Análisis estructural y funcional de la aorta torácica dilatada a través de biomarcadores de resonancia magnética cardíaca

Abstract

La génesis y el desarrollo de las enfermedades cardiovasculares vienen siendo estudiados desde hace décadas. Se han detectado numerosos factores de riesgo que están asociados con el progreso de las patologías, pero no se conocen con certeza los mecanismos que las originan. Tradicionalmente, se asocia a la edad, la hipertensión arterial, el tabaquismo, el colesterol LDL, la diabetes, entre otros como precursores de las enfermedades cardiovasculares. Sin embargo, estos factores no son suficientes para determinar con exactitud el perfil de riesgo de cada individuo y deben ser complementados con otros más sofisticados. Estos factores complementarios se denominan infra-clínicos y son obtenidos mediante estudios adicionales no invasivos. El diagnóstico por imágenes, y en particular la resonancia magnética, tiene mucho para aportar a esta área. Recientemente se desarrolló la secuencia denominada 4D Flow, que permite adquirir volúmenes de información geométrica (anatomía) y funcional (velocidades) a lo largo del ciclo cardíaco. La combinación de estas dos características resulta en incontables potenciales aplicaciones clínicas. En esta tesis se desarrollaron herramientas para cuantificar la rigidez de la pared arterial y los patrones de circulación del flujo sanguíneo a partir de secuencias 4D Flow. Se incluyó además, la concepción e implementación de una plataforma informática capaz de corregir los errores inherentes a estas adquisiciones y realizar las mediciones. El objetivo principal fue estudiar retrospectivamente la influencia de la dilatación patológica de la aorta ascendente en estos parámetros. Para analizar la rigidez arterial se realizaron estimaciones de velocidad de onda de pulso (VOP) y de distensibilidad arterial, en las regiones de la aorta ascendente (AA) y descendente (AD). Para estudiar los patrones de circulación de la sangre se calculó una serie de parámetros, entre los que se pueden destacar: la angulación y el desplazamiento del jet sistólico del flujo, la variación espacial de las velocidades y el volumen de flujo retrógrado. Se encontró que los cambios de rigidez arterial producidos por la edad en la AA se manifiestan principalmente a través de una disminución de la distensibilidad arterial, mientras que aquellos que ocurren en la AD, se ven reflejados en aumentos de VOP. Asimismo, la VOP no resultó sensible a la dilatación de la AA, posiblemente debido a su compleja interacción intrínseca con el diámetro arterial. Por otra parte, todos los indicadores de los patrones de flujo, indicaron una mayor desorganización global y un mayor volumen de flujo retrógrado en los pacientes con dilatación en la AA. Realizando modelos multivariados que buscan asociaciones entre estas variables, se encontró que los parámetros de rigidez dependen principalmente de la presión arterial y de la edad, mientras que los relacionados al flujo dependen esencialmente del diámetro. Estas asociaciones sugieren la posibilidad de que los aumentos de rigidez precedan a la dilatación, influyendo en los incrementos de presión arterial. En este caso, las dilataciones patológicas serían el producto de un mecanismo de compensación, que finalmente resultaría en la alteración de los patrones de flujo. En conclusión, la interrelación entre los parámetros geométricos, estructurales y funcionales en la vasculatura humana es un proceso complejo que merece ser estudiado en profundidad. En esta tesis se presentó un análisis de la influencia de la dilatación de la aorta ascendente en la rigidez arterial y en los patrones de circulación sanguínea utilizando estudios de resonancia magnética 4D Flow. Estas secuencias están revolucionando el estudio de las patologías cardiovasculares. Posiblemente, en un futuro cercano, la utilización de esta técnica ayude a dilucidar los interrogantes a los que se enfrenta la medicina moderna.

The origins and development of cardiovascular disease have been studied for decades. Several risk factors associated with the progress of these pathologies have been identified, but the mechanisms that cause them remain unclear. Traditionally, risk factors as age, arterial hypertension, smoking, LDL cholesterol, diabetes, among others, were found as precursors of cardiovascular disease. However, these factors cannot completely determine the risk profile of a patient and must be complemented with more sophisticated ones. These complementary factors are called infra-clinical factors and are usually obtained by non-invasive studies. Image diagnosis, and in particular, magnetic resonance, has much to offer in this area. Recently, a new sequence called 4D Flow has been developed, that allowed the acquisition of volumes with geometric (anatomy) and functional (velocities) cardiovascular information throughout the cardiac cycle. The combination of these two characteristics results in several potential clinical applications. In this thesis we developed tools to quantify the stiffness of the arterial wall and the patterns of blood circulation using 4D Flow sequences. We also implemented in-house software able to correct the inherent acquisition errors and to assess these measurements. The main objective was to retrospectively study the association between these parameters and pathological ascending aorta dilatation. We assessed pulse wave velocity (PWV) and arterial distensibility in the regions of the ascending (AA) and descending (DA) aorta to analyze arterial stiffness. To study the patterns of blood circulation, we computed a series of parameters, namely: the angle and displacement of the systolic jet, the spatial fluctuation of the velocities and the volume of backward flow, among others. We found that the changes in arterial stiffness caused by ageing in the AA produced a reduction of arterial distensibility, whereas those that occurred in the DA have shown an augmentation of PWV. Also, PWV was not sensitive to the dilation of the AA, possibly due to its complex intrinsic interaction with arterial diameter. Moreover, all indicators of flow patterns showed a higher global disorganization and a higher volume of backward flow in the patients with dilated AA. Adjusting multivariate models that searched for associations among these variables, we found that arterial stiffness parameters depended mostly of arterial pressure and age, whereas flow-related parameters depended essentially of diameter. These associations suggest the possibility that the increases in arterial stiffness may precede the dilatation, influencing the arterial pressure rise. In this case, the pathological dilatations would be the result of a compensation mechanism that finally would cause the alteration of blood flow patterns. In conclusion, the inter-relation among geometrical, structural and functional parameters in the human vasculature is a complex process that deserves further investigation. In this thesis we presented an analysis of the influence of the ascending aorta dilation in arterial stiffness and in the flow circulation patterns using 4D Flow studies. These sequences are revolutionizing the study of cardiovascular disease. Possibly, in a near future, the use of this technique might help to elucidate the questions faced by modern medicine.