1

Aus der

Klinik für Kardiologie

im Herz- und Diabeteszentrum NRW

-Universitätsklinik-

der Ruhr-Universität Bochum

Direktor: Prof. Dr. med. D. Horstkotte

Kardiale Mehrschicht - Computertomographie:

Volumetrie bei Herzinsuffizienzpatienten vor und nach kardialer

Resynchronisationstherapie

Kumulative

Inaugural-Dissertation

zur

Erlangung des Doktorgrades der Medizin

einer

Hohen Medizinischen Fakultät

der Ruhr-Universität Bochum

vorgelegt von

Janina Schröder

aus Herford

2010

2

Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr

1. Referent: Prof. Dr. med. D. Horstkotte

2. Referent: PD Dr. med. C. Hanefeld

Tag der Mündlichen Prüfung: 1. Februar 2011

3

ABSTRACT

Kardiale Mehrschicht - Computertomographie: Volumetrie bei Herzinsuffizienzpatienten vor und nach

kardialer Resynchronisationstherapie

Problem: Die kardiale Mehrschicht - Computertomographie (MSCT) ermöglicht Volumetrie, die mit der

Goldstandardmethode Magnetresonanztomographie (MRT) bei normal konfigurierten Ventrikeln sehr gut

korreliert. In zwei Teilprojekten analysierten wir die MSCT - basierte Volumetrie bei Herzinsuffizienzpatienten

mit fortgeschrittener systolischer ventrikulärer Dysfunktion, um MRT zu validieren (Teilprojekt 1) und zu

vergleichen (Teilprojekt 2). Bei einem Subkollektiv erfolgte deskriptiv eine MSCT - Volumetrie nach kardialer

Resynchronisationstherapie (CRT) im Verlauf.

Methode: Nach Zustimmung durch die Ethikkommission führten wir in einer prospektiven Studie bei 24

Patienten (m n=14, 64,8±9,5 Jahre) mit ventrikulärer systolischer Dysfunktion in unterschiedlichen

Herzinsuffizienzstadien (NYHA I-II n=2; NYHA II n=8; NYHA II-III n=4; NYHA III n=8; NYHA III-IV n=2)

eine MSCT (16x0,75mm; Kontrastmittel 100ml) vor einer MRT (1,5T, b-FFE) durch. Bei 7 Patienten wurde

nach Beginn einer CRT (19,8±11,1 Monate; NYHA II n=5, II-III n=2) die MSCT - Volumetrie wiederholt

(Teilprojekt 2). Die MSCT Bildrekonstruktion kurzer baso-apikaler Herzachsen erfolgte in 20 Zeitfenstern des

RR-Intervalls (0-95% in 5%-Schritten). Nach Identifizierung der Endsystole (ES) und Enddiastole (ED) wurden

planimetrisch die links- und rechtsventrikulären (LV/RV) ES und ED Volumina (V) bestimmt und die

Ejektionsfraktion (EF) abgeleitet. Unter erstmaliger Anwendung farbkodierter multisegmentaler

Polartomogramme erfolgte zudem eine Wandbewegungsanalyse zur Demonstration des CRT-induzierten

„reverse remodelling“. Die MSCT-Daten verglichen wir mit der MRT (Teilprojekt 1).

Ergebnis: Die MSCT- und MRT-basierten Messungen des LV zeigten sehr gute Korrelationen (EDV r=0,935;

ESV r=0,981; EF r=0,927), während die des RV ebenfalls gut korrelierten (EDV r= 0,787; ESV r=0,783; EF

r=0,729). Alle Korrelationen waren signifikant (p<0,0001).

Die MSCT - basierten Messungen des LV nach CRT zeigten eine Abnahme der EDV (prä 300,65±50,33ml vs.

post 216,92±116,49ml) und des ESV (prä 249,44±49,96 ml vs. post 144,25±78,34 ml) sowie eine Zunahme der

EF (prä 17,34±5,1 % vs. post 28,69±12,12%). Der einzige Non - Responder hatte gegenteilige Veränderungen.

Die Analyse der myokardialen systolischen Wandverdickung zeigte einen bedingt durch die CRT signifikanten

Anstieg aller Schichten mit Betonung der midseptalen Segmente (prä 0,49±2,85mm vs. post 3,42±3,35mm). Der

Non - Responder zeigte eine nicht signifikante Abnahme in allen Segmenten.

Diskussion: Validiert durch den Referenzstandard überschätzt die MSCT - basierte Volumetrie das EDV und

ESV bzw. unterschätzt die EF signifikant. Bei guter Korrelation sind Verlaufsmessungen durch MSCT unter

bestimmten Fragestellungen vertretbar. MSCT-basierte farbkodierte multisegmentale Polartomogramme eignen

sich zur Demonstration des CRT - induzierten „reverse remodelling“, bedürfen jedoch größerer

Validierungsstudien.

4

Gewidmet

Stephan Schröder

1

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Zielsetzung 2

3. Material und Methoden 3

3.1 Patienten 3

3.2 MSCT 4

3.3 MRT 5

3.4 Bildanalyse mittels MRT und MSCT 5

3.5 Echokardiographie 6

3.6 Statistische Analyse 7

4. Ergebnisse: 7

4.1 MRT vs. MSCT 7

4.2 MSCT vor und nach CRT 11

5. Diskussion: 14

5.1 Vergleich MSCT und MRT 15

5.2 MSCT vor und nach CRT 18

5.3 Limitationen 22

Literaturverzeichnis 24

1

ZUSAMMENFASSUNG

1. Einleitung:

Die Pumpfunktion des linken Ventrikels ist am exaktesten durch die

Auswurfleistung (Ejektionsfraktion, EF) beschrieben. Die EF ist der Anteil am

enddiastolischen Volumen, der während der Systole antegrad getroffen wird. Zur

Berechnung der EF müssen das enddiastolische (ED) und das endsystolische (ES)

Volumen (V) bestimmt werden. Das Unterschreiten einer EF unter gegebenen

Bedingungen definiert eine eingeschränkte systolische Pumpfunktion. Die EF ist

unter anderem abhängig von der linksventrikulären Vor- und Nachlast und ein

geeigneter prognostischer Parameter. Veränderungen der linksventrikulären EF

unter einer Therapie erlauben die Beurteilung des Therapieerfolges.

Eine dieser Therapieoptionen bei geeigneten Patienten ist die kardiale

Resynchronisationstherapie (CRT). Dabei wird neben dem rechten Herzen, wie bei

einem Zweikammerschrittmacher, auch die linke Herzkammer über den

Koronarvenensinus in den Stimulationsprozess miteinbezogen. Durch die

koordinierte elektrische Stimulation der beiden Herzkammern wird die

Synchronisation der Ventrikel wieder hergestellt (resynchronisiert).

Für einen Teil der Herzinsuffizienzpatienten ist die CRT eine erfolgsversprechende

Therapieoption. Mittels CRT konnte eine prognostisch relevante Verringerung der

pathologisch vergrößerten EDV und ESV bzw. Steigerung der EF erzielt werden

[1].

Bei der Anwendung zweidimensionaler Techniken zur Beurteilung der EF, z. B.

mittels transthorakaler 2D Echokardiographie, ergeben sich mehrere Probleme.

Beispielsweise ist die Beurteilung vergrößerter Ventrikelvolumina als Folge

zugrunde gelegter geometrischer Modelle eingeschränkt. Ein weiterer limitierender

Faktor ist die relativ hohe „Interoperator“- und „Interstudy“-Variabilität [4].

Geringste Änderungen in der Längen- und Breitenbestimmung des Ventrikels

2

können über die Formel des Rotationsellipsoides extreme Fehlerfortpflanzungen

verursachen. Dies ist insbesondere relevant, wenn Ejektionsfraktionsänderungen zu

beurteilen sind (z. B. bei der Kontraktilitätsreserve durch Veränderung der EF

während der Belastung).

3D Schnittbildverfahren erlauben eine präzisere Analyse der kardialen Volumina.

Wegen ihrer hohen Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie der geringen

„Interobserver“- und „Interstudy“-Variabilität gilt die MRT als Goldstandard für die

kardiale Volumetrie [9] [16]. Nachteile der Methode sind lange Akquisitionszeiten

sowie Kontraindikationen, v. a. metallene Implantate (z. B. das Tragen von

Schrittmachern).

Die kardiale Mehrschicht-Computertomographie (MSCT) wurde aufgrund ihrer

relativ hohen zeitlichen und hervorragenden räumlichen Auflösung für die nicht-

invasive Koronardiagnostik entwickelt. Während eines den gesamten Herzzyklus

erfassenden Scans lassen sich die akquirierten Bilddaten außerdem zur Bestimmung

der Ventrikelvolumina verwenden. Die MSCT - basierte kardiale Volumetrie

korreliert sehr gut mit der MRT, wie an Patienten mit regelrechter systolischer

Pumpfunktion gezeigt werden konnte [8] [12] [15]. Bei deutlich kürzeren

Untersuchungszeiten eignet sich die MSCT besser zur Untersuchung von Patienten

mit Orthopnoe und Klaustrophobie und ermöglicht zudem die Untersuchung von

Patienten mit metallenen Implantaten.

2. Zielsetzung:

Teilprojekt 1 der Arbeit diente der Validierung der MSCT - basierten Volumetrie

bei Herzinsuffizienzpatienten. Darüber hinaus setzten wir die MSCT zur

Verlaufsvolumetrie vor und nach kardialer CRT (mittels Implantation eines

biventrikulären Schrittmachers) ein. Dabei untersuchten wir die Möglichkeit der

3

MSCT - basierten linksventrikulären Wandbewegungsanalyse im Sinne des zu

erwartenden CRT - induzierten „reverse remodelling“.

3. Material und Methoden:

3.1 Patienten

In Teilprojekt 1 erfolgte bei 24 Herzinsuffizenzpatienten (14 Männer, 10 Frauen,

mittleres Alter 64,8 ± 9,5 Jahre, BMI 27,21 ± 4,46) mit verschiedenen kardialen

Grunderkrankungen (Dilatative Kardiomyopathie (DCM) n=12; hypertensive

Herzerkrankung (HHD) n=4; koronare Herzerkrankung (KHK) n=8) und

verschiedenen Herzinsuffizienzstadien (NYHA I-II n=2; NYHA II n= 8; NYHA II-

III n=4; NYHA III n=8; NYHA III-IV n=2) die MSCT maximal einen Tag vor der

MRT. Zum Zeitpunkt der Untersuchung waren alle Patienten klinisch stabil. Die

optimierte medikamentöse Therapie (medikamentöser steady state) umfasste stets

einen Betablocker. Eine Nachdosierung des Betablockers zwecks

Herzfrequenzsenkung vor der Volumetrie erfolgte in keinem Fall. Der beide

Untersuchungen (MSCT und MRT) umfassende Zeitrahmen betrug maximal zwei

Tage.

In Teilprojekt 2 untersuchten wir ein Subkollektiv (n=7) der zuvor beschriebenen

Studienpopulation. Bei diesen Herzinsuffizienzpatienten (3 Männer, 4 Frauen,

durchschnittliches Alter 63,3 ± 7,3 Jahre; NYHA III n=5, NYHA III-IV n=2) mit

DCM war 2D echokardiographisch eine ventrikuläre Asynchronie nachgewiesen

worden. Nach Indikationsstellung zur CRT und folgender Implantation eines

atrioventrikulären biventrikulären Schrittmachers erfolgte in dieser Subgruppe eine

zweite MSCT - Untersuchung bzw. 2D Echokardiographie zur volumetrischen

Verlaufsbestimmung.

Die hiesige Ethikkommission hatte den Studien zuvor zugestimmt. Von jedem

rekrutierten Patient wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingefordert.

