La résonance magnétique cardiovasculaire sensible à l'oxygénation (OS-CMR) est devenue une modalité d'imagerie diagnostique pour la surveillance de changements dans l'oxygénation du myocarde. Cette technique offre un grand potentiel en tant qu'outil diagnostic primaire pour les maladies cardiovasculaires, en particulier la détection non-invasive d'ischémie. Par contre, il existe plusieurs facteurs potentiellement confondants de cette technique, quelques-uns d'ordre méthodologique comme les paramètres de séquençage et d'autres de nature physiologiques qui sont peut compris. En raison des effets causés par le contenu tissulaire d'eau, l'état d'hydratation peut avoir un impact sur l'intensité du signal. Ceci est un des aspects physiologiques en particulier dont nous voulions quantifier l'effet confondant par la manipulation de l'état d'hydratation chez des humains et l'observation des changements de l'intensité du signal dans des images OS-CMR. Méthodes: In vitro: Du sang artériel et veineux de huit porcs a été utilisé pour évaluer la dilution en série du sang et son effet correspondant sur l'intensité du signal de la séquence OS. In vivo: Vingt-deux volontaires en santé ont subi OS-CMR. Les concentrations d'hémoglobine (Hb) ont été mesurées au niveau de base et immédiatement après une l'infusion cristalloïde rapide de 1000 mL de solution Lactate Ringer's (LRS). Les images OS-CMR ont été prises dans une vue mid-ventriculaire court axe. L'intensité du signal myocardique a été mesurée durant une rétention respiratoire volontaire maximale, suite à une période d'hyperventilation de 60 secondes. Les changements dans l'intensité du signal entre le début et la fin de la rétention de la respiration ont été exprimés relativement au niveau de base (% de changement). Résultats: L'infusion a résulté en une diminution significative de l'Hb mesurée (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), alors que l'IS a augmenté de 3.2±1.2% entre les images du niveau de base en normo- et hypervolémie (p<0.05). L'IS d'hyperventilation ainsi que les changements d'IS induits par l'apnée ont été attenués après hémodilution (p<0.05). L'évaluation quantitative T2* a démontré une corrélation négative entre le temps de T2* et la concentration d'hémoglobine (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: Il existe plusieurs éléments confondants de la technique OS-CMR qui requièrent de l'attention et de l'optimisation pour une future implémentation clinique à grande échelle. Le statut d'hydratation en particulier pourrait être un élément confondant dans l'imagerie OS-CMR. L'hypervolémie mène à une augmentation en IS au niveau de base et atténue la réponse IS durant des manoeuvres de respiration vasoactives. Cette atténuation de l'intensité du signal devrait être tenue en compte et corrigée dans l'évaluation clinique d'images OS-CMR. / Background: Oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance (OS-CMR) has become a feasible diagnostic imaging modality for monitoring changes of myocardial oxygenation. This technique has great potential for use as a primary diagnostic tool for cardiovascular disease, particularly non-invasive detection of ischemia. Yet, there are several potential confounding factors of this technique, some methodological, such as sequence parameters and others are physiological and not well understood. Due to T2 effects caused by tissue water content, the hydration status may impact signal intensity. This is one physiological aspect in particular that we aimed at quantifying the confounding effect by manipulating hydration status in humans and observing signal intensity (SI) changes in OS-CMR images. Methods: In vitro: Arterial and venous blood from eight swine were used to assess serial dilution of blood and it corresponding effect on OS sequence signal intensity. In vivo: Twenty-two healthy volunteers underwent OS-CMR. Hemoglobin (Hb) concentrations were measured at baseline and immediately following rapid crystalloid infusion of 1,000ml of Lactated Ringer’s solution (LRS). OS-CMR images were acquired in a mid-ventricular short axis view. Myocardial SI was measured during a maximal voluntary breath-hold, after a 60-second period of hyperventilation. SI changes were expressed relative to baseline (% change). Results: The infusion resulted in a significant decrease in measured Hb (142.5±3.3 vs. 128.8±3.3 g/L; p<0.001), while SI increased by 3.2±1.2% between baseline images at normo- and hypervolemia (p<0.05). Both hyperventilation SI and the SI changes induced by apnea were attenuated after hemodilution (p<0.05). Quantitative assessment showed a negative correlation between T2* and hemoglobin concentration (r=-0.46, p<0.005). Conclusions: There are several confounders to the OS-CMR technique that require attention and optimization for future larger scale clinical implementation. The hydration status in particular may be a confounder in OS-CMR imaging. Hypervolemia leads to an increase in SI at baseline and attenuates the SI response during vasoactive breathing maneuvers. This attenuation in signal intensity would need to be accounted for and corrected in clinical assessment of OS-CMR images.

