Modelado ventricular en 3 dimensiones basado en imagen de resonancia magnética cardíaca e incorporación de propiedades funcionales para la caracterización precisa de la taquicardia ventricular relacionada con el sustrato estructural post-infarto de miocardiomodelo animal de cerdo

Resumen

La enfermedad cardiovascular es una de las patologías de consecuencias letales más predominante a nivel mundial. Entre ellas, el infarto de miocardio (MI) es una de las más incidentes, presentando estos pacientes diversas enfermedades asociadas. Además de afectar la función ventricular, el MI ocasiona alteraciones en la distribución y organización de fibras cardíacas a nivel tridimensional. Estas afectaciones de naturaleza estructural contribuyen a la potencial aparición de arritmias ventriculares, de consecuencias a priori desconocidas. Para su evaluación estructural, las imágenes de tensores de difusión (DTI) presentan una excelente capacidad de caracterización de la estructura miocárdica bajo condiciones ex - vivo. Así, el objetivo principal de este trabajo fue evaluar parámetros estructurales miocárdicos derivados de secuencias DTI en mapas 3D de fibras cardíacas y regiones de cicatriz para identificar aquéllos con mejores capacidades que contribuyen a la inducción de arritmias ventriculares y a las características de la taquicardia ventricular (VT) postinfarto. En la metodología experimental se incluyeron 12 cerdos con MI previo localizado en el territorio de la arteria coronaria descendiente anterior izquierda, y 3 controles con pesos similares. Tras un período de recuperación postinfarto de entre 10 a 12 semanas, se realizó una evaluación in - vivo de la función cardíaca mediante la adquisición de una secuencia CINE en 2D y una posterior caracterización electrofisiológica. En esta segunda fase, se evaluó por animal su nivel de inducibilidad de arritmias ventriculares mediante un protocolo de estimulación programada (PVS) aplicado desde el ventrículo derecho con un catéter de tipo sacacorchos de estimulación. Además, si era inducible de VT, los episodios inducidos se registraron con las señales de electrocardiografía (ECG) de 12 derivaciones para evaluar su estabilidad a nivel morfológico, su longitud de ciclo y la duración de los mismos. Si ésta era hemodinámicamente tolerada y además muy estable y de larga duración, se adquirieron mapas de activación durante VT con especial énfasis en la localización y caracterización del circuito reentrante. Una vez realizado el estudio electrofisiológico, y previa explantación del corazón, se obtuvo la distribución 3D de la cicatriz y de fibras cardíacas ventriculares desde secuencias ex - vivo de mapeo de T1 de 36 fases de alta resolución realzadas por contraste y DTI de 15 direcciones de difusión más la referencia B0, respectivamente. Con respecto a las arritmias ventriculares inducidas a nivel experimental, se analizaron los siguientes parámetros por caso: la sensibilidad de cada animal a la inducción de fibrilación o taquicardia ventricular, y en caso de que ésta última fuera inducible, su similitud en morfología, longitud de ciclo y duración total de cada episodio. El nivel de sensibilidad a la inducción se definió como el número relativo de pasos que hubo que avanzar en el protocolo de inducción, ya que se incrementaba de menor a mayor nivel de agresividad. Este nivel de sensibilidad, que fue denominado índice de agresividad (AI), fue registrado por episodio de VT y fibrilación ventricular (VF). En caso de que se indujera un episodio de VT, las señales del ECG de 12 derivaciones fueron procesadas para enventanar cada activación ventricular. Así, cada activación ventricular fue comparada utilizando una función de correlación cruzada basada en energía, obteniendo así un índice de similitud (SI) asociado al episodio. Mientras el SI fuera superior al 93 %, se consideró que la VT pertenecía al mismo episodio. Una vez garantizado su similitud en morfología, la longitud de ciclo mediana (medida como la diferencia temporal entre picos máximos en valor absoluto de las activaciones ventriculares enventanadas) así como la duración total del episodio fueron cuantificadas. Respecto al procesado de imagen, las regiones ventriculares de tanto la secuencia de mapeo de T1 como la de DTI