4

3.2 Mehrschicht - Computertomographie (MSCT)

Die MSCT - Untersuchung erfolgte mit einem für kardiale Untersuchungen

konzipierten „Scanner“ (16 – slice - MSCT, Rotationsgeschwindigkeit 420 ms,

Cardiac Sensation; Siemens, Medical Solutions, Forchheim, Deutschland) unter

Anwendung des Untersuchungsprotokolls für nicht-invasive Koronarangiographie:

Kollimation 16 × 0,75 mm, Increment 0,5 mm, 120 KV, 300 mAs, 100 ml

Kontrastmittel (Iopromide, Jodgehalt 370 mg/ml; Ultravist™, Bayer - Schering,

Berlin, Deutschland), Kontrastmittel-Flussrate 4 ml/sec. Zwecks optimaler

Kontrastierung folgte der Kontrastmittelgabe unmittelbar eine i.v. - Gabe von 100

ml NaCl - Bolus. Während eines Atemanhaltemanövers und unter fortlaufender

EKG-Aufzeichnung wurde der helikale Scan (Spiral - CT) beginnend auf Höhe der

Carina in kraniokaudaler Richtung zum kardialen Apex abgefahren. Alle Patienten

waren aufgefordert, vor dem Scanvorgang zu hyperventilieren und während des

Scans bei offenem Mund den Atem in Inspiration anzuhalten.

Nach dem Scan wurden die Rohdaten im Rahmen der Nachbearbeitung auf einem

separaten Arbeitsplatz (Navigator, Siemens, Medical Solutions, Forchheim,

Deutschland) zu transversalen Bildern generiert. Basierend auf dem zur

Orientierung eingestellten „Vierkammerblick“ wurde die kurze Herzachse

rekonstruiert. Beginnend an der Herzbasis, markiert durch die Mitralklappe, wurden

bis zur Herzspitze 8 bis 14 konsekutive Schichten rekonstruiert (Maximum Intensity

Projection, rekonstruierte Schichtdicke 8 mm). Zur Identifizierung der

enddiastolischen (ED) und endsystolischen (ES) Phase wurden diese kardialen

Kurzachsenschnitte in 20 verschiedenen Zeitfenstern des RR-Intervalls (0% bis 95%

in 5%-Schritten) dargestellt.

5

3.3 Magnetresonanztomographie (MRT)

Die kardiale MRT (1,5 Tesla, Philips Medical Systems, Gyroscan ACS-NT,

Powertrak 5000, R8, maximale Gradientenleistung 30 mT/m, Anstiegszeit 150

T/m/s) wurde mit einer 5 - Kanal – Phased – Array - Oberflächenspule durchgeführt.

Phased - Array - Spulen bestehen aus mehreren Elementen, die beim kardialen MRT

auf der Vorder- und Rückseite des Thorax verteilt werden. Die Bildparameter waren

wie folgt: 15 kontinuierliche Phasen, Sichtfeld (Field Of View) 380 mm, 112 × 256

Matrix, rekonstruierte räumliche Auflösung 1,48 × 1,48 × 8 mm, TR 2,8 ms, TE 1,4

ms, Flipwinkel 65°, Zahl der Signalmittelungen (NSA) 1. Weitere Parameter

wurden angepasst, um eine Relation Echozeit (TE) / Wiederholungszeit (TR) von

0,5 und eine tolerable Atemanhaltzeit zu erreichen. Die Rekonstruktion eines Bildes

erfolgte dann aus den von den einzelnen Spulenelementen akquirierten Daten. In

Exspiration wurden Cine- Sequenzen im Vierkammerblick und in der

Kurzachsenebene erstellt, die den linken und rechten Ventrikel in beiden

Einstellungen in 8 bis 14 konsekutiven Schichten darstellen.

Zur Vermeidung von Bewegungsartefakten wurden alle Aufnahmen mit EKG-

Triggerung und Atemanhaltetechnik angefertigt. Durch das Anlegen eines

Atemgurtes konnte die Atembewegung visuell an der MRT-Konsole nachvollzogen

werden. Die Messungen wurden bei Erreichen der endexspiratorischen Atemlage

mit einem Atemanhaltekommando gestartet.

3.4 Bildanalyse in MSCT und MRT

Bei beiden Methoden wurde die Bildanalyse off-line mit einem kommerziell

erhältlichen System (Personalcomputer / Linus) durchgeführt. Für den linken

Ventrikel (LV) und den rechten Ventrikel (RV) wurde die Enddiastole (ED) als die

Phase definiert, die innerhalb der endokardialen Konturen die größte Gesamtfläche

6

zeigt. Als Phase mit der kleinsten Gesamtfläche wurde die Endsystole (ES)

definiert.

In beiden Phasen wurden die endokardialen Konturen von der Herzbasis bis zur

Herzspitze semiautomatisch planimetriert. Das eingesetzte Planimetrieprogramm

(Programmierung: Peter Barth, Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein Westfalen,

Ruhr-Universität Bochum) gab die Konturierung wie folgt vor: durch einen

Mausklick in das Ventrikelcavum und einen weiteren in das Myokard konnten

Unterschiede in den Signalintensitätsunterschieden berechnet werden. Der

Mittelwert wurde definiert als die Signalintensität der Myokard- / Cavumgrenze,

welche dann als endokardiale Kontur in der jeweiligen Schicht definiert wurde. Die

Planimetrie wurde bei beiden Methoden manuell korrigiert. Dabei wurden die

Papillarmuskeln konsequent dem Myokard zugerechnet [19]. Die rechtsventrikuläre

Volumetrie wurde ebenfalls semiautomatisch durchgeführt. Unter Anwendung der

Scheibchensummationsmethode (modifizierte Simpson Methode [7]) wurde die für

die LV - Planimetrie relevante basalste Schicht als solche definiert, die der

Mitralklappe am nächsten liegt bei zirkumferenziell ≥50% des sichtbaren LV -

Myokards.

Die Planimetrie diente der Bestimmung der ED und ES Volumina (V) von LV und

RV (LV-EDV und LV-ESV, RV-EDV und RV-ESV) sowie der Berechnung der

LV- bzw. RV-EF.

3.5 Echokardiographie

Die 2D Echokardiographie erfolgte in Linksseitenlage unter Anwendung aller

parasternalen und apikalen Standardprojektionen. Alle Untersuchungen wurden mit

einem kommerziell erhältlichen Ultraschallgerät durchgeführt (Vivid 7, EchoPac

Bildbearbeitungssoftware, GE Medical System, Horten, Norwegen). Die erhobenen

Daten wurden als Videosequenzen und Standbilder digital gespeichert. Die LV -

7

Volumetrie wurde nach der modifizierten Simpson Gleichung [17] durchgeführt.

Dafür verwendeten wir den 2- und 4- Kammerblick. Die ED wurde definiert als das

erste Bild nach der R- Zacke, die ES durch die kleinste LV - Fläche. Alle

Untersuchungen erfolgten unter Verzicht auf Atemkommandos.

3.6 Statistische Analyse

Alle Volumina des RV und LV sind in Mittelwert ± Standardabweichung (SD)

ausgedrückt. Die Daten werden absolut und prozentual angegeben. Der Vergleich

von MSCT - mit MRT - (und 2D Echokardiographie -) basierten volumetrischen

Daten für den LV und RV wurde durch die Kalkulation der Abweichung (mittlere

Differenz) und der 95%-Grenze des Vergleichs (2 SD um die mittlere Differenz) in

Bland-Altman-Plots [3] dargestellt. Für die statistische Analyse wurde der Pearson

Korrelationskoeffizient berechnet. Die Signifikanz wurde durch den Wilcoxon

Ranks Test [18] bestimmt. Die Signifikanzschwelle wurde definiert als p=0,05. Alle

Analysen wurden mit SPSS (SPSS Inc., Microsoft Windows, Mac OS X, Linux)

durchgeführt.

4. Ergebnisse

Der volumetrische CT Dosis Index (CTDI) und das Dosis- Längen- Produkt (DLP)

betrugen 665,67 ± 25,63 mGy and 625,33 ± 171,88 mGy × cm. Daraus resultierte

eine Strahlenexposition (DLP Umwandlungsfaktor [m 0,017, f 0,025]) von 11,32 ±

0,44 mSv für Männer und 15,63 ± 4,30 mSv für Frauen.

4.1 MRT vs. MSCT

In Teilprojekt 1 bestand hinsichtlich der LV - Volumetrie eine enge Korrelation

zwischen MRT und MSCT: EDV r=0,938, ESV r=0,981 und EF r=0,927. Die LV -

8

Volumina wurden durch MSCT hochsignifikant überschätzt (p <0,0001), die LV-EF

hochsignifikant unterschätzt (p<0,0001).

Bzgl. der RV - Volumetrie zeigte sich ebenfalls eine gute Korrelation: EDV r=

0,787, ESV r=0,783 sowie EF r=0,729. Die RV-Volumina wurden durch MSCT

hochsignifikant überschätzt (p<0,0001), während die RV-EF hochsignifikant

unterschätzt wurde (p<0,0001).

9

Tabelle 1: MRT - und MSCT - basierte volumetrische Daten des LV und RV.

MSCT und MRT boten weder in der LV - noch in der RV - Volumetrie signifikante

Ausreißer (s. Abbildung 1).

Abbildung 1a: Bland-Altmann-Plots zur Darstellung der Übereinstimmung von

MSCT - und MRT - basierter Volumetrie bzgl. LV-EDV und RV-EDV.

MODE LV-EDV

(ml) r/p LV-ESV

(ml) r/p LV-EF (%) r/p

MRT 278,2 ± 26,2 181,8 ± 24,8 41,3 ± 3,8

MSCT 284,3 ± 28,8

0,938/ <0,0001

199,4 ± 27,9

0,981/ <0,0001

37,2 ± 4,0

0,927/ <0,0001

RV-EDV r/p RV-ESV r/p RV-EF r/p

MRT 148,9 ± 8,4 65,1 ± 6,8 58,3 ± 2,7

MSCT 171,4 ± 9,1

0,787/ <0,0001

100,9 ± 11,5

0,783/ <0,0001

43,8 ± 3,8

0,729/ <0,0001

LV-EDV RV-EDV

10

Abbildung 1b: Übereinstimmung von MSCT - und MRT - basierter Volumetrie

bzgl. LV-ESV und RV-ESV.

Abbildung 1c: Übereinstimmung von MSCT - und MRT - basierter Volumetrie

bzgl. LV-EF und RV-EF.

LV-ESV RV-ESV

LV-EF RV-EF

11

4.2 MSCT vor und nach CRT

Nach Beginn der CRT ergab die MSCT - basierte Verlaufsvolumetrie einen

signifikanten Abfall der LV-ESV (p=0,028) und einen Anstieg der LV-EF

(p=0,046). Auch die 2D echokardiographischen Messungen ergaben einen

signifikanten Abfall des LV-EDV (p=0,046) und des LV-ESV (p=0,046), ebenso

wie einen Anstieg der LV-EF (p=0,046).

Tabelle 2: Vergleich der MSCT - und 2D Echokardiographie - basierten LV -

Volumetrie vor und nach CRT, unterteilt in Responder und Non - Responder.

LV-EDV (ml) LV-ESV (ml)

Responder Prae Post Prae Post MSCT 300,65±50,33 216,92±116,41 249.44±49.96 144.25±78.34

Echo 289,83±82,32 192,42±101,42 237.83±62.77 129.33±84.77

Non-Responder Prae Post Prae Post

MSCT 143,80 230,65 90,56 257,88

Echo 181,50 166,50 114,00 103,50

LV-EF (%) MM (g)

Responder Prae Post Prae Post MSCT 17,34±5,10 28,69±12,12 128,09±48,43 115,82±57,95

Echo 17,10±9,96 38,70±15,93

Non-Responder Prae Post Prae Post

MSCT 37,02 35,07 105,64±4,87 112,25±9,17

Echo 37,20 37,80

Auch in der MSCT - basierten RV - Volumetrie zeigte sich eine signifikante

Abnahme der Volumina: EDV 37,67 ± 40,33ml (p=0,046), ESV 46,45 ± 53,29ml

(p=0,028). Die EF stieg um 15,63 ± 21,24% (p=0,116).

Die Analyse der absoluten systolischen myokardialen Wandverdickung ergab bei

den Respondern einen signifikanten CRT - induzierten Anstieg der basalen,

mittleren und apikalen Schichten (basal prä 0,66 ± 2,76mm vs. post 1,30 ± 4,04mm;

12

p=0,011; mittlere prä 0,49 ± 2,85mm vs. post 3,42 ± 3,35mm; p=<0,0005; apikal prä

1,05 ± 2,93mm vs. post 2,84 ± 4,39mm; p=0,004).

