on systolic and diastolic peaks, and on the normalized power was tested. Furthermore, few qualitative preliminary analyses were performed. On the one hand, new semi-automated segmentation methods, based on frequency analyses and correlation map were created. On the other hand we compared gated and real-time phase contrast MRI. Results: Firstly the frequencies of the high and very-high spectral peaks corresponded to the respiratory and cardiac frequencies (measured by the external sensors). Secondly, comparing forced-breathing and free-breathing, the average flow rate decreased. Thirdly, res- piratory modulation increased during forced-breathing compared to free-breathing, while cardiac modluation followed an opposite behaviour. Finally, results about qualitative analyses showed that: 1)methods based on correlation performed better than frequency analysis in the phase of image segmentation; 2) gated pc-mri not always underestimate flow rate with respect to RT-PC MRI as expected.

Sinossi: Le portate di sangue cervicale e intracranico, così come quelle del liquido cere- brospinale (LCS) possono essere quantificate con la risonanza magnetica in tempo reale (RT) a contrasto di fase (PC). Precedenti studi hanno dimostrato come, non solo il battito cardiaco, ma anche la pompa toracica abbiano un grande effetto sulla modulazione della dinamica di questi fluidi. Metodi: Trenta volontari sani sono stati esaminati con uno scanner 3T. È stata ac- quisita una sequenza RT-PC per le arterie carotidi interne, le vene giugulari interne, il liquido cerebrospinale e il seno sagittale superiore. Ai soggetti è stato chiesto di respirare in tre modi diversi per 60 secondi ciascuno: liberamente (F), con frequenza costante (PN) e con frequenza respiratoria profonda e costante (PD). Sono state calcolate le portate medie. Questo valore medio è stato sottratto dal segnale ed è stata calcolata la densità spettrale di potenza per ciascuna portata. Sugli spettri sono stati identificati picchi di alta (HF) e altissima (VHF) frequenza mentre le loro frequenze sono state confrontate con le frequenze respiratorie e cardiache stimate utilizzando una fascia toracica e un pul- sossimetro. È stato testato l’effetto dei pattern respiratori sulle portate medie, sui picchi sistolici e diastolici e sulla potenza normalizzata. Inoltre, sono state eseguite alcune anal- isi preliminari qualitative. Da un lato sono stati creati nuovi metodi di segmentazione semiautomatica, basati su analisi in frequenza e mappa di correlazione. D’altra parte abbiamo confrontato la risonanza magnetica a contrasto di fase in tempo reale con una sequenza clinica. Risultati: Le frequenze dei picchi spettrali alti e molto alti corrispondevano alle frequenze respiratorie e cardiache (registrate dai sensori esterni). Inoltre, confrontando la respirazione forzata e la respirazione libera, la portata media è diminuita. La modulazione respiratoria è aumentata durante la respirazione forzata rispetto alla respirazione libera, mentre la modulazione cardiaca ha seguito un comportamento opposto. Infine, i risultati delle analisi qualitative hanno mostrato che: 1) i metodi basati sulla correlazione hanno ottenuto risultati migliori rispetto all’analisi in frequenza nella fase di segmentazione dell’immagine; 2) La sequenza clinica non sempre sottostima la portata rispetto alla RT-PC MRI come atteso.