Advanced computational methods for the in vivo quantification of intracardiac fluid dynamics based on 4D Flow MRI

Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide, taking an estimated 17.9 million lives each year. Their diagnosis, the monitoring of subjects at risk, and the planning of therapies largely rely on cardiac imaging. Various cardiac imaging modalities have evolved over the last decades, for the accurate evaluation of the heart from the anatomical and functional standpoint. Magnetic resonance imaging (MRI) is the gold standard imaging technique for the clinical assessment of cardiac morphology and functionality. Time-resolved phase-contrast MRI with three-directional velocity encoding (4D Flow MRI) is an emerging imaging technique that allows for the indirect measurement of blood space- and time-dependent velocity field in reasonably large domains, including heart chambers. Through ad hoc post-processing, quantitative features and parameters can be extracted to quantify the inherently complex and 3D nature of intracardiac blood flow, providing insight into details of potential clinical relevance. These include flow trajectories, fluid kinetic energy, viscous energy loss, pressure-derived hemodynamic forces and diastolic vortex rings. Multiple studies suggest that left ventricle morphology, tissue composition, wall contractility and compliance are tightly linked to intracavitary fluid dynamics. Thus, the quantification of fluid dynamic derangements associated with ventricular pathologies can improve the mechanistic understanding and interpretation of disease progression. Also, the scientific literature showed that derangements in intracardiac fluid dynamics can occur in absence of clear alterations in geometry or motion of the cardiac wall, thus suggesting that fluid dynamic features may be used as early markers of disease for a prompter diagnosis, or as early predictors of clinical outcomes5. However, the range of potential fluid dynamic markers is broad, thus identifying those relevant to a clinical condition requires a comprehensive analysis of intracardiac fluid dynamics. Theoretically, such a comprehensive analysis could be performed via computational simulations based on numerical techniques, which can be fed by patient-specific information based on clinical imaging. However, especially in the context of intracardiac analyses, these methods suffer from inherent simplifications, e.g., in the description of the heart wall motion that influences blood flow or in the definition of input parameters6. Also, the time-expense of simulations can be easily in the order of days, thus hampering their exploitation in the clinical practice. 4D Flow MRI offers the possibility to move beyond these limitations: no assumptions are required, the total 4D Flow MRI scan time is limited (∼ 10 minutes), and data post-processing, albeit non-trivial, is significantly less demanding as compared to computational simulations. On the other hand, 4D Flow MRI is still far from reaching the spatial and temporal granularity of numerical simulations, however its application is increasingly and rapidly expanding to investigate a wide spectrum of cardiovascular disorders, offering a reasonable trade-off between reliability and time expense of the analysis. For this reason, 4D Flow MRI is increasingly used in clinical practice and research. The processing of 4D Flow MRI data requires technical expertise and a dedicated workflow, including segmentation of the region of interest, velocity data filtering and quantification of hemodynamic biomarkers. Currently, different commercial software packages are available for the post-processing of 4D Flow MRI data, but none of those allows for a truly systematic and comprehensive quantification of hemodynamic parameter.

Le malattie cardiovascolari sono la principale causa di morte a livello mondiale, con un numero stimato di 17,9 milioni di decessi ogni anno. La loro diagnosi, il monitoraggio dei soggetti a rischio e la pianificazione delle terapie dipendono in gran parte dall'imaging cardiaco. Negli ultimi decenni, varie modalità di imaging cardiaco sono evolute per la valutazione accurata del cuore dal punto di vista anatomico e funzionale. La risonanza magnetica (MRI) è la tecnica di imaging di riferimento per la valutazione clinica della morfologia e della funzionalità cardiaca. La risonanza magnetica con contrasto di fase, risolto nel tempo e con codifica 3D della velocità (4D Flow MRI), è una tecnica di imaging che consente la misurazione indiretta del campo di velocità dipendente dallo spazio e dal tempo del sangue in domini ragionevolmente ampi, comprese le camere cardiache. Attraverso l'elaborazione del dato è possibile estrarre caratteristiche e parametri quantitativi per quantificare la natura intrinsecamente complessa e tridimensionale del flusso sanguigno intracardiaco, fornendo informazioni su dettagli di potenziale rilevanza clinica. Questi includono suddivisione dei flussi, energia cinetica del fluido, perdita di energia viscosa, forze emodinamiche derivate dai gradienti pressori e vortici diastolici. Numerosi studi suggeriscono che la morfologia del ventricolo sinistro, la composizione tissutale, la contrattilità della parete e la compliance sono strettamente legate alla dinamica del fluido intracavitario. Pertanto, la quantificazione delle alterazioni fluidodinamiche associate a patologie ventricolari può migliorare la comprensione meccanicistica e l'interpretazione della progressione della malattia. Inoltre, la letteratura scientifica ha dimostrato che alterazioni della fluidodinamica intracavitaria possono verificarsi in assenza di chiare alterazioni nella geometria o nel movimento della parete cardiaca, suggerendo così che le caratteristiche dinamiche del fluido potrebbero essere utilizzate come marker precoci di malattia per una diagnosi più tempestiva o come predittori precoci degli esiti clinici. Tuttavia, la gamma di potenziali marker fluidodinamici è ampia, quindi identificare quelli rilevanti per una condizione clinica richiede un'analisi completa della fluidodinamica intracardiaco. Teoricamente, un'analisi così completa potrebbe essere eseguita tramite simulazioni computazionali basate su tecniche numeriche, che possono basarsi sulle informazioni specifiche del paziente basate su imaging clinico. Tuttavia, soprattutto nel contesto delle analisi intracardiache, questi metodi si basano su semplificazioni intrinseche, ad esempio, nella descrizione del movimento della parete del cuore che influenza il flusso sanguigno o nella definizione dei parametri di input. Inoltre, il tempo necessario per le simulazioni può facilmente essere dell'ordine di giorni, ostacolando così il loro utilizzo nella pratica clinica. Il 4D Flow MRI offre la possibilità di superare queste limitazioni: il tempo totale di scansione della 4D Flow MRI è limitato (circa 10 minuti) e l'elaborazione dei dati, sebbene non banale, è significativamente meno impegnativa rispetto alle simulazioni computazionali. D'altra parte, il 4D Flow MRI è ancora lontano dal raggiungere la granularità spaziale e temporale delle simulazioni numeriche, tuttavia la sua applicazione si sta espandendo sempre più rapidamente per investigare un ampio spettro di disturbi cardiovascolari, offrendo un compromesso ragionevole tra affidabilità e tempo necessario per l'analisi. Per questo motivo, il 4D Flow MRI è sempre più utilizzato nella pratica clinica e nella ricerca. L'elaborazione dei dati 4D Flow MRI richiede competenze tecniche e un flusso di lavoro dedicato, inclusa la segmentazione della regione di interesse, il filtraggio dei dati di velocità e la quantificazione dei marker fluidodinamici. Attualmente, diversi pacchetti software commerciali sono disponibili per l'elaborazione post-processing dei dati 4D Flow MRI, ma nessuno di questi consente una quantificazione veramente sistematica e completa dei parametri emodinamici.