Der einzige Non - Responder zeigte eine nicht signifikante Abnahme der basalen,

mittleren und apikalen absoluten LV - Wandverdickung (basal prä 1,91 ± 4,13mm

vs. post –0,06 ± 1,91mm; p=0,656; mittel prä 3,38 ± 2,85mm vs. post 1,80 ±

3,38mm; p=0,654; apikal prä 2,08 ± 3,85mm vs. post 1,53 ± 3,14mm; p=0,840).

Abbildung 2a: Graphische Darstellung der segmentalen systolischen absoluten

Wandverdickung im Bereich des basalen LV - Drittels der CRT - Responder und

des CRT - Non - Responders

Responder - basal Non-Responder - basal

13

Abbildung 2b: Graphische Darstellung der segmentalen systolischen absoluten

Wandverdickung im Bereich des mittleren LV - Drittels der CRT - Responder und

des CRT - Non - Responders

Responder - mittel Non-Responder - mittel

14

Abbildung 2c: Die segmentalen Antworten im apikalen Abschnitt der Responder

und des Non - Responders

5. Diskussion

Die rapide Weiterentwicklung auf dem Gebiet der kardialen Bildgebung mittels

MRT und MSCT führte in den vergangenen Jahren zu einer zügigen Verbreitung in

der klinischen Kardiologie. Zur Bestimmung der Herzvolumina gilt die MRT als

Goldstandard [9]. Dies gründet auf der sehr guten zeitlichen und räumlichen

Auflösung. In Anbetracht von MRT -Kontraindikationen wie der stetig steigenden

Zahl von Patienten mit metallenen Implantaten (z. B. Herzschrittmacher,

insbesondere bei chronisch herzinsuffizienten Patienten), aber auch infolge langer

Untersuchungs- und Liegezeiten resultierender Incompliance ist zur Beantwortung

bestimmter Fragestellungen eine Alternativmethode erforderlich.

Die MSCT bietet als eine weitere Schnittbildgebung eine gute zeitliche und

hervorragende räumliche („Orts-”) Auflösung. Bei Patienten mit normaler

systolischer linksventrikulärer Pumpfunktion konnten sehr gute Korrelationen

Responder - apikal Non-Responder - apikal

15

zwischen MSCT - und MRT - basierter Volumetrie gezeigt werden [8] [14]. Die

vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der MSCT - basierten links- und

rechtventrikulären kardialen Volumetrie bei Patienten mit eingeschränkter kardialer

Pumpfunktion. Sie umfasst zwei Teilprojekte, die aufeinander aufbauen.

Grundlegend verglichen wir in Teilprojekt 1 die MSCT mit der

Goldstandardmethode, MRT. Weiterführend analysierten wir in Teilprojekt 2

volumetrische Verlaufsbestimmungen mittels MSCT und 2D Echokardiographie -

vor und nach Beginn einer CRT (Longitudinalstudie). In diesem Teilprojekt wurden

neben den volumetrischen Parametern besonderes Augenmerk auf die mittels MSCT

ermittelte systolische absolute Wandverdickung gelegt. Mit Hilfe der so

ermöglichten linksventrikulären Wandbewegungsanalyse war es unser Ziel, das

CRT - induzierte „reverse remodelling“ zu beurteilen. Hierzu führten wir MSCT -

basierte farbkodierte multisegmentale Polartomogramme ein.

5.1 Vergleich MSCT und MRT

Unser Patientenkollektiv umfasste zunächst 24 Patienten mit chronischer

Herzinsuffizienz unterschiedlicher klinischer Schweregrade, überwiegend NYHA

III, denen verschiedene kardiale Grunderkrankungen zugrunde lagen (Teilprojekt 1).

Bei der volumetrischen Evaluation fokussierten wir auf das EDV und ESV sowie

die EF.

Die bisher in der Literatur veröffentlichten Studien zur MSCT - basierten

Volumetrie, validiert durch den Goldstandard, MRT, wurden dagegen an Patienten

durchgeführt, die eine regelrechte globale LV - Pumpfunktion aufwiesen [5] [11]

[15]. Die Untersuchung von Patienten mit überwiegend mittel- bis hochgradig

eingeschränkter systolischer Pumpfunktion ist eine große Herausforderung, da diese

Patienten - häufig mit Orthopnoe - lange Liegezeiten (Untersuchungszeiten) oft nur

16

schlecht tolerieren. Andererseits sind sie aufgrund der veränderten LV - Volumetrie

für andere Untersuchungstechniken nur eingeschränkt geeignet.

Wie andere Arbeitsgruppen an Studienpopulationen mit regelrechter systolischer

Pumpfunktion beobachteten, fanden auch wir bei unseren herzinsuffizienten

Patienten - bezogen auf die MRT - Volumetrie - bei sehr guten Korrelationen eine

signifikante Überschätzung des LV-ESV und -EDV (p<0,0001) sowie eine

Unterschätzung der LV-EF (p<0,0001) durch MSCT.

Die Korrelation der RV - Volumetrie war erwartungsgemäß schwach. Aufgrund

seiner komplexen Geometrie ist der RV auch mittels Schnittbildgebung ungleich

schwieriger zu planimetrieren als der LV. Dennoch korrelierten die MSCT mit den

MRT - Daten gut, wobei RV-EDV und -ESV ebenfalls signifikant über- und die EF

unterschätzt wurde (jeweils p<0,0001). Sowohl in der LV - als auch in der RV -

Analyse gab es keine signifikanten Ausreißer, die das Ergebnis hätten verfälschen

können.

In dem durchgeführten Teilprojekt 1 analysierten wir MSCT mit MRT im Sinne

einer Vergleichsstudie. Die den resultierenden Diskrepanzen zugrunde liegenden

Ursachen waren im Rahmen des gewählten klinischen Studiendesigns kausal und

bzgl. ihrer klinischen Konsequenz nicht zu klären. Sie sollen angesichts der nicht

vollständigen Übereinstimmung der verglichenen Methoden jedoch angesprochen

werden.

Die methodenspezifischen Unterschiede bzgl. Liegezeit, Dunkelheit und Lautstärke

während der MRT - Untersuchungen werden subjektiv unterschiedlich

wahrgenommen und bedeuten potentiellen Stress. Es wurde gezeigt, dass dies einen

signifikanten Abfall der LV - EF hervorrufen kann, der wiederum einen Anstieg der

17

Herzfrequenz und des Blutdrucks verursacht [10]. Bei der MSCT kommt es bei

Geräuschlosigkeit, normaler Helligkeit im Untersuchungsraum sowie kürzeren

Liegezeiten zu geringerem mentalen Stress.

Für diese Studie relevant sind zudem mechanische Parameter, bzgl. derer sich

MSCT und MRT unterscheiden bzw. sich auf die Hämodynamik verschieden

auswirken können. Die 16 - Zeilen - CT ermöglicht diagnostische Bildqualität in

einem weiten Herzfrequenzbereich (38-102/min) [12]. Darüber hinaus kann eine

ausgeprägte Herzfrequenzvariabilität die Bildqualität erheblich einschränken [21].

Generell muss eine kontrollierende Betablockerapplikation – wie bei der MSCT -

basierten nicht- invasiven Koronardiagnostik etabliert – bei geplanter Volumetrie

aufgrund des potentiellen Einflusses auf Hämodynamik und kardiale Volumina

eingesetzt werden.

Die Bildqualität der zugrunde liegenden MSCT - Angiographie ist aufgrund der

limitierten zeitlichen Auflösung anfällig für Atemartefakte. Derartige

Bewegungsartefakte können die Myokardkonturierung bei der Planimetrie

erschweren und volumetrische Bestimmungen verfälschen. Die von uns

untersuchten Patienten mit teilweise hochgradig eingeschränkter LV - Funktion

boten alle eine sehr geringe Bewegungsamplitude. Diese Situation begünstigt eine

gute Bildqualität trotz suboptimaler zeitlicher Auflösung.

Hinsichtlich der Kontrastmittelapplikation finden sich in der Literatur keine

Hinweise auf einen möglichen Einfluss der Bolusinjektion von 100 ml jodhaltigen

Kontrastmittels auf die Hämodynamik des Herzens. Es ist jedoch bekannt, dass u. a.

das von uns gewählte Kontrastmittel sehr schnell eine hohe osmotische Wirkung

entfaltet und eine intravasale Volumenveränderung nach sich zieht.

Unabhängig davon ist während des in Inspiration durchgeführten MSCT - Scans das

LV-EDV im Vergleich zur Exspiration verringert. Im Gegensatz zum LV - ist das

RV - Volumen während der Inspirationsphase am größten [20].

18

Die vorliegende Arbeit kann nur darauf hinweisen, dass obig angeführte

Mechanismen grundsätzlich, aber im Besonderen bei der Analyse dieses

„intermodalen“ Vergleiches Berücksichtigung finden sollten. Ihr genaues Ausmaß

kann jedoch nur unter experimentellen Bedingungen untersucht werden.

Zusammenfassend zeigt die Teilstudie 1, dass MSCT und MRT gut korrelieren. Bei

MRT - Kontraindikationen wie metallischen Implantaten (z. B. Schrittmachern oder

Defibrillatoren) könnte folglich die 16 - Zeilen - CT als präzisere Alternative zur 2D

Echokardiographie eingesetzt werden. Zu erwarten ist dabei eine Überschätzung der

ventrikulären Volumina und Unterschätzung der Ejektionsfraktionen.

Die Bestimmung der links- und rechtsventrikulären Funktionen durch die kardiale

MSCT bietet Informationen, die von diagnostischer, therapeutischer und

prognostischer Bedeutung sein können. Angesichts der einhergehenden

Strahlenexposition ist diese Methode jedoch nicht als Methode der ersten Wahl

einzusetzen. Gerechtfertigt ist ihr Einsatz in Fällen, in denen Zusatzinformationen

erforderlich sind, die die 2D Echokardiographie nicht erbringen kann. Außerdem

sollten nur Patienten untersucht werden, die eventuelle Strahlenschäden nicht

erleben können.

5.2 MSCT vor und nach CRT

Das Teilprojekt 2 baut auf dem grundlegenden Projekt 1 auf und ist als deskriptive

Studie zu werten. Wir untersuchten ein Subkollektiv herzinsuffizienter Patienten mit

DCM (n=7), bei denen im Verlauf ein biventrikulärer Schrittmacher (BVSM) im

Sinne einer kardialen Resynchronisationstherapie (CRT) implantiert wurde. Mittels

MSCT - basierter Volumetrie war es das Ziel dieser deskriptiven Studie, den

19

mindestens bei einem Teil der Patienten zu erwartenden CRT - Effekt („reverse

remodelling“) zu detektieren, lokalisieren und zu quantifizieren. Bei der prospektiv

festgelegten kleinen Patientenzahl ging es uns darum, das Potenzial der Methode zur

Demonstration des CRT - induzierten „reverse remodelling“ aufzuzeigen.

Die Indikation für eine CRT kann gestellt werden bei Patienten in einem klinischen

Herzinsuffizienzstadium NYHA ≥ III. Vorliegen muss eine systolische LV-

Dysfunktion (LV-EF ≤ 35%) und eine gestörte kardiale Erregungsausbreitung

(elektrokardiographisch signifikanter Linksschenkelblock, QRS ≥ 120ms). Unter der

Vorstellung einer resultierenden ventrikulären Dyssynchronie

(echokardiographisch) gründet das Therapiekonzept der CRT auf dem Prinzip einer

elektromechanischen Resynchronisation. Bei CRT - Respondern wird neben der

klinischen Verbesserung eine Verringerung des EDV und ESV sowie eine

Steigerung der EF beobachtet.

In der MUSTIC - Studie [13] konnte bei Herzinsuffizienz- Patienten unter CRT

neben einer höheren Lebensqualität und einer Verbesserung der Mitralinsuffizienz

ein Anstieg der LV-EF beobachtet werden. Die Arbeitsgruppen um Agacdiken und

Akyol zeigten eine durch CRT induzierte messbare Verbesserung der Herzfunktion,

sowohl klinisch als auch echokardiographisch, die über Jahre stabil blieb [1] [2].