fueron segmentadas. Para la segmentación de la primera, se codificó cada uno de los vóxeles (señales de relajación de 36 muestras) con sus correspondientes coeficientes R1 de relajación mediante software implementado en IDL. Así, se generó una primera máscara para prefiltrar la secuencia R1 basada en las señales de relajación de la secuencia T1 que mejor contraste presentaban respecto de la cavidad miocárdica. Ésta fue posteriormente refinada aplicando un algoritmo de Otsu basado en intensidades de la propia secuencia R1. De manera análoga, se enmascaró la secuencia DTI usando las imágenes de los gradientes que ofrecían mayor contraste ventricular, y basando posteriormente la máscara final en la referencia B0 (estructuralmente estable). Para refinar ambas máscaras y garantizar la continuidad y compacidad entre los bordes endocárdico y epicárdico en tres dimensiones, se aplicaron filtros morfológicos adicionales de eliminación de islotes, de erosión y dilatación y de suavizado con kernels gaussianos penalizando las distribuciones en eje corto, entre otros. Tras obtener la segmentación ventricular refinada de la secuencia R1, se definió el pico máximo de intensidad aproximado por el criterio “full – width – half – máximum” para normalizar la distribución de intensidades en su interior y facilitar la detección de la cicatriz realzada por contraste. Así, se delinearon las regiones de fibrosis heterogénea y densa a partir de referencias normalizadas de 0.45 y 0.67, respectivamente. Una vez detectada la región infartada de alta resolución, ésta se situó con la caracterización de los tensores de difusión en el mismo espacio de imagen. Al tener diferente resolución, realizamos una redimensión previa de la secuencia R1 al tamaño de la secuencia DTI. Tras esto, aplicamos un registro rígido entre máscaras de R1 y DTI, conservando la matriz de transformación utilizada. Esta matriz de transformación fue finalmente aplicada en la máscara de cicatriz redimensionada de la secuencia R1, situándola en el mismo espacio de imagen que el de la secuencia DTI. Una vez delineadas las regiones fibróticas en las secuencias DTI, éstas se asociaron con los siguientes parámetros estructurales derivados de los tensores de difusión: los autovalores principal, segundo y tercero (λ0, λ1 y λ2, respectivamente), la anisotropía fraccional (FA), las versiones bidimensionales de la FA (FA01, FA02 y FA12), la anisotropía relativa (RA), la difusividad media (MD), los coeficientes lineal, planar y esférico, la traza, el ratio de volumen (VR) y los ángulos helicoidal y transversal basados en el autovector principal de difusión. De cara a medir la desorganización de fibras miocárdicas a nivel estructural, se incluyó además un nuevo parámetro estructural derivado de DTI llamado “Fiber Disorganization Index” (FDI), que cuantifica la orientación relativa 3D de los autovectores asociados a cada tensor de difusión (FDI0, FDI1, y FDI2) respecto a los autovectores principales adyacentes. El objetivo con estos parámetros estructurales era detectar aquéllos con mejores capacidades para distinguir entre zonas sanas y de cicatriz heterogénea y densa. Para ello, se aplicó una criba estadística primero a nivel intra – caso cuantificando el número de veces que cada parámetro mostraba significancia estadística en las comparativas entre zonas por caso. La distribución no gaussiana de estos parámetros se verificó mediante el test de Anderson – Darling (p < 0.01). Consecuentemente, el test empleado fue uno de tipo no paramétrico (Kruskal – Wallis), con posterior comparativa entre pares de grupos con el test de Dunn (p < 0.0001). Los parámetros con mejores resultados globales por caso (por encima del cuartil 75 %) fueron incluidos en la criba inter – caso, que tras combinar las zonas de cada caso por su naturaleza (sana, cicatriz heterogénea y densa) realizó las comparativas entre éstas de manera análoga. Finalmente, los parámetros que mostraron significancia estadística en este último análisis fueron incluidos en los análisis de correlación con las características de arritmias ventriculares obtenidas durante los estudios electrofisiológicos. Los frentes de propagación reentrantes durante la VT post – infarto se propagan a través de fibras miocárdicas viables. Para poder