<p>Kvantifisering av hjertets muskelfunksjon med tøyning og tøyningshastighet målt med ultralyd for vurdering av koronar sykdom.</p><p>Automatisert metode versus manuell ved akutt hjerteinfarkt og ultralyd stress test.</p><p>Vanligvis måles hjertets muskelfunksjon med ultralyd, en mye brukt metode for å diagnostisere hjertesykdommer. Vurderingen av muskelfunksjonen baserer seg i dag på en subjektiv visuell gradering av bevegelsen av hjertemuskelen, og dette krever erfaring. En ny automatisert diagnostisk ultralydsmetode basert på måling av hastigheten i hjertemuskelen gir et kvantitativt mål på muskelens tøyning og sammentrekning. Den nye metoden gir ny og mer detaljert informasjon om hjertets funksjon og om pasientens prognose enn vanlig ultralydsvurdering.</p><p>Den nye metoden er mer presis ved oppfølgning etter hjerteinfarkt. Et hjerteinfarkt gir nedsatt bevegelse av muskelen og måles med den nye metoden som nedsatt hastighet som muskelen forkortes med. Små forandringer i den skadde hjertemuskelen, ikke alltid synlige for øyet, kan mer nøyaktig følges over tid med den nye metoden. Utbredelsen av hjerteinfarktet kan også vurderes mer nøyaktig.</p><p>Det samme gjelder når angina vurderes under belastning. Når en pasient ikke kan sykle eller gå på tredemølle brukes en medisinsk belastningstest. Ved å belaste hjertet med et medikament som øker hjertemuskelens arbeid samtidig med en ultralydundersøkelse, kan vi oppdage redusert blodforsyningsreserve i hjertet. Stresstesten hjelper til med å vurdere om en trang blodåre bør åpnes etter et hjerteinfarkt, og til å vurdere pasienters risiko for hjertekomplikasjoner før en større operasjon. Den nye metoden gir i tillegg mer informasjon om den langsiktige prognosen sammenlignet med den gamle metoden. Vi har funnet at den nye ultralydsmetoden er mer presis (gir større diagnostisk treffsikkerhet i diagnostikk av koronarsykdom) sammenlignet med den gamle.</p><p>Måling av sammentrekningshastigheter i hjertemuskelen ble utviklet og testet på Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk ved NTNU av Andreas Heimdal og Asbjørn Støylen i 1998. Metoden trengte teknisk videreutvikling og testing i et større pasientmateriale. Metoden har ikke fått stor utbredelse på sykehusene pga støyfylte kurver og tidskrevende analyser, men med denne automatiserte metoden blir brukervennligheten større som muliggjør klinisk bruk.</p> / Paper I and II preprinted with kind permission of Elsevier, sciencedirect.com

Kvantifisering av hjertets muskelfunksjon med tøyning og tøyningshastighet målt med ultralyd for vurdering av koronar sykdom. Automatisert metode versus manuell ved akutt hjerteinfarkt og ultralyd stress test. Vanligvis måles hjertets muskelfunksjon med ultralyd, en mye brukt metode for å diagnostisere hjertesykdommer. Vurderingen av muskelfunksjonen baserer seg i dag på en subjektiv visuell gradering av bevegelsen av hjertemuskelen, og dette krever erfaring. En ny automatisert diagnostisk ultralydsmetode basert på måling av hastigheten i hjertemuskelen gir et kvantitativt mål på muskelens tøyning og sammentrekning. Den nye metoden gir ny og mer detaljert informasjon om hjertets funksjon og om pasientens prognose enn vanlig ultralydsvurdering. Den nye metoden er mer presis ved oppfølgning etter hjerteinfarkt. Et hjerteinfarkt gir nedsatt bevegelse av muskelen og måles med den nye metoden som nedsatt hastighet som muskelen forkortes med. Små forandringer i den skadde hjertemuskelen, ikke alltid synlige for øyet, kan mer nøyaktig følges over tid med den nye metoden. Utbredelsen av hjerteinfarktet kan også vurderes mer nøyaktig. Det samme gjelder når angina vurderes under belastning. Når en pasient ikke kan sykle eller gå på tredemølle brukes en medisinsk belastningstest. Ved å belaste hjertet med et medikament som øker hjertemuskelens arbeid samtidig med en ultralydundersøkelse, kan vi oppdage redusert blodforsyningsreserve i hjertet. Stresstesten hjelper til med å vurdere om en trang blodåre bør åpnes etter et hjerteinfarkt, og til å vurdere pasienters risiko for hjertekomplikasjoner før en større operasjon. Den nye metoden gir i tillegg mer informasjon om den langsiktige prognosen sammenlignet med den gamle metoden. Vi har funnet at den nye ultralydsmetoden er mer presis (gir større diagnostisk treffsikkerhet i diagnostikk av koronarsykdom) sammenlignet med den gamle. Måling av sammentrekningshastigheter i hjertemuskelen ble utviklet og testet på Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk ved NTNU av Andreas Heimdal og Asbjørn Støylen i 1998. Metoden trengte teknisk videreutvikling og testing i et større pasientmateriale. Metoden har ikke fått stor utbredelse på sykehusene pga støyfylte kurver og tidskrevende analyser, men med denne automatiserte metoden blir brukervennligheten større som muliggjør klinisk bruk. / Paper I and II preprinted with kind permission of Elsevier, sciencedirect.com