In unserer Serie variierte vor CRT die NYHA - Klasse zwischen III und IV (III n=5,

III-IV n=2). Nach CRT rangierte die NYHA Klasse der 6 CRT - Responder

zwischen I und II (I n=1, I-II n=4, II n= 1). Der einzige Non - Responder konnte

seine NYHA- Klasse (NYHA III) nicht verbessern.

Nach MSCT - basierter LV - und RV - Volumetrie bestimmten wir zudem die

Myokardmasse. Die linksventrikulären Parameter dienten - vor und nach CRT - dem

20

Vergleich mit der 2D Echokardiographie. Unterstellt wurde eine in Teilprojekt 1

dokumentierte gute Korrelation von MSCT mit der Goldstandardmethode, MRT.

Die MSCT und 2D Echokardiographie erfolgte i. d. R. am selben Tag, maximal drei

Tage vor CRT. Die MSCT - und 2D Echokardiographie - Verlaufsuntersuchungen

wurden – aufgrund mangelnder Compliance – 19,8 ± 11,1 Monate (Min 12, Max 30,

Median 12) nach Beginn der CRT am selben Tag durchgeführt. Unter CRT -

Bedingungen zeigte sich in den Messungen mit MSCT ein Abfall der LV-EDV und

LV-ESV sowie ein Anstieg der LV-EF (p=0,046), was echokardiographisch für LV-

EDV und LV-ESV sowie für LV-EF ebenfalls zu konstatieren war (p=0,046). Dabei

überschätzt die Echokardiographie die durch MSCT bestimmte LV-EF signifikant

(p=0,016).

Von den 7 Patienten konnten 6 durch MSCT korrekt als CRT - Responder

identifiziert werden. Dies zeigte sich in einer Abnahme der EDV und ESV sowie an

dem Anstieg der LV- und RV-EF. Ebenso konnte der einzige Non - Responder

durch die MSCT als solcher identifiziert werden. Dieser zeigte gegenläufige

Veränderungen der LV - Parameter.

Auch die MSCT - basierten Messungen des RV zeigten eine signifikante Abnahme

der RV-EDV (p=0,046) und RV-ESV (p=0,028). Die RV-EF stieg um 15,63 ±

21,24% (p=0,116).

Die LV-Wandbewegungsanalyse war ein weiteres Thema der vorliegenden Arbeit.

„Reverse remodelling“ bezeichnet u. a. die Umkehrung der durch interventrikuläre

Dyssynchronie verursachten septalen Verdünnung nach CRT. Wir analysierten eine

messbare Größe zum Nachweis des CRT - induzierten „reverse remodelling“, so

dass wir uns für eine bis dato nicht eingesetzte Größe, die systolische absolute

21

myokardiale Wandverdickung, entschieden. Dazu erfolgte zunächst eine

Unterteilung des LV in 8 longitudinal verlaufende Quadranten, die wiederum in

einen apikalen, mittleren und basalen Abschnitt unterteilt wurden. Die Quadranten 1

und 2 repräsentieren die Vorderwand, 3 und 4 die Lateralwand und 5 bis 8 das

Septum einschließlich seiner angrenzenden Vorder- und Hinterwandsegmente.

In der Gruppe der CRT - Responder verringerte sich erwartungsgemäß die LV -

Myokardmasse im Durchschnitt um 9,5%, wohingegen der Non - Responder einen

leichten Anstieg um 1,5% aufwies. Die Analyse der myokardialen systolischen

Wandverdickung zeigte einen signifikanten Anstieg in den basalen, mittleren und

apikalen Schichten bedingt durch CRT (Responder). Dabei zeigten das Septum und

seine angrenzenden Segmente 5, 6, 7 und 8 den besten „Response“ auf die CRT. Bei

dem Non-Responder zeigte sich hingegen eine nicht signifikante Abnahme der

basalen, mittleren und apikalen absoluten Wandverdickung.

Bei den CRT- Respondern war – verdeutlicht durch die MSCT - basierten MIP Cine

views – eine deutliche Dickenzunahme der Herzwände nachzuweisen. Durch die

posterolateral verzögerte Kontraktion und die dadurch resultierende

Septumhypotrophie war eine leichte Asymmetrie vor CRT sichtbar. Die

posterolateralen Wände waren dicker als die septalen.

Zur verbesserten Detektion und Lokalisation, aber auch zur Quantifizierung des

CRT- induzierten „reverse remodelling“ wendeten wir erstmals MSCT - basierte

farbkodierte multisegmentale Polartomogramme an, die durch die SIEMENS

Software ARGUS zur Verfügung standen. Die Farbstufe „Hellblau“ bedeutet keine

systolische Wandverdickung, „dunkelrot“ bedeutet maximale systolische absolute

Wandverdickung in mm. Unsere CRT - Responder zeigten in unterschiedlicher

22

Intensität eine Rückumverteilung der Muskelmasse im Sinne eines „reverse

remodelling“. Der Non - Responder zeigte kein „reverse remodelling“.

5.3 Limitationen

Die verschiedenartigen Limitationen der MSCT - basierten Volumetrie sind z. T. CT

- spezifisch: die MSCT als Röntgenmethode geht mit einer nicht unwesentlichen

Röntgenstrahlen- und Kontrastmittelexposition einher, was Einfluss bei der

Patientenpräselektion haben sollte. Alte Menschen erleben Strahlenschäden

statistisch nicht, die sich in der Regel Jahrzehnte nach der Exposition manifestieren

(bei einer 20-jährigen Frau liegt das Risiko für eine Krebserkrankung durch CT -

Scan bei 1 zu 143, bei einer 80- jährigen Frau bei 1 zu 3261 [6]), weisen jedoch

häufig eine chronische Niereninsuffizienz auf. Für die LV - Wandbewegungsanalyse

verwendeten wir Polartomogramme, die von dem üblichen 17 - Segment - Modell

abweichen. Die RV - Geometrie stellt auch für die MSCT als 3D Schnittbildgebung

ein Problem dar, das auf der weiter zu optimierenden räumlichen wie zeitlichen

Auflösung aber auch auf einem suboptimalen Signal - to - Noise - Verhältnis

gründet.

Studienspezifisch hat die kleine Studienpopulation in Teilprojekt 2 der Studie nur

deskriptiven Charakter. Darüber hinaus fehlt die Validierung durch eine

Goldstandardmethode (hier 2D Echokardiographie). Die Verlaufsmessungen

erfolgten nicht wie geplant nach etwaig gleichem Therapieintervall nach CRT,

sondern infolge einer problematischen Patienten- Compliance abweichend.

Die MSCT - basierte Volumetrie korreliert gut mit dem Goldstandard MRT, wobei

der RV für beide Techniken problematisch darzustellen ist. Die MSCT ermöglicht

CRT - Responder von Non - Respondern zu unterscheiden. Aufgrund der

dargelegten Limitationen sollte die MSCT nicht an erster Stelle für die kardiale

23

Volumetrie eingesetzt werden, sondern kann bei bestimmten Fragestellungen (wie

beispielsweise bei fraglicher Effektivität eines Schrittmachers bei nicht eindeutiger

Klinik) in Erwägung gezogen werden.

24

Literaturverzeichnis

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26

Danksagungen:

Herrn Professor Dr. med. D. Horstkotte danke ich sehr für die Überlassung meines

Dissertationsthemas. Sehr herzlich danke ich darüber hinaus Herrn Christoph Langer

für die umfassende Betreuung der Arbeit, Herrn Bernhard Vaske, Mr. Grant Dugtig,

meiner Familie und allen Freunden, sowie ganz besonders meinem Mann Stephan.

27

Lebenslauf

Persönliche Daten

Name: Janina Schröder

Geburtsdaten: 26.03.1983, Herford

Werdegang

08/89 – 07/93 Grundschule Halstern, Löhne

08/93 – 06/02 Städtisches Gymnasium Löhne

Abschluss: Abitur, Note 2,1

10/02 – 04/09 Studium der Humanmedizin an der Medizinischen Hochschule

Hannover

Medizinische Praktika und Famulaturen

03/03 Praktikum Gastroenterologische Station Zweckverband Bad

Oeynhausen

06/03 Praktikum Gastroenterologische Station Zweckverband Bad

Oeynhausen

03/04 Praktikum Neugeborenenstation, Klinikum Herford

08/05 Famulatur in der Abteilung Gastroenterologie des

Zweckverbandskrankenhauses Bad Oeynhausen

03/06 Famulatur in der pädiatrischen Praxis Mahnegold- Randel, Löhne

08/06 Famulatur in der internistisch-kardiologischen Abteilung des Herz- und

Diabeteszentrums NRW, Bad Oeynhausen

04/07 Famulatur in der orthopädischen Praxis Rhades, Bad Oeynhausen

09/07 Famulatur in der unfallchirurgischen Praxis Waezada, Bad Oeynhausen

03/08 – 06/08 Block Innere Medizin des Praktischen Jahres im Klinikum Uelzen

06/08 – 10/08 Block Chirurgie des Praktischen Jahres im Klinikum Uelzen

10/08 – 02/09 Block Wahlfach Pädiatrie des Praktischen Jahres im Klinikum Uelzen

Berufliche Tätigkeit

Seit 08/09 Assistenzärztin für Radiologie in der Gemeinschaftspraxis Radiologie

und Nuklearmedizin Buchholz in der Nordheide

28

Forschungstätigkeit und Doktorarbeit

01/06 – 12/08 Verfassen der Doktorarbeit in der kardiologischen Klinik des Herz- und

Diabeteszentrums NRW, Ruhr-Universität Bochum, Bad Oeynhausen

Publikationen

03/07 Postervorstellung „Mehrschicht-Computertomographie bei

Herzinsuffizienzpatienten: Volumetrische Evaluation vor und unter

kardialer Resynchronisationstherapie.“ auf der 73. Jahrestagung der

Deutschen Gesellschaft für Kardiologie in Mannheim 2007

06/07 Postervorstellung „Imaging reverse remodelling: multi-slice computed

tomography in patients with congestive heart failure receiving cardiac

resynchronization therapy.” Europace 2007 in Lissabon

03/08 Freier Vortrag- Resynchronisation und Bildgebung „Kardiale

Mehrschicht Computertomographie: Volumetrie bei

Herzinsuffizienzpatienten vor und nach kardialer

Resynchronisationstherapie“ auf der 74. Jahrestagung der Deutschen

Gesellschaft für Kardiologie in Mannheim 2008

09/09 Schroeder J, Peterschroeder A, Vaske B, Butz T, Barth P, Oldenburg O,

et al.Cardiac volumetry in patients with heart failure and reduced

ejection fraction: acomparative study correlating multi-slice computed

tomography and magnetic resonance tomography. Reasons for

intermodal disagreement. Clin Res Cardiol 2009;98:739-470

02/10 Langer C, Schroeder J, Peterschroeder A, Vaske B, Faber L, Welge D,

Niethammer M, Lamp B, Butz T, Bitter T, Oldenburg O, Horstkotte

D.The potential of multi-slice computed tomography based volumetry

for demonstrating reverse remodeling induced by cardiac

resynchronisation therapy. Comput Med Imaging Graph. 2010 Feb 17

29

ORIGINAL PAPER

Cardiac volumetry in patients with heart failure and reducedejection fraction: a comparative study correlating multi-slicecomputed tomography and magnetic resonance tomography.Reasons for intermodal disagreement

Janina Schroeder Æ Andreas Peterschroeder Æ Bernhard Vaske ÆThomas Butz Æ Peter Barth Æ Olaf Oldenburg Æ Thomas Bitter ÆWolfgang Burchert Æ Dieter Horstkotte Æ Christoph Langer

Received: 9 March 2009 / Accepted: 26 August 2009

� Springer-Verlag 2009

Abstract

Background In humans with normal hearts multi-slice

computed tomography (MSCT) based volumetry was

shown to correlate well with the gold standard, cardiac

magnetic resonance imaging (CMR). We correlated both

techniques in patients with various degrees of heart failure

and reduced ejection fraction (HFREF) resulting from

cardiac dilatation.