evaluar su distribución en las diferentes regiones analizadas (sana, de fibrosis difusa y densa), se generaron mapas de tractografía ventriculares derivados de las secuencias DTI. Dicho de otra forma, los mapas de tractografía sirvieron como filtro estructural de las regiones miocárdicas viables en los ventrículos. Actualmente no existe un criterio establecido en la literatura para la generación de tractos ventriculares en corazones con infarto a partir de estas secuencias, por lo que se propuso uno que permitiera definir tractos asociables a fibras miocárdicas viables. Para ello, se aplicó el algoritmo de reconstrucción de tractografía llamado “Fast Assignment by Continuous Tracking” (FACT) incluido en el software DTIStudio. Brevemente, este algoritmo detecta, para cada uno de los vóxeles analizado, aquéllos de su vecindario que presentan mayor similitud entre sí. Este proceso se ejecuta de manera iterativa, constituyendo los diferentes tractos del mapa de fibras. Para definir los criterios de crecimiento de estos mapas de tractografía, se toman en consideración dos parámetros: un umbral mínimo de FA y un umbral máximo de ángulo de giro (TA) permitido entre autovectores de vóxeles consecutivos. En caso del umbral mínimo de FA, una vez cuantificada la distribución de este parámetro en zona sana, éste se fijó en el 5 % de la función densidad de probabilidad acumulada (cPDF) para eliminar posibles valores espurios. Tras esto, definimos el umbral de TA óptimo como el valor mínimo que proporcionara un volumen de llenado por encima del 90 % en regiones sanas. Asignando los parámetros estructurales obtenidos tras la criba estadística inter - caso a las regiones ventriculares que constituyeron fibras viables (diferenciadas en regiones sanas y de fibrosis heterogénea y densa), se evaluaron sus asociaciones con las arritmias ventriculares obtenidas. Tras analizar las diferentes secuencias DTI en sus diferentes regiones, se obtuvieron los parámetros requeridos para la generación de los mapas de tractografía asociados. Así, el 5 % de la cPDF de la FA en región sana (umbral mediano aplicado como filtro de valores espurios) fue de 0.097. Respecto al TA óptimo, el volumen detectado por el algoritmo FACT en esta misma zona sobrepasaba el 90 % del total para un valor mediano de 40º. Esto permitió detectar las regiones miocárdicas viables en los ventrículos, incluidas en los sucesivos análisis estadísticos de los parámetros estructurales. Continuando con la criba estadística, la comparativa intra – caso prefiltró los siguientes parámetros: los autovalores λ0, λ1 y λ2, el FA, sus versiones bidimensionales FA02 y FA12, los índices de desorganización FDI0 y FDI1, el índice planar y la traza. Tras incluir éstos en la comparativa inter – caso, únicamente el autovalor principal λ0 y su índice de desorganización asociado FDI0 mostraron diferencias significativas en todas las comparativas entre zonas. Considerando estos parámetros como aquéllos con mejor capacidad para diferenciar entre regiones sana y de fibrosis heterogénea y densa, únicamente se incluyeron éstos a nivel estructural en las asociaciones con las características de las arritmias ventriculares inducidas a nivel experimental. Estos análisis se acompañaron de las cuantificaciones de los volúmenes de cicatriz (heterogénea, densa y fibrosis global) y la fracción de eyección del ventrículo izquierdo (LVEF) para evaluar su capacidad de asociación respecto a parámetros clínicos establecidos. Con respecto a la inducción de arritmias ventriculares, los resultados recogen que 8 de 12 de los animales con infarto previo eran inducibles de VT, siendo la VF la única arritmia inducible en los 4 restantes. En el caso de los 3 cerdos controles (sin infarto), la VF fue la única arritmia inducible bajo el mismo protocolo de estimulación. Una mediana de 2.5 morfologías de VT monomórfica sostenida se cuantificaron por animal tras el protocolo de PVS (longitud de ciclo de los episodios de VT: 212 ms, con rango intercuartil (IQR): 205 – 266 ms). La duración mediana de estos episodios inducidos fue de 132.56 s (IQR: 70.79 – 251.73 s), presentando una similitud morfológica mediana siempre por encima del 93 % (SI: 98.97 %, con IQR: 98.71 – 99.19 %). Diferenciando por grupos y bajo el protocolo