Ce projet illustre cinq études, mettant l'emphase sur le développement d'une nouvelle approche diagnostique cardiovasculaire afin d'évaluer le niveau d’oxygène contenu dans le myocarde ainsi que sa fonction microvasculaire. En combinant une séquence de résonance magnétique cardiovasculaire (RMC) pouvant détecter le niveau d’oxygène (OS), des manœuvres respiratoires ainsi que des analyses de gaz artériels peuvent être utilisés comme procédure non invasive destinée à induire une réponse vasoactive afin d’évaluer la réserve d'oxygénation, une mesure clé de la fonction vasculaire. Le nombre de tests diagnostiques cardiaques prescrits ainsi que les interventions, sont en pleine expansion. L'imagerie et tests non invasifs sont souvent effectués avant l’utilisation de procédures invasives. L'imagerie cardiaque permet d’évaluer la présence ou absence de sténoses coronaires, un important facteur économique dans notre système de soins de santé. Les techniques d'imagerie non invasives fournissent de l’information précise afin d’identifier la présence et l’emplacement du déficit de perfusion chez les patients présentant des symptômes d'ischémie myocardique. Néanmoins, plusieurs techniques actuelles requièrent la nécessité de radiation, d’agents de contraste ou traceurs, sans oublier des protocoles de stress pharmacologiques ou physiques. L’imagerie RMC peut identifier une sténose coronaire significative sans radiation. De nouvelles tendances d’utilisation de RMC visent à développer des techniques diagnostiques qui ne requièrent aucun facteur de stress pharmacologiques ou d’agents de contraste. L'objectif principal de ce projet était de développer et tester une nouvelle technique diagnostique afin d’évaluer la fonction vasculaire coronarienne en utilisant l' OS-RMC, en combinaison avec des manœuvres respiratoires comme stimulus vasoactif. Ensuite, les objectifs, secondaires étaient d’utilisés l’OS-RMC pour évaluer l'oxygénation du myocarde et la réponse coronaire en présence de gaz artériels altérés. Suite aux manœuvres respiratoires la réponse vasculaire a été validée chez un modèle animal pour ensuite être utilisé chez deux volontaires sains et finalement dans une population de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Chez le modèle animal, les manœuvres respiratoires ont pu induire un changement significatif, mesuré intrusivement par débit sanguin coronaire. Il a été démontré qu’en présence d'une sténose coronarienne hémodynamiquement significative, l’OS-RMC pouvait détecter un déficit en oxygène du myocarde. Chez l’homme sain, l'application de cette technique en comparaison avec l'adénosine (l’agent standard) pour induire une vasodilatation coronarienne et les manœuvres respiratoires ont pu induire une réponse plus significative en oxygénation dans un myocarde sain. Finalement, nous avons utilisé les manœuvres respiratoires parmi un groupe de patients atteint de maladies coronariennes. Leurs myocardes étant altérées par une sténose coronaire, en conséquence modifiant ainsi leur réponse en oxygénation. Par la suite nous avons évalué les effets des gaz artériels sanguins sur l'oxygénation du myocarde. Ils démontrent que la réponse coronarienne est atténuée au cours de l’hyperoxie, suite à un stimuli d’apnée. Ce phénomène provoque une réduction globale du débit sanguin coronaire et un déficit d'oxygénation dans le modèle animal ayant une sténose lorsqu’un supplément en oxygène est donné. En conclusion, ce travail a permis d'améliorer notre compréhension des nouvelles techniques diagnostiques en imagerie cardiovasculaire. Par ailleurs, nous avons démontré que la combinaison de manœuvres respiratoires et l’imagerie OS-RMC peut fournir une méthode non-invasive et rentable pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne régionale et globale. / This project encompasses five studies, which focus on developing a new cardiovascular diagnostic approach for assessing myocardial oxygenation and microvascular function. In combination with oxygenation-sensitive cardiovascular magnetic resonance (OS-CMR) imaging, breathing maneuvers and altered arterial blood gases can be used as a non-invasive method for inducing a vasoactive response to test the oxygenation reserve, a key measurement in vascular function. The number of prescribed cardiac diagnostic tests and interventions is rapidly growing. In particular, imaging and other non-invasive tests are frequently performed prior to invasive procedures. One of the most common uses of cardiac imaging is for the diagnosis of significant coronary artery stenosis, a critical cost factor in today’s health care system. Non-invasive imaging techniques provide the most reliable information for the presence and location of perfusion or oxygenation deficits in patients with symptoms suggestive of myocardial ischemia, yet many current techniques suffer from the need for radiation, contrast agents or tracers, and pharmacological or physical stress protocols. CMR imaging can identify significant coronary artery stenosis without radiation and new trends in CMR research aim to develop diagnostic techniques that do not require any pharmacological stressors or contrast agents. For this project, the primary aim was to develop and test a new diagnostic technique to assess coronary vascular function using OS-CMR in combination with breathing maneuvers as the vasoactive stimulus. Secondary aims then used OS-CMR to assess myocardial oxygenation and the coronary response in the presence of altered arterial blood gases. An animal model was used to validate the vascular response to breathing maneuvers before translating the technique to human subjects into both healthy volunteers, and a patient population with cardiac disease. In the animal models, breathing maneuvers could induce a significant change in invasively measured coronary blood flow and it was demonstrated that in the presence of a haemodynamically significant coronary stenosis, OS-CMR could detect a myocardial oxygen deficit. This technique was then applied in a human model, with healthy participants. In a direct comparison to the infusion of the coronary vasodilator adenosine, which is considered a standard agent for inducing vasodilation in cardiac imaging, breathing maneuvers induced a stronger response in oxygenation of healthy myocardium. The final study then implemented the breathing maneuvers in a patient population with coronary artery disease; in which myocardium compromised by a coronary stenosis had a compromised oxygenation response. Furthermore, the observed effects of arterial blood gases on myocardial oxygenation were assessed. This demonstrated that the coronary response to breath-hold stimuli is attenuated during hyperoxia, and this causes an overall reduction in coronary blood flow, and consequently an oxygenation deficit in a coronary stenosis animal model when supplemental oxygen is provided. In conclusion, this work has improved our understanding of potential new diagnostic techniques for cardiovascular imaging. In particular, it demonstrated that combining breathing maneuvers with oxygenation-sensitive CMR can provide a non-invasive and cost-effective method for assessing global and regional coronary vascular function.