Methods Twenty-four patients with a left ventricular end-

diastolic volume (LV-EDV) of C 150 ml measured by

angiography underwent MSCT and CMR scanning for left

and right ventricular (LV, RV) volumetry. MSCT based

short cardiac axis views were obtained beginning at the

cardiac base advancing to the apex. These were recon-

structed in 20 different time windows of the RR-interval

(0–95%) serving for identification of enddiastole (ED) and

end-systole (ES) and for planimetry. ED and ES volumes

and the ejection fraction (EF) were calculated for LV and

RV. MSCT based volumetry was compared with CMR.

Results MSCT based LV volumetry significantly corre-

lates with CMR as follows: LV-EDV r = 0.94, LV-ESV

r = 0.98 and LV-EF r = 0.93, but significantly overesti-

mates LV-EDV and LV-ESV and underestimates EF

(P \ 0.0001). MSCT based RV volumetry significantly

correlates with CMR as follows: RV-EDV r = 0.79, RV-

ESV r = 0.78 and RV-EF r = 0.73, but again significantly

overestimates RV-EDV and RV-ESV and underestimates

RV-EF (P \ 0.0001).

Conclusion When compared with CMR a continuous

overestimation of volumes and underestimation of EF

needs to be considered when applying MSCT in HFREF

patients.

Keywords Multi-slice computed tomography �Magnetic resonance imaging � Cardiac dilatation �Systolic heart failure

Introduction

The evaluation of ventricular ejection fraction (EF) derived

from accurate measurement of the enddiastolic (ED) and

endsystolic (ES) ventricle volume (volumetry) is essential

for arrangements of therapy and prognosis in patients with

congestive heart failure and reduced ejection fraction

(HFREF). Since geometrical models are used in two-

dimensional (2D) cross-sectional techniques, 2D echocar-

diography (2D echo) and invasive ventriculography are

limited especially in geometrically disturbed cavities [6].

2D echo tends to underestimate cardiac volumes [2]

especially in cases of advanced cardiac diseases associated

J. Schroeder � O. Oldenburg � T. Bitter � D. Horstkotte �C. Langer (&)

Department of Cardiology, Heart and Diabetes Center North

Rhine-Westphalia, University Hospital of the Ruhr-University

Bochum, Georgstrasse 11, 32545 Bad Oeynhausen, Germany

e-mail: clanger@hdz-nrw.de

A. Peterschroeder � P. Barth � W. Burchert

Institute of Radiology, Nuclear Medicine, and Molecular

Imaging, Heart and Diabetes Center North Rhine-Westphalia,

University Hospital of the Ruhr-University Bochum, Bad

Oeynhausen, Germany

B. Vaske

Institute of Biometry, Hannover Medical School,

Hannover, Germany

T. Butz

Department of Cardiology and Angiology,

Marienhospital Herne, University Hospital

of the Ruhr-University Bochum, Herne, Germany

123

Clin Res Cardiol

DOI 10.1007/s00392-009-0074-5

with very dilated hearts. The image acquisition and inter-

pretation is very much operator and acoustic window

dependant [9].

Three-dimensional (3D) modalities allow for more exact

analysis of cardiac volumetry. Because of its high accu-

racy, reproducibility, low interstudy and interobserver

variability, cardiac magnetic resonance imaging (CMR) is

the gold standard for cardiac volumetry. However, disad-

vantages of CMR are long image acquisition times and

contraindications such as metal implants.

An alternative method for precise volumetry would be

eligible to enable 3D cross-sectional examinations of

patients carrying cardiac pacemakers and defibrillators and

also cater for those patients who cannot tolerate long idle

periods because of orthopnea or claustrophobia. Multi-slice

computed tomography (MSCT) is a 3D cross-sectional

method rapidly advancing in clinical cardiology. Origi-

nally, MSCT was introduced for non-invasive coronary

angiography. Also providing cardiac volumetry, in indi-

viduals with normal cardiac systolic pump function MSCT

has been proven to correlate excellently with CMR [7].

Despite the introduction of MSCT scanners of improved

temporal and spatial resolution, 16-slice technology has

still been considered in current recommendations on car-

diac CT [1, 3].

In this study we compared MSCT with CMR with

respect to left and right cardiac volumetry. In contrast to

other comparative studies reporting MSCT based volume-

try [4, 14], the present series reflects patients at different

stages of HFREF with mildly to highly reduced systolic

pump function, predominantly with severely dilated hearts

due to different etiologies.

Methods

Population

In 2004 we performed a prospective single-center study in

24 patients (14 men, 10 women, age 64.8 ± 9.5 years, BMI

27.21 ± 4.46 kg/m2) with various heart diseases (dilated

cardiomyopathy n = 12; hypertensive heart disease n = 4;

ischemic cardiomyopathy (CAD) n = 8) associated with

reduced systolic left ventricular pump function (left ven-

tricular ejection fraction \ 50%) and enlarged hearts (left

ventricular end-diastolic volume (LV-EDV) C 150 ml

[15]) determined by invasive coronary angiography, left

cardiac ventriculography and hemodynamical assessment,

respectively. Thirteen patients had a left bundly branch

block. The recruited patients were at different stages of

HFREF (NYHA I–II n = 1; NYHA II n = 11; NYHA II–

III n = 1; NYHA III n = 9; NYHA III–IV n = 2) who

were undergoing MSCT and CMR for volumetric

evaluation (Table 1). At the time of examination all patients

were in sinus rhythm and clinically stable. The patients had

a steady state consensus medication containing beta

blockers. Extra beta blockers for heart rhythm control were

not given before any volumetric exam. The maximum time

span including both examinations was 2 days. The German

Federal Office for Radiation Protection (www.bfs.de/en/bfs)

and the local ethics committee had approved the study

protocol according to the Helsinki Declaration (1975/1983).

Written informed consent was obtained from each patient.

Multi-slice computed tomography

Cardiac MSCT (16-slice CT, Cardiac Sensation, Siemens,

Medical Solutions, Forchheim, Germany) was performed

using the scan protocol defined for non-invasive coronary

angiography (collimation 16 mm 9 0.75 mm, gantry

rotation speed 420 ms, 120 kV, 300 mAs, 100 ml contrast

medium (Iopromide, iodine content 370 mg/ml; Ultra-

vistTM, Bayer-Schering, Berlin, Germany), flow rate 4 ml/s,

increment 8 mm, reconstructed slice thickness 8 mm).

Under ECG recording, helical scanning was performed

within a single breath-hold from the carina to the cardiac

apex. All patients were instructed to hyperventilate before

the scan and to hold their breath in inspiration during the

scan. After MSCT scanning, the raw data was used for

retrospective reconstruction of the transverse images using

an offline workstation (Navigator, Siemens, Medical

Solutions, Forchheim, Germany). Based on the four

chamber view for orientation, short cardiac axis views

demonstrating LV and RV were reconstructed from the

cardiac basis beginning at the mitral valve annulus to the

apex resulting in 8–14 adjacent slices. These were recon-

structed in 20 different time windows of the RR-interval

(0–95% in 5% steps) serving for identification of the ES

and ED phase (Fig. 1).

Magnetic resonance imaging

Magnetic resonance imaging (1.5 T, Gyroscan ACS-NT,

Philips Medical Systems, Best, The Netherlands, Powert-

rak 5000, R8, maximum gradient performance 30 mT/m,

slew rate 150 T/m/s) was performed using a five-element

cardiac phased-array synergy coil. Imaging parameters: 15

continuous phases, field of view 380 mm, scan percentage

180% in order to get the relation echo time (TE)/repetition

time (TR) of 0.5 and a tolerable breath-hold time,

112 9 256 matrix, reconstructed spatial resolution

1.48 mm 9 1.48 mm 9 8 mm, TR 2.8 ms, TE 1.4 ms, flip

angle 65�, no partial echo, number of signal averages 1.

Following the acquisition of survey scans, breath-hold cine

sequences in four-chamber and short-axis plane were

obtained in expiration covering left and right ventricle in

Clin Res Cardiol

123

both views in 8–14 adjacent slices. An ECG-triggered,

multiple heart-phase, free precession steady state technique

(balanced fast field echo) was used (Fig. 1). Sensitivity

encoding was used (SENSE), which leads to an advance of

temporal resolution of 39–100 ms (65 ± 15.1 ms)

depending on heart rate.

Image analysis in MSCT and CMR

Image analysis was performed off-line on a commercially

available system (personal computer/Linux) for both

methods. In either modality and for LV and RV, end-

diastole was defined as the phase with the largest total area

and end-systole (ES) with the smallest total area within the

endocardial contours. At these two phases all slices from

cardiac basis (mitral annulus) to apex endocardial contours

were semi-automatically traced in order to calculate car-

diac volumes and EF by slice summation for the LV. In

both methods, contours were defined by one mouse click

into the cavum and another into the myocardium to see the

differences of signal intensities. The mean value was

defined to be the signal intensity of the myocardium/cavum

line, which was then marked as the endocardial contour in

the respective slice. In both methods contours underwent

manual corrections. The MSCT based image data was

evaluated by a radiologist and a cardiologist and the CMR

images by two radiologists, all experienced in their

respective field of 3D cross-sectional imaging. Papillary

muscles were consequently excluded from the cavity. RV

volumetry was also provided by semi-automatic contour-

ing. For short-axis reformations, the most basal slice was

defined as the image closest to the mitral valve annulus

showing LV myocardium in at least 50% of its perimeter

(Fig. 1).

Statistical analysis

All LV and RV volumes and EF were expressed as

mean ± SD. Categorical data are represented with absolute

frequencies and percentages. The agreement between CMR

Table 1 Patient specific data including age, sex, body mass index, NYHA class, and cardiac disease, as well as right and left ventricular volumes

derived from the gold standard, CMR

Pt Age Sex BMI NYHA Cardiac

disease

LV-EDV LV-ESV LV-EF RV-EDV RV-ESV RV-EF

1 66 M 28.0 III DCM 425.9 335.0 21 135.7 56.3 58

2 74 F 16.0 III–IV DCM 376.5 295.0 22 191.7 119.5 38

3 63 M 26.7 II DCM 204.8 103.7 49 105.1 20.7 80

4 78 F 29.6 III HHD 129.1 44.1 66 90.8 25.4 72

5 64 M 26.8 II CAD 582.7 427.2 27 169.5 51.2 70

6 74 F 34.6 II CAD 119.7 21.9 82 121.5 45.2 63

7 43 M 23.4 II DCM 345.1 171.4 50 248.9 102.6 59

8 67 M 24.3 II CAD 374.9 262.0 30 160.8 61.1 62

9 62 F 27.0 III CAD 239.4 154.9 35 152.4 58.7 61

10 65 F 26.4 III DCM 261.7 159.3 39 116.1 45.1 61

11 66 M 27.6 III DCM 384.1 282.3 27 229.1 141.8 38

12 47 F 23.5 I–II DCM 201.9 95.2 53 115.4 33.7 71

13 67 F 26.5 III DCM 465.8 363.6 22 148.3 82.9 44

14 62 F 32.5 II DCM 142.7 65.9 54 82.3 19.0 77

15 57 M 26.0 III DCM 332.0 259.8 22 146.6 70.2 52

16 64 M 25.8 III–IV DCM 422.2 352.1 17 185.2 118.3 36

17 66 M 31.6 II HHD 183.4 87.0 53 174.9 67.8 61

18 49 F 21.6 III DCM 379.8 303.6 20 127.1 54.4 57

19 65 F 35.0 II–III HHD 262.0 175.6 33 124.9 48.7 61

20 69 M 24.3 III CAD 209.5 157.4 25 182.4 104.5 43

21 62 M 31.7 II HHD 241.1 96.4 60 180.7 59.6 67

22 77 M 28.4 II CAD 136.3 60.2 56 133.6 84.2 37

23 70 M 22.5 II CAD 115.1 34.6 70 102.8 23.6 77

24 69 M 33.4 II CAD 141.0 55.4 61 146.6 68.0 54

x ± SD 64.8 ± 9.5 27.2 ± 4.5 278.2 ± 128.2 181.8 ± 121.3 41.4 ± 18.8 148.9 ± 41.3 65.1 ± 33.1 58.3 ± 13.3

BMI body mass index, DCM dilated cardiomyopathy, HHD hypertensive heart disease, CAD coronary artery disease, CMR cardiac magnetic

resonance imaging, LV left ventricle, EDV enddiastolic volume, ESV endsystolic volume, EF ejection fraction, RV right ventricle

Clin Res Cardiol

123

and MSCT measurement of RV and LV volumes and EF

was evaluated through the use of Bland–Altmann analysis

by calculating the bias (mean difference) and the 95%

limits of agreement (two SD around the mean difference).