L'évaluation de l'asynchronisme mécanique ventriculaire sous stress a soulevé une attention importante en tant que facteur prédictif de la réponse au traitement de resynchronisation cardiaque (CRT). De plus, il semble exister une relation significative entre le devenir du patient et la présence d’asynchronisme au repos. Plusieurs méthodes échocardiographiques peuvent être utilisées pour évaluer l’asynchronisme. Cependant, parmi toutes les différentes méthodologies ou index existant dans ce domaine, aucun critère ne fait l’unanimité. Cette thèse étudie l'importance des techniques d'imagerie nucléaire dans le cadre de l’évaluation de l’asynchronisme cardiaque induit par le stress en utilisant trois différents modèles canins expérimentaux. Le premier chapitre vise à examiner les effets du stress sur le synchronisme de la contraction du ventricule gauche (VG) en utilisant l'imagerie synchronisée de perfusion myocardique dans une cohorte canine normale. Le stress a été induit par différents niveaux d’infusion de dobutamine sur six sujets sains. Les paramètres hémodynamiques et l’asynchronisme ont été évalués par des mesures de pressions ventriculaires. L'analyse de phase sur l’imagerie s’est effectuée en utilisant un logiciel commercialement disponible (QGS) et un logiciel interne (MHI4MPI), basée sur le déplacement et l’épaississement des parois ventriculaires. L’augmentation de la concentration de dobutamine a démontré une amélioration de la capacité fonctionnelle et une réduction de l’asynchronisme ventriculaire. L’analyse de l’asynchronisme calculée à partir de l’épaississement de la paroi semble plus robuste et plus sensible que l’utilisation du déplacement des parois. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2014) Le second chapitre étudie les différents paramètres d’asynchronisme au repos et à différents niveaux de stress dans un modèle de cardiomyopathie dilatée et à QRS étroit. Ce modèle a été créé sur dix chiens par tachycardie via stimulation de l'apex du ventricule droit pendant 3-4 semaines, permettant d’atteindre une fraction d'éjection cible de 35% ou moins. Le stress a ensuite été induit par une perfusion de dobutamine jusqu'à un maximum de 20 μg/kg/min. Les données hémodynamiques et l’asynchronisme ont été analysés par des mesures de pression ventriculaire et l’analyse de l’imagerie dynamique du compartiment sanguin. L’importante variabilité individuelle des sujets inclus dans notre cohorte empêche toute conclusion définitive sur la mesure de l’asynchronisme interventriculaire. Cependant, les différents niveaux de stress, même dans des intervalles rapprochés, ont démontré un effet significatif sur les paramètres hémodynamiques et l’asynchronisme. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2015) La troisième section vise à déterminer si l’estimation du mode de stimulation optimal effectuée au repos demeure le choix optimal lorsque le niveau d’activité cardiaque s’intensifie pour des sujets avec bloc auriculo-ventriculaire (AV) et fonction ventriculaire normale. Cinq chiens ont été soumis à une ablation du nœud AV et des sondes de stimulation ont été insérées dans l'oreillette droite pour la détection, l’apex du ventricule droit (VD) et une veine postérolatérale du VG pour la stimulation. Cinq modes de stimulation ont été utilisés : LV pur, biventriculaire (BiV) avec pré-activation de 20 ms du LV (LVRV20), BiV pur, BiV avec pré-activation de 20 ms du VD (RVLV20), VD pur. Des niveaux jusqu’à 20 μg/kg/min de dobutamine ont été atteints. Le stress a modifié l’étendue de l’asynchronisme de base et ce, pour tous les modes de stimulation. De plus, les effets physiologiques intrinsèques du stress permettent une évaluation plus précise de l’asynchronisme ventriculaire, diminuant la variabilité inter-sujet. Le mode de stimulation LVRV20 semble le mode optimal dans ce modèle, supportant l’utilisation de la stimulation bi-ventriculaire. / Assessment of ventricular mechanical dyssynchrony (MD) under stress has attracted a large amount of attention as a stronger predictor of response to cardiac resynchronization therapy (CRT) and as a parameter whose variation bears a greater relationship to clinical outcomes than resting-MD either in CRT candidates or another subset of patients. Several echocardiographic methods can be used to assess stress-MD. However, no standardized approach is currently used to explore stress-induced variations in inter- and intraventricular MD. This dissertation studies the importance of nuclear imaging techniques in assessing stress-induced MD variations by providing three different experimental canine models. The first chapter sought to examine the impacts of stress on the left ventricular (LV) synchrony with phase analysis of gated SPECT myocardial perfusion imaging (GMPS) within a normal canine cohort. Stress was induced by different levels of dobutamine infusion in six healthy subjects. Hemodynamic and LV MD parameters were assessed by LV pressure measurements and phase analysis of GMPS using commercially available QGS software and in-house MHI4MPI software with thickening- and displacement-based methodology. The increase of dobutamine level was shown to be in accordance with the improvement of LV functional capacity and reduction of MD parameters. MD analysis based on wall thickening was more robust and sensitive than the global wall displacement. