Cardiovascular magnetic resonance imaging: Error sources in phase contrast flow measurements

Abstract

Phase contrast velocity encoded flow measurement was first introduced 30 years ago and have been subject to constant evolution since. The method has been validated repeatedly to be suitable for numerous clinical applications. It is capable to visualize and quantify dynamic phenomena such as blood flow in any part of the human body without being invasive or using ionizing radiation. Recent publications even suggest that velocity encoded imaging should be used as a gold standard in the flow measurements of great arteries. Despite of numerous possibilities, the method remains underused. However, phase contrast flow imaging carries some challenges that are limiting clinical applicability. First of all, magnetic resonance imaging is expensive and time consuming imaging modality. Currently velocity encoded flow imaging can be seen as a secondary modality which is used if necessary after alternative methods such as ultrasound. Also, phase contrast flow imaging includes numerous physical and physiological error sources affecting the accuracy of flow measurements. The understanding of these error sources is important to be able to estimate the accuracy of obtained results. An overview on these error sources is presented in this work. Essential theoretical basis to understand the physics underlying the error mechanisms are presented and means to minimize the error are addressed. The dimensions of human arteries are varying considerably along the flow track beyond the ventricles. Changing geometrical dimension and individual characteristics of cardiac valves are giving a raise to several spatially alternating flow phenomena such as acceleration artefact and voxel dephasing. In this work a research is presented where optimal measurement plane to quantify stroke volume is studied. The importance of optimal measurement plane is studied in both healthy controls and patients with accelerated flow velocities. In the work it was found that optimal location to measure arterial flow is approximately 2 cm distal from the aortic or pulmonal valve in case of accelerated flow. In controls no such relation was found between the measurement plane and the stroke volume. We are also considering the amount of hardware velocity offset in our measurement system and discussing how it affects to the results.

Nopeusherkkään vaihekontrastiin perustuva magneettikuvausmenetelmä on tehokas tapa suurten valtimoiden virtausten tutkimiseen. Menetelmällä on mahdollista määrittää virtauksen nopeus missä tahansa paikassa ja suunnassa ihmiskehossa ilman ionisoivaa säteilyä tai kajoamista kehon sisälle. Nykytutkimuksen valossa nopeusherkkiä vaihekontrastimittauksia pidetään erilaisten sydänsairauksien arviointiperusteena. Menetelmän kiistattomista eduista huolimatta sitä käytetään tällä hetkellä huomattavan vähän. Nopeusherkän vaihekontrastikuvantamisen kliinistä käyttöä rajoittavat haasteet sovellettavuudessa jokapäiväiseen sairaalatyöhön. Magneettikuvaus itsessään on tällä hetkellä suhteellisen kallis tutkimusmodaliteetti ja sitä on pidettävä sydänsairauksien osalta toisen linjan kuvantamisemenetelmänä ultraäänitutkimuksen jälkeen. Itse nopeusherkkään vaihekontrastiin perustuva kuvantaminen on altis useille fysikaaliseen perustaan ja ihmisen fysiologiaan liittyville virhelähteille. Esimerkiksi kiihtyneessä valtimoverenkierrossa syntyvät turbulenssit ja sydämen rytmihäiriöt saattavat aiheuttaa merkittävää virhettä mitattuihin tuloksiin. Tässä työssä on tehty kirjallisuustutkimus, jossa eritellään nopeusherkällä vaihekontrastikuvantamisella saatuihin tuloksiin vaikuttavat virhemekanismit. Lisäksi käydään läpi mekanismien taustojen ymmärtämiseen vaadittava teoria ja esitellään keinoja syntyvän virheen minimoimiseksi. Suurissa valtimoissa kulkevan veren virtauksen luonne on vahvasti paikkariippuvaista. Näin ollen mitattaessa sydämen tunnuslukuja nopeusherkkään vaihekontrastiin perustuvalla menetelmällä on mittaukseen käytettävän kuvatason paikalla merkittävä vaikutus tuloksiin. Kuvatason paikan vaikutusta mitattuun sydämen vasemman ja oikean kammion iskutilavuuteen on selvitetty kokeellisessa tutkimuksessa. Saatujen tulosten mukaan optimaalinen kuvatason paikka sijaitsee noin 2 cm etäisyydellä valtimoläpästä distaalisesti potilailla joilla on kiihtynyt valtimoveren virtaus. Terveillä koehenkilöillä ei kuvatason paikalla havaittu olevan merkittävää vaikutusta mitattuun kammion iskutilavuuteen. Tutkimuksessa käsitellään lisäksi kokeellisessa osassa käytetyn laitteiston aiheuttamaa virhettä tuloksiin.