For the statistical analysis the Pearson correlation coeffi-

cient (r) was calculated. Significant differences were

determined by using the Wilcoxon Signed Ranks Test. The

significance level was P \ 0.05. All analyses were con-

ducted using SPSS (SPSS, version 17, Chicago, IL, USA).

Results

Threatened by repeated breathing commands two patients

had to interrupt CMR scanning because of the onset of

orthopnea. For demographical, clinical data and cardiac

dimensions see Table 1. The average heart rate in CMR

was 65.4 ± 15.1 bpm and in MSCT 64.6 ± 15.8 bpm.

Limiting artifacts due to arrhythmia or respiratory motion

which may have led to exclusion of data analysis were

detected in neither CMR nor in MSCT.

With regard to radiation exposure, the volumetric CT

dose index and the dosage length product (DLP) were

665.67 ± 25.63 mGy and 625.33 ± 171.88 mGy 9 cm

respectively, resulting in a calculated radiation exposure

[DLP times conversion factor (m 0.017, f 0.025)] of

11.32 ± 0.44 mSv for male and 15.63 ± 4.30 mSv for

female patients.

Within this study LV and RV volumes were primarily

determined by CMR and MSCT (Table 2). MSCT corre-

lated well with CMR. MSCT and CMR correlate better

regarding LV than RV volumetry (Table 2). MSCT gen-

erally overestimates cardiac volumes and underestimates

EF (Table 2). The descriptive values from Bland–Altmann-

analysis are as follows: LV-EDV -6.07 ± 50.22 ml, LV-

ESV -17.62 ± 7.37 ml, LV- EF 4.17 ± 7.37%, RV-EDV

-22.52 ± 28.12 ml, RV-ESV -35.83 ± 36.66 ml and

RV-EF 14.54 ± 12.78% (Fig. 2). In both, the LV and RV

no significant outliers have been detected that could have

influenced the results.

Discussion

The assessment of cardiac volumes and EF is of prognostic

relevance for HFREF patients, and mandatory for thera-

peutic arrangements. The method mostly used in clinical

routine, 2D echo, is remarkably dependent on the examiner

Fig. 1 Short cardiac axis views

(showing LV myocardium

in [ 50% of its perimeter) in

enddiastole (ED; left) and

endsystole (ES; right)demonstrated by CMR (top) and

MSCT (bottom) at the most

basal level closest to the mitral

valve (arrows). During the

cardiac cycle (represented here

by ED and ES) RV and RA are

inconstantly pictured on this

level (most basal in LV). The

white contours represent

planimetry and mark the area

added to LV and RV,

respectively. The tricuspid

valve (asterisk) is hardly

distinguishable

Clin Res Cardiol

123

and the acoustic window, especially in advanced dilated

hearts [21, 26]. Normal hearts can adequately be evaluated

by 2D methods. The assessment of dilated hearts using

planar methods is problematic since enlarged cardiac

cavities are often not fully covered leading to volumetric

underestimation [9].

Three-dimensional cross-sectional modalities picture the

whole heart giving additional information on cardiac

morphology and associated structures. Due to its high

temporal and spatial resolution, CMR is the accepted gold

standard abandoning radiation exposure. In the view of

limited availability of CMR and its contraindications

(increasing use of cardiovascular devices but also claus-

trophobia [25]) another 3D modality would be welcome.

Being a 3D modality of good temporal but outstanding

spatial resolution considered in current recommendations

[1, 3] MSCT allows for exact volumetric assessment. With

regard to normal hearts 16-slice CT was reported to cor-

relate excellently with CMR in the evaluation of LV-EDV

and -ESV and -EF (r C 0.95) [7, 8, 16, 19]. Koch et al. [17]

using a similar semi-automated contour detection software

also reported a very good correlation for RV volumetry

(r C 0.95%). However, all these comparative MSCT

studies present data from patients with normal cardiac

dimensions [7, 8, 10, 13, 16–18].

We demonstrate a precise MSCT based volumetry in

patients with partially severely dilated ventricles (Table 1).

By validating with CMR we generally found close corre-

lations, as it has been observed by Heuschmid et al. in

patients with normal hearts [10]. However, both working

groups observed a significant overestimation of ESV and

EDV and underestimation of EF by MSCT [10]. In the

present study we observed this disagreement for RV vol-

umetry as well.

Thus, the comparison of these mechanistically differing

3D methods in patients with cardiac enlargement also

reflects manifold reasons for suboptimal volumetric

agreement. Such reasons should be considered with regard

to one of our patients showing an LV-EF outside the 95th

CI (Fig. 2). The indication for a defibrillator might have

been missed in this case. However, because of the cir-

cumstances discussed below, our data definitely contradicts

others, who reported a nearly absolute accordance of both

3D modalities in LV volumetry (LV-EDV 0.8 ml, LV-ESV

0.5 ml, LV-EF 0.9%) [19].

Technique reasons

Image quality may be influenced by respiration induced

motion artifacts potentially limiting planimetry for volu-

metric assessment. Steen et al. [23] stated the definition of

endocardial borders being very subjective requiring high

expertise. However, myocardium contours may variably be

demonstrated depending on the value of contrast

enhancement but also on the modalities spatial and tem-

poral resolution. The latter is challenged by modality

specific inadequate heart rate and heart rhythm. The com-

parison of imaging modalities with differing parameters

thus, may cause volumetric disagreement. In this study,

planimetry was performed utilizing the same established

semi-automatic software for planimetry standardization in

both modalities (Fig. 1) in order to minimize intra- and

interobserver variability. Another source of intermodal

disagreement is the reconstructed slice thickness (maxi-

mum intensity projections) that may differ.

A reason for volume overestimation also observed by

others may be not properly identifying ED and ES [10]. To

be as precise as possible in finding the true ED in contrast

to current MSCT studies we divided the RR-interval in 20

instead of 10 phases (5% instead of 10% steps throughout

the cardiac cycle) in order to find the smallest and largest

axis area, respectively. However, our close meshed anal-

ysis may still have been deficient. On the other hand per-

forming CMR at that time we acquired 15 continuous

phases not allowing for the optimum temporal resolution.

Furthermore, the presence of a bundle branch block causes

irregular cardiac wall motion and ventricular dyssynchrony

(which prolongs ED in order to affect EDV). Thus, certain

regions reach ED dimensions earlier than others. Again,

this favors imaging modalities with differing temporal

Table 2 CMR and MSCT based volumetric data of the left and right ventricle

Mode LV-EDV (ml) r/P LV-ESV (ml) r/P LV-EF (%) r/P

CMR 278.2 ± 26.2 0.938/\ 0.0001 181.8 ± 24.8 0.981/\ 0.0001 41.3 ± 3.8 0.927/\ 0.0001

MS-CT 284.3 ± 28.8 199.4 ± 27.9 37.2 ± 4.0

RV-EDV r/P RV-ESV r/P RV-EF r/P

CMR 148.9 ± 8.4 0.787/\ 0.0001 65.1 ± 6.8 0.783/\ 0.0001 58.3 ± 2.7 0.729/\ 0.0001

MS-CT 171.4 ± 9.1 100.9 ± 11.5 43.8 ± 3.8

CMR cardiac magnetic resonance imaging, MSCT multi-slice computed tomography, LV left ventricle, RV right ventricle, EDV enddiastolic

volume, ESV endsystolic volume, EF ejection fraction

Clin Res Cardiol

123

resolutions to deviate from each other concerning volu-

metric assessment.

Another relevant issue is the definition of papillary

muscles. Their inconsequent and incomplete inclusion or

exclusion from cardiac cavity may dramatically affect

measurement accuracy. As suggested by others, in the

present study papillary muscles were consequently exclu-

ded from the cavity [10, 19, 23].

A further potential source of error for determining vol-

umetric parameters from short cardiac axis views of either

3D method is the definition and the inclusion or exclusion

of the most basal slice. It may include outflow tract and

Fig. 2 Bland–Altmann plots for left and right ventricular volumetry determined by MSCT and MRI showing the agreement of both 3D

modalities

Clin Res Cardiol

123

atrium. In LV and especially in RV volumetry, the con-

sequent inclusion or exclusion of these parts is most

challenging even for 3D cross-sectional methods (Fig. 1).

In this study we defined the most basal slice as the image

closest to the mitral valve showing LV myocardium in at

least 50% of its perimeter [14].

Volumetric assessment of the RV is in general more

problematic because of its complex geometry [11]. In

MSCT as well as in CMR anatomical landmarks are

mandatory for planimetry but may hardly be detected at

deficient contrast. Raman et al. however, note the depen-

dence of RV evaluability from optimized contrast

enhancement which can certainly also be applied to LV

evaluability [22].

Physiological causes

During inspiration LV-EDV is supposed to be smaller

when compared to expiration. With respect to RV-EDV it

is reverse [24]. In CMR data acquisition happens during

breath-hold in expiration, while in MSCT it is limited to

the inspiration phase, which may also contribute to cause

volumetric disagreement. Thus, the comparison of MSCT

and CMR implies a not fully congruent ED and ES.

A further reason for differing volumetric values is the

proven day-to-day fluctuation of left ventricular function

described by McAnulty et al. [20]. Interstudy variations in

left ventricular volumes and EF were interpreted as spon-

taneous changes. The average interval between the proce-

dures was 24 h (48 h in this study) and as in this study

neither medical nor catheter based intervention were done

[20]. Whether volumetric fluctuation is even increased in

HFREF patients—with regard to frequency and ampli-

tude—remains unclear. Evident is that during CMR various

conditions like longer idle period, darkness and sound

intensity cause mental stress. In healthy subjects this may

provoke a decrease of LV-EF [12].

The HFREF patients (Table 1) recruited for this study

were challenged by prolonged examination where they had

to lie down in an uncomfortable environment favoring

mental stress [12]. 16-slice CT needs one breath-hold

lasting a maximum of around 20 s for data acquisition. It

has to be considered that in patients with advanced HFREF,

the position (suppine in CMR for C 20 min and in MSCT

for around 8 min until the scan starts may have an impact

on cardiac volumetry.

The influence of agents

Our cohort of HFREF patients had a steady state consensus

medication containing beta blockers. Extra beta blockers

for heart rate control must not be given before any

volumetric exam, since altered cardiac hemodynamic cir-

cumstances falsify ventricular volumetry.

During MSCT a bolus injection of 100 ml of contrast

medium should not have a significant influence on a normal

heart. However, the impact of such a bolus on patients in a

supine position with a highly reduced cardiac pump func-

tion may have an influence.

Another aspect is the osmotical effect of the contrast

medium we used: the osmolarity of 100 ml Iopromid

(Ultravist; iodine content 370 mg/ml, Bayer-Schering,

Berlin, Germany) is 600 mosmol/ml, which is twice the

amount of the human body fluid. To reach the same osm-

otical value, the same quantity of intracellular water is

rapidly drawn into the vasculature during the examination

followed by an increased volume load provided by the

contrast medium itself.

Limitations

All patients were recruited after being identified to have

LV dilatation or dysfunction during invasive diagnosis.

The cut-off LV-EDV of 150 ml was taken from the liter-

ature [15]. In the following CMR and MSCT based 3D

volumetric assessment, a subgroup was proved to have

normal LV volumes or EF. This disagreement between

invasive diagnosis and 3D imaging has reasons partially

discussed above and was caused by technical problems

during angio as, e.g., low contrast, cath induced ventricular

tachycardia etc. By focussing on the dilated hearts this

subgroup may have biased the results. Removing these

patients would have reduced the study power. We worked

with absolute values instead of indices.