de PVS, la sensibilidad a la inducción de VT en aquellos animales inducibles de esta arritmia fue de 25.53 % (IQR: 13.98 – 38.50 %), mientras que su sensibilidad a la inducción de VF fue de 87.06 % (IQR: 61.92 – 100 %). En el caso de aquellos animales sólo inducibles de VF, éstos presentaron una sensibilidad a la inducción de esta arritmia mucho más baja (AI: 18.99 %, con IQR: 12.97 – 32.91 %). Asimismo, y como se esperaba, el grupo de animales controles presentó una sensibilidad a la inducción de VF del 100 % en todos los episodios. En las asociaciones con la inducibilidad de arritmias ventriculares y características de la VT, tanto el autovalor principal λ0, como la LVEF y los volúmenes de cicatriz (global, heterogéneo y denso) incluidos no presentaron significancia estadística. Diferenciando por zonas de fibrosis, la desorganización 3D de fibras cuantificada por el FDI0 presentó niveles altos de desorganización dentro de la cicatriz densa en aquellos casos en los que sólo fue posible la inducción de VF. De manera opuesta, se observaron niveles de desorganización dentro de la cicatriz densa más bajos en aquellos casos en los que las VT resultaron inducibles (p = 0.0485. FDI0: 0.36, con IQR: 0.36 - 0.37 vs. 0.32, con IQR: 0.26 - 0.33, respectivamente). Curiosamente, en aquellos casos que presentaban un FDI0 elevado en zona densa, la sensibilidad de inducción de VF tras el protocolo de PVS era alta para animales en los que sólo fue posible la inducción de VF. Sin embargo, los casos que presentaban un FDI0 mediano menor en zona densa eran aquéllos en los que pudo inducirse VT, requirieron maniobras de PVS más agresivas para alcanzar la inducción de VF. Evaluando la distribución de desorganización en la región heterogénea, el FDI0 en esta zona correlacionó significativamente con la mediana de la longitud de ciclo de los episodios de VT por cerdo (p = 0.04, R2 = 0.5320). Por tanto, los niveles altos de FDI0 en región heterogénea se asociaron a episodios de VT más lentos, mientras que los niveles bajos de FDI0 en la misma región contribuyeron a longitudes de ciclo de la taquicardia más rápidas. Dada la relevancia de la desorganización estructural observada en el FDI0 con las características de las arritmias ventriculares, se procedió adicionalmente a evaluar su distribución en zonas relevantes de la VT. Este análisis fue posible en 4 de los 8 animales inducibles de VT, en los cuales obtuvimos 6 mapas de activación durante episodios de VT hemodinámicamente estable y de larga duración (duración mediana de 704 s, con IQR: 363 – 1516 s). Así, mapeando punto a punto y mediante maniobras de “entrainment” adicionales se identificaron las ubicaciones de los circuitos reentrantes de VT en estos casos. Todos éstos se detectaron en el lado endocárdico del ventrículo izquierdo, habiendo adquirido una mediana de 328 puntos de activación (IQR: 280 – 441 puntos). A nivel gráfico, se definieron sus regiones de interés de VT como aquellas regiones que contuvieran tiempos de activación de hasta el 10 % de la longitud de ciclo desde los tiempos mínimo y máximo adquiridos, respectivamente. Realizando una proyección superficial entre las regiones de activación temprana y tardía (zona de conducción lenta), se definieron las llamadas regiones “Early – meets - late” (EML) en los mapas de activación. Tras registrar estos mapas en las secuencias DTI, proyectamos las regiones superficiales EML hacia esta secuencia, obteniendo una ROI 3D volumétrica definida desde el endocardio hasta el epicardio. Los análisis de desorganización de esta región presentaron alteraciones similares a las de la cicatriz en sus niveles de FDI0, respecto a regiones sanas (p = 0.0038. FDI0: 0.38, con IQR: 0.34 - 0.44 vs. 0.24, con IQR: 0.20 - 0.27, respectivamente). A su vez, la distribución de tejido dentro de la ROI 3D de VT encerraba tractos viables sanos principalmente, sugiriendo su potencial contribución de estas regiones en los mecanismos de la VT. A modo de conclusión, la desorganización de fibras cardíacas promovió la inducibilidad de arritmias ventriculares y la modulación de características de la VT postinfarto. Esta información podría mejorar la estratificación de riesgo en pacientes postinfarto antes de la aparición de posibles arritmias ventriculares.