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2014) The second chapter investigated the range of difference in inter- and intraventricular MD parameters from rest to various levels of stress in a dilated cardiomyopathy (DCM) and narrow QRS complex model. Ten large dogs were submitted to tachycardia-induced DCM by pacing the right ventricular apex for 3-4 weeks to reach a target ejection fraction of 35% or less. Stress was then induced by infusion of dobutamine up to a maximum of 20 μg/kg/min. Hemodynamic and MD data were analyzed by LV pressure measurements and gated-blood pool SPECT (GBPS) imaging. Individual differences in the magnitude and pattern of change in the various levels of stress precluded any definitive conclusion about interventricular MD. However, different levels of stress, even in close intervals, showed a significant positive impact on hemodynamic and intraventricular MD parameters. (Salimian et. al., J Nucl Cardiol., 2015) The third chapter sought to examine if the optimal pacing mode at rest could be the best one during the maximum stress level in terms of MD parameters in subjects with an atrioventricular (AV) block and normal function. Five dogs were submitted to AV node ablation and pacing leads were placed in the right atrium for sensing, in right ventricular (RV) apex, and in posterolateral LV vein for pacing in five modes of LV, biventricular (BiV) with 20 ms of LV pre-activation (LVRV20), BiV, BiV with 20 ms of RV pre-activation (RVLV20) and RV pacing. Stress was induced by dobutamine infusion up to a maximum of 20 μg/kg/min. Data analyses were the same as chapter one. Dobutamine stress changed the extent of resting-LV MD at all pacing modes. Intrinsic physiologic effects of stress resulted in more accurate MD assessment with lesser variability in subjects who underwent pacing. LVRV20 was the preferred site of stimulation in this model rather than single-site pacing.

This biomedical engineering thesis explores the opportunities and challenges of 2D+t contrast echocardiography for left ventricle functional analysis, both clinically and within a computer vision atlas-based deformable template model framework. A database was created for the experiments in this thesis, with 21 studies of contrast Dobutamine Stress Echo, in all 4 principal planes. The database includes clinical variables, human expert hand-traced myocardial contours and visual scoring. First the problem is studied from a clinical perspective. Quantification of endocardial global and local function using standard measures shows expected values and agreement with human expert visual scoring, but the results are less reliable for myocardial thickening. Next, the problem of segmenting the endocardium with a computer is posed in a standard landmark and atlas-based deformable template model framework. The underlying assumption is that these models can emulate human experts in terms of integrating previous knowledge about the anatomy and physiology with three sources of information from the image: texture, geometry and kinetics. Probabilistic atlases of contrast echocardiography are computed, while noting from histograms at selected anatomical locations that modelling texture with just mean intensity values may be too naive. Intensity analysis together with the clinical results above suggest that lack of external boundary definition may preclude this imaging technique for appropriate measuring of myocardial thickening, while endocardial boundary definition is appropriate for evaluation of wall motion. Geometry is presented in a Principal Component Analysis (PCA) context, highlighting issues about Gaussianity, the correlation and covariance matrices with respect to physiology, and analysing different measures of dimensionality. A popular extension of deformable models ---Active Appearance Models (AAMs)--- is then studied in depth. Contrary to common wisdom, it is contended that using a PCA texture space instead of a fixed atlas is detrimental to segmentation, and that PCA models are not convenient for texture modelling. To integrate kinetics, a novel spatio-temporal model of cardiac contours is proposed. The new explicit model does not require frame interpolation, and it is compared to previous implicit models in terms of approximation error when the shape vector changes from frame to frame or remains constant throughout the cardiac cycle. Finally, the 2D+t atlas-based deformable model segmentation problem is formulated and solved with a gradient descent approach. Experiments using the similarity transformation suggest that segmentation of the whole cardiac volume outperforms segmentation of individual frames. A relatively new approach ---the inverse compositional algorithm--- is shown to decrease running times of the classic Lucas-Kanade algorithm by a factor of 20 to 25, to values that are within real-time processing reach.