The extent of mechanistical circumstances, in which

MSCT and CMR differ but may have specifically influ-

enced cardiac volumetry, was not primarily investigated.

As current studies also under the use of semi-automated

planimetry software showed a persistent good intra- and

interobserver variability, such analysis was neglected in the

present study.

With regard to temporal resolution the compared

modalities clearly differentiate (CMR up to 40 ms, MSCT

up to 105 ms) which may have contributed to the sys-

tematic difference in volumetric assessment. However,

current studies proved a very good accordance of both 3D

modalities in patients with normal systolic pump function

[9, 10, 16, 18]. Thus, compared to latest MSCT scanners

16-slice technology considered in current guidelines [1, 3]

maybe problematic in non-invasive coronary angiography

but temporal resolution is of less relevance in the volu-

metric assessment of patients with reduced EF and cardiac

dilatation showing a clearly lower motion amplitude and

velocity in average.

Clin Res Cardiol

123

Multi-slice computed tomography is not considered to

be first-line modality for cardiac volumetry which it

should certainly not be applied exclusively for. However,

MSCT can simultaneously provide accessory dynamic

information in certain patients undergoing non-invasive

coronary angiography what it was originally established

for.

In this study patients with atrial fibrillation (AF) were

excluded. AF is a contraindication for MSCT based non-

invasive coronary angiography [1, 3] but is found in about

45% of HFREF patients [5]. Thus, AF limits MSCT to only

a portion of HFREF patients with enlarged ventricles

needing coronary diagnosis and more precise volumetric

assessment than e.g. 2D echo can provide. However, AF

can also reduce diagnostic accuracy of CMR based volu-

metric analysis due to limited temporal resolution.

Multi-slice computed tomography based volumetry,

which requires scan coverage including ED and ES, posses

a relatively high radiation exposure. This makes MSCT

unsuitable for routine volumetric studies. However, in

patients of advanced age or with HFREF and a reduced life

expectancy who are not to be exposed to radiation-related

diseases, MSCT may be used to obtain an accurate diag-

nosis in certain circumstances.

Conclusion

In patients with profoundly dilated hearts MSCT based

volumetry correlates well with the gold standard, CMR. A

continuous overestimation of EDV and ESV and underes-

timation of EF needs to be considered when applying

MSCT in HFREF patients. This intermodal disagreement is

due to a variety of differing mechanistical circumstances.

However, definitely not being a first-line volumetric tool

rather than providing cardiac volumetry as a by-product,

this qualifies MSCT as an alternative method for CMR in

cases of contraindications. MSCT based volumetry should

be reserved for patients who should not be exposed to

radiation induced illness.

Acknowledgments We would like to thank Mrs Astrid Kleemeyer,

Mr Armin Kuehn, Mrs Kathleen Hedde, Mr Grant Dugtig and Mr Jan

Hendrik Langer, for their friendly contribution to this work. The

project was supported by a grant of Schering/Bayer, Germany.

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G

C

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MIG-1000; No. of Pages 6

Computerized Medical Imaging and Graphics xxx (2010) xxx–xxx

Contents lists available at ScienceDirect

Computerized Medical Imaging and Graphics

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he potential of multi-slice computed tomography based volumetry foremonstrating reverse remodeling induced by cardiac resynchronization therapy

hristoph Langera,∗, Janina Schroedera, Andreas Peterschroederb, Bernhard Vaskec, Lothar Fabera,irk Welged, Matthias Niethammere, Barbara Lampf, Thomas Butzg, Thomas Bittera,laf Oldenburga, Dieter Horstkottea

Department of Cardiology, Heart and Diabetes Center North Rhine-Westphalia, University Hospital of the Ruhr University Bochum,eorgstrasse 11, 32545 Bad Oeynhausen, GermanyInstitute of Radiology, Nuclear Medicine, and Molecular Imaging, Heart and Diabetes Center North Rhine-Westphalia,niversity Hospital of the Ruhr-University Bochum, Bad Oeynhausen, GermanyInstitute of Biometry, Hannover Medical School, GermanyKrankenhaus Cuxhaven, Internal Medicine – Cardiology, Pulmology, GermanySiemens, Medical Solutions, Division CT, Forchheim, GermanyPark-Klinik Bad Hermannsborn Abteilung Innere Medizin, GermanyDepartment of Cardiology and Angiology, Marienhospital Herne, University Hospital of the Ruhr-University Bochum, Germany

r t i c l e i n f o

rticle history:eceived 9 February 2009eceived in revised form 13 January 2010ccepted 25 January 2010

eywords:ulti-slice computed tomography

chocardiographyardiac volumeseart failureardiac resynchronization therapyemodelingolar maps

a b s t r a c t

Background: Multi-slice computed tomography (MSCT) was proved to provide precise cardiac volumetricassessment. Cardiac resynchronization therapy (CRT) is an effective treatment for selected patients withheart failure and reduced ejection fraction (HFREF). In HFREF patients we investigated the potential ofMSCT based wall motion analysis in order to demonstrate CRT-induced reversed remodeling.Methods: Besides six patients with normal cardiac pump function serving as control group seven HFREFpatients underwent contrast enhanced MSCT before and after CRT. Short cardiac axis views of the leftventricle (LV) in end-diastole (ED) and end-systole (ES) served for planimetry. Pre- and post-CRT MSCTbased volumetry was compared with 2D echo. To demonstrate CRT-induced reverse remodeling, MSCTbased multi-segment color-coded polar maps were introduced.Results: With regard to the HFREF patients pre-CRT MSCT based volumetry correlated with 2Decho data for LV-EDV (MSCT 278.3 ± 75.0 mL vs. echo 274.4 ± 85.6 mL) r = 0.380, p = 0.401, LV-ESV(MSCT 226.7 ± 75.4 mL vs. echo 220.1 ± 74.0 mL) r = 0.323, p = 0.479 and LV-EF (MSCT 20.2 ± 8.8% vs.

echo 20.0 ± 11.9%) r = 0.617, p = 0.143. Post-CRT MSCT correlated well with 2D echo: LV-EDV (MSCT218.9 ± 106.4 mL vs. echo 188.7 ± 93.1 mL) r = 0.87, p = 0.011, LV-ESV (MSCT 145 ± 71.5 mL vs. echo125.6 ± 78 mL) r = 0.84, p = 0.018 and LV-EF (MSCT 29.6 ± 11.3 mL vs. echo 38.6 ± 14.6 mL) r = 0.89,p = 0.007. There was a significant increase of the mid-ventricular septum in terms of absolute LV wallthickening of the responders (pre 0.9 ± 2.1 mm vs. post 3.3 ± 2.2 mm; p < 0.0005).

olumRT-in

Conclusion: MSCT based vanalysis to demonstrate C

. Introduction

The assessment of ventricular volumes and derived functionarameters (cardiac volumetry) in patients with heart failure andeduced ejection fraction (HFREF) is essential to assess long-term

Please cite this article in press as: Langer C, et al. The potential of multi-slicremodeling induced by cardiac resynchronization therapy. Comput Med Im

rognosis. The implantation of a biventricular pacemaker or defib-illator for cardiac resynchronization therapy (CRT) is an effectivereatment concept in selected HFREF patients with left ventricu-ar ejection fraction < or =35%, sinus rhythm and NYHA functional

∗ Corresponding author. Tel.: +49 5731 97 1258; fax: +49 5731 97 2194.E-mail address: clanger@hdz-nrw.de (C. Langer).

895-6111/$ – see front matter © 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.oi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002

etry involving multi-segment color-coded polar maps offers wall motionduced reverse remodeling which needs to be further validated.

© 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

class III despite optimal medical therapy and who have cardiacdyssynchrony (defined as QRS duration > or =120 ms) [1]. Bystimulating both the right and the left ventricles, pacing themsimultaneously or with a short delay, its objective is to restorethe contractile coordination. Long-term effects, like decreased car-diac volumes and improved ejection fraction can be observed aftera few months [1] and are then described as “reverse remodel-ing”.

e computed tomography based volumetry for demonstrating reverseaging Graph (2010), doi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002

The gold standard for cardiac volumetry, cardiac magnetic res-onance imaging (CMR) is not suitable for CRT patients because ofthe metal device. The method mostly used in clinical routine, 2Decho, is remarkably dependent on the examiner and the acousticwindow, especially in advanced dilated hearts [2].

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ig. 1. (A) LV short axis view of a CRT-responder at the level of papillary muscle in End thin-walled LV before CRT which clearly improved after CRT. (B) MSCT based memonstrating systolic LV wall thickening before (top) and after CRT (bottom). The cin mm as seen in the legend). (For interpretation of the references to color in this fi

Multi-slice computed tomography (MSCT) considered by cur-ent guidelines [3] showed excellent correlation with CMR data inatients with normal cardiac dimensions [4] and with HFREF [5].iven that MSCT enables a precise cardiac volumetry and the detec-

ion of interventricular dyssynchrony [6] there is a potential forxact wall motion analysis. In this first approach in today’s litera-ure applying MSCT based volumetry in HFREF patients under CRT,e introduced multi-segment color-coded polar maps in order toemonstrate CRT-induced “reverse remodeling”.

. Methods

In 2004 we prospectively recruited 7 HFREF patients (NYHA III= 5, NYHA III-IV n = 2) with dilated cardiomyopathy (DCM) pre-

enting with ventricular dyssynchrony planned for CRT. Further 6atients originally scanned for MSCT based non-invasive coronaryngiography presenting with normal cardiac dimensions served asontrol group (NYHA I n = 6).

In the HFREF patients and controls MSCT and 2D echo basedolumetry were performed before CRT and repeated 19.8 ± 11.1onths (min 12, max 30, median 12 months). The controls receivedfollow-up MSCT originally for coronary purposes after 25 ± 2.1onths. In both groups MSCT and 2D echo were always performed

n the same day. Over the course of this series, constant medicationas required in both groups. The local ethics committee and theerman Federal Office for Radiation Protection had approved thetudy protocol according to the Helsinki Declaration (1975/1983)nd written informed consent was obtained from each patient.

.1. Multi-slice computed tomography

Sixteen-slice CT (Sensation Cardiac, Siemens, Medical Solutions,orchheim, Germany) was performed using the scan proto-ol defined for non-invasive coronary angiography (collimation

Please cite this article in press as: Langer C, et al. The potential of multi-slicremodeling induced by cardiac resynchronization therapy. Comput Med Im

6 mm × 0.75 mm, rotation time 420 ms, increment 8 mm, pitch.28, contrast medium iopromide 100 mL (UltravistTM, Scher-

ng/Bayer, iodine content 300 mg/mL), flow rate 4 mL/s) exceptose-modulation. After MSCT scanning short left ventricular (LV)xis views were projected (maximum intensity projections, MIP;

) and ES (right) before (top) and after CRT (bottom) demonstrates a severely dilatedgment color-coded polar maps for wall motion analysis of the same CRT-responderhift from “blue” to “red” reflects the increase of absolute systolic LV wall thickeninglegend, the reader is referred to the web version of the article.)

reconstructed slice thickness 8 mm) from the cardiac basis begin-ning at the mitral valve annulus to the apex resulting in up to 14adjacent slices. These were reconstructed in 20 different time win-dows of the RR-interval (0–95% in 5% steps throughout the cardiaccycle) serving for identification of the end-diastolic (ED) and end-systolic phase (ES) (Fig. 1) [5]. Based on these phases we also createdcine views before and under CRT (Movie 1 and 2).

2.2. Echocardiographic examination

According to current guidelines [7] standardized 2D echo wasperformed utilizing multiple parasternal and apical views oncommercially available ultrasound units (Vingmed System VII, har-monic imaging as default setting; GE, Horten, Norway). All data setswere stored as video loops in a digital format. A left ventricularvolumetric evaluation was performed.

2.3. Planimetry in MSCT and 2D echocardiography

Before and after CRT for both modalities image analysis wasperformed off-line (MSCT: Leonardo workstation and Argus soft-ware, Siemens, Medical Solutions, Forchheim, Germany; 2D echo:see above) in consent by two experienced reviewers in the field ofMSCT and 2D echo. With both modalities we determined LV ED andES volumes (EDV, ESV) as well as ejection fraction (EF), with MSCTwe additionally determined muscle mass (MM) [5].

In MSCT, ED was defined as the phase with the largest totalarea, and ES with the smallest total area within the endocardialcontours. In 2D echo, ED was identified electrocardiographically bythe R wave [7].

In 2D echo biplane planimetry was performed manually in orderto calculate cardiac volumes and EF by LV-slice summation (mod-ified Simpson’s method [8]). In both modalities planimetry wasperformed under the exclusion of papillary muscles [4]. In MSCT

e computed tomography based volumetry for demonstrating reverseaging Graph (2010), doi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002

endo- and epicardial contours were traced semiautomatically [5].Using the above software, multi-segment color-coded polar mapswere generated consisting of 8 longitudinal sectors each dividedin basal, mid and apical levels (Fig. 1). Following these color-codedmeasurements systolic wall thickening was determined for each

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ig. 2. Work flow of data post-processing in order to enable left ventricular wallotion analysis, here to demonstrate CRT-induced reverse remodeling.

ector and each level. See Fig. 2 which describes the work flow inmage post-processing described above (Fig. 2).

.4. Statistic analysis

A descriptive analysis was performed and basic statisticss mean and standard deviation (SD) were calculated for allata. The Kolmogorov–Smirnov-test shows that the data of allariables follow a normal distribution. Therefore the Pearson’sorrelation coefficient (r) was applied in order to investigatehe relationship between different variables. Differences betweenelated measurements were tested by means of the paired t-est. For all testing, a p-value <0.05 was considered statisticallyignificant. Bland–Altmann plots were applied to chart the com-arison between MSCT and 2D echo. Intra-observer coefficient ofariation was calculated by the formula: standard deviation ofeasurements × 100/mean value of measurements. Inter-observer

oefficient of variation was calculated by the formula: standardeviation of differences between observers × 100/mean value ofifferences between observers. All analyses were conducted usingPSS (SPSS, Version 17, Chicago, IL, USA).

. Results

The recruited 7 HFREF patients (3 men, 4 women; age 63.3 ± 7.3ears; BMI 23.8 ± 3.7; NYHA III n = 5, NYHA III-IV n = 2) presentedith clearly enlarged ventricles (2D echo: LV-EDV 274.4 ± 85.6 mL,

V-ESV 220.1 ± 73.8 mL) and reduced systolic pump function (2Dcho: LV-EF 20.0 ± 11.9%) associated with a conduction delay (QRS60 ± 31.6 ms). The control group without structural disease (4en, 2 women; 72.3 ± 4.8 years; BMI 30.6 ± 4.8) presented with

ormal LV dimensions (see below) and normal conduction (QRS0.8 ± 4.9).

Of the 7 HFREF patients analysed, 6 patients were clinically clas-ified as CRT-responders, one as non-responder [9]. In all cases this

Please cite this article in press as: Langer C, et al. The potential of multi-slice computed tomography based volumetry for demonstrating reverseremodeling induced by cardiac resynchronization therapy. Comput Med Imaging Graph (2010), doi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002

as confirmed by visual assessment considering LV configurationFig. 1A) and by MSCT based volumetric evaluation but also.

For volumetric longitudinal data see Table 1. The deficientntermodal correlation before CRT and improved correlation afterRT is also demonstrated by Bland–Altman plots (Fig. 3). The Ta

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ig. 3. Bland–Altman plots demonstrate correlation of MSCT with 2D echo based voFREF patients.

ntra-/interobserver variability for EF, EDV and ESV before CRTas as follows: 5.82%/7.30%, 0.55%/0.69%, and 0.75%/0.98%, respec-

ively. The intra- and inter-observer variability for EF, EDV andSV after CRT it was: 7.91%/8.00%, 0.75%/1.27% and 1.54%/1.71%,espectively.

The control patients revealed constant volumetric data with-ut significant change in the follow-up assessment (references. follow-up – LV-EDV: 178.8 ± 65.6 mL vs. 182.2 ± 65.9 mL,> 0.05; LV-ESV: 77.8 ± 37.1 mL vs. 84.9 ± 37.1 mL, p > 0.05; LV-F 60.4 ± 5.5 mL vs. 56.6 ± 5.13 mL, p > 0.05). Here, the intra-interobserver variability for EF, EDV and ESV was 3.05%/6.58%,.13%/2.65% and 3.62%/7.00%, respectively.

In CRT-responders LV myocardial mass decreased by an averagef 9.58% (pre-CRT 128.1 ± 48.4 g, post-CRT 115.8 ± 58 g; p < 0.005).he non-responder showed a slight increase of 1.5% (pre-CRT

Please cite this article in press as: Langer C, et al. The potential of multi-slicremodeling induced by cardiac resynchronization therapy. Comput Med Im

05.6 ± 4.9 g, post-CRT 112.3 ± 9.2 g).In the responders systolic LV wall thickening developed a signif-

cant average increase on the basal, mid and apical level induced byRT: basal pre 0.66 ± 2.76 mm vs. post 1.30 ± 4.04 mm (p = 0.011),id pre 0.49 ± 2.85 mm vs. post 3.42 ± 3.35 mm (p = <0.0005), api-

ry focusing on LV-EF (top), LV-EDV (mid) and LV-ESV (bottom) in pre- and post-CRT

cal pre 1.05 ± 2.93 mm vs. post 2.84 ± 4.39 mm (p = 0.004). Theseptum and associated segments 5, 6, 7, 8 (Fig. 1B) showed thebest response to CRT.

The only CRT-non-responder revealed an insignificant averagedecrease of the basal, mid- and apical systolic LV wall thickening:basal pre 1.91 ± 4.13 mm vs. post −0.06 ± 1.91 mm (p = 0.656), midpre 3.38 ± 2.85 mm vs. post 1.80 ± 3.38 mm (p = 0.654), apical pre2.08 ± 3.85 mm vs. post 1.53 ± 3.14 mm (p = 0.840).

The control patients revealed constant data with regard tomuscle mass and absolute systolic LV wall thickening with-out significant change in the follow-up assessment (basalpre 3.33 ± 4.77 mm vs. post 3.04 ± 4.61 mm (p > 0.05), mid pre6.44 ± 3.72 mm vs. post 6.36 ± 3.61 mm (p > 0.05), apical pre7.28 ± 4.41 mm vs. post 7.82 ± 4.23 mm (p > 0.05)).

With regard to radiation dosage the computed tomogra-

e computed tomography based volumetry for demonstrating reverseaging Graph (2010), doi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002

phy dose index (CTDI) and the dose-length product (DLP) were665.67 ± 25.63 mGy and 625.33 ± 171.88 mGy × cm, respectively.The effective dose per scan using the DLP conversion factor[m 0.017, f 0.025] resulted in 11.32 ± 0.44 mSv for men and15.63 ± 4.30 mSv for women.

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C. Langer et al. / Computerized Medica

. Discussion

CRT-induced reverse remodeling can be observed a few monthsfter CRT [1], as was the case with the CRT-responders of thisample group, here unambiguously confirmed by MSCT (Fig. 1And B) (Movie 1 and 2). While there is abundant data show-ng that 2D echo derived volumes predict survival post-CRT, it isf limited reproducibility because of its high inter-observer andnter-examination variability [10]. Moreover, this and further com-arative series showed that routinely used 2D echo significantlynderestimates dilated LV volumes [4]. The present series proposesSCT as a potential follow-up method, e.g. in clinically uncertainFREF patients under CRT.

In our pre-CRT patient group with severely dilated ventricles,D echo weakly correlated with MSCT probably due to a relativelymall acoustic window (Table 1). With regard to the remodeleddownsized) hearts which offer better cardiac assessment by a pla-ar method, correlation was better after CRT, although 2D echoignificantly underestimated cardiac volumes (Table 1). This is sup-orted by Yamamuro et al. [11] who ascertained that volumetricnalysis with MSCT is more accurate than 2D echo. Thus, MSCTay alternatively be involved in selected HFREF patients whenore precise volumetric assessment is demanded than 2D echo

an provide but CMR is contraindicated.According to current CRT studies validated by 2D echo [12]

he expected decrease in LV myocardial mass and the reductionf LV wall thickness found in CRT-responders was confirmed inhis series by MSCT. Thus, we are not reporting a new finding butuggesting a novel MSCT based discipline. Thereby, we can reportsing a new parameter: The absolute systolic LV wall thickeningnd its course under CRT demonstrated by MSCT. However, its clin-cal value remains unclear by now and should be analysed in largertudies.

Firstly looking at short cardiac axis views, short cardiac axisiews demonstrate septal thinning resulting from dyssynchrony-nduced delayed postero-lateral contraction leading to load-freeeptal contraction during early systole reversed with long-termRT. Eliminating the postero-lateral delay, CRT caused the redis-ribution of load increasing septal thickness which is visuallyecognizable. The newly applied multi-segment color-coded polaraps facilitate additional LV wall motion analysis in order to

recisely detect, localize and quantify CRT-induced reverse remod-ling (Fig. 1), which is the primary objective of this pilot study.nalysis of every patient clarifies that therapy responders show an

ncrease of absolute systolic LV wall thickening in nearly all seg-ents. In contrast, a decrease in wall thickening could be observed

n most segments of the only non-responder.

.1. Outlook

3D and contrast echo will further improve the validity ofcho based volumetry. CMR may provide faster data acquisition,mproved spatial resolution, faster performance, and may incre-

entally allow metal devices. However, by reducing radiationxposure and the required quantity of contrast medium, modernardiac MSCT provides maximized temporal and spatial resolution.his will allow for a variety of clinically relevant information withinne scan, e.g. ventricular wall motion analysis providing even morerecise demonstration of CRT effects.

.2. Limitations

Please cite this article in press as: Langer C, et al. The potential of multi-slicremodeling induced by cardiac resynchronization therapy. Comput Med Im

The major limitation of the present work is the small sampleize following the longitudinal study design requiring unchangededical (steady state) therapy in order to provide unaffected

olumetric assessment. In addition to possible bias the inclu-

PRESSing and Graphics xxx (2010) xxx–xxx 5

sion of only one CRT-non-responder gives the study a descriptivefeature.

The challenge to build an artificial asynchronous heart modelwas not realizable. The planned follow-up after 12 months post-CRT could not be held up because of patient incompliance. Themulti-segment color-coded polar maps we used do not exactlycorrespond to the 17-segment model established by the Amer-ican heart association [13] but provides even more segments todistinguish (Fig. 1B). Regardless of these limitations, the objectiveof this project was achieved, namely to point out the potential ofMSCT based volumetry and its advancement of wall motion anal-ysis in order to detect, localize and quantify CRT-induced reverseremodeling.

According to current guidelines [3] in this study we used a 16-slice MSCT scanner providing a temporal and spatial resolutionof 210–105 ms and 0.6 mm × 0.6 mm × 0.7 mm voxel size, respec-tively. Such key data are not state of the art in non-invasive coronaryangiography. However, with regard to the extensively publishedexcellent correlation with CMR data on cardiac volumetry [14]these design parameters are suitable for HFREF patients presentingwith a lower cardiac motion amplitude. Facing radiation exposureand the need of contrast medium, MSCT should in principle bereserved for special issues demanding more precise cardiac vol-umetric evaluation.

5. Conclusion

MSCT based volumetry – using multi-segment color-coded polarmaps – in HFREF patients under CRT has the potential of wallmotion analysis in order to detect, localize and quantify CRT-induced reversed remodeling. This diagnostic technique needsfurther to be analysed in larger studies for validation. However,due to the radiation exposure, required contrast medium, high costand required expertise MSCT based volumetry must not be appliedroutinely as a first line modality but may be considered in patientsfor whom additional information is required.

Acknowledgements

We like to thank Mrs. Astrid Kleemeyer, Mr. Armin Kuehn, Mr.Grant Dugtig, and Mr. Jan Hendrik Langer for their friendly con-tributions to this work. The project was supported by a grant ofSchering/Bayer, Germany.

Appendix A. Supplementary data

Supplementary data associated with this article can be found, inthe online version, at doi:10.1016/j.compmedimag.2010.01.002.

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