Evaluación clínica de la secuencia 4Dflow en el estudio de patología cardiaca mediante cardiorresonancia magnética

Abstract

Introducción. La resonancia magnética cardiaca (RMC, por sus siglas en español; CMR en inglés) ha ido mejorando técnicamente, desde la adquisición de las primeras imágenes in vitro en la década de 1980 hasta los modos ultrarrápidos de adquisición actuales convirtiéndose en una herramienta diagnóstica básica en el estudio de la patología cardiaca. Es la técnica de referencia para la medida de tamaño y la función del ventrículo izquierdo (VI)1. En la mayoría de los protocolos de RMC se incluye una secuencia phase contrast (PC) 2D para el estudio de flujos cardiacos, valvulares o vasculares. Esta es una secuencia de adquisición rápida y con buena correlación de las medidas de flujo con la ecografía Doppler. No obstante, esta técnica, al ser adquirida en apnea y ser bidimensional, tiene varios inconvenientes de los que destacamos: no permite medir el flujo pulmonar y el flujo sistémico en un mismo ciclo cardiaco, requiere que se conozca de antemano la presencia de un shunt para estudiar sus características de flujo y no tiene la capacidad para el registro del flujo no laminar. Para mejorar esta secuencia de flujo, inicialmente se desarrollaron técnicas de 3D cine PC que no tuvieron implantación en la práctica clínica. Es a partir de una serie de innovaciones descritas en artículos de Markl et al2,3, que se comenzó a implantar de forma progresiva desde los mediados de la década de los años 2000 lo que hoy conocemos como 4D flow. 4D flow es una secuencia PC 3D cine (time-resolved) con codificación espacial tridimensional, volumétrica, con sincronización cardiaca y adquirida durante todo un ciclo cardiaco. En 2015 un grupo de varios expertos se organizó para redactar un consenso internacional sobre la secuencia 4D flow, con recomendaciones técnicas y aportando buenos resultados de pruebas in vitro tanto de los parámetros clásicos de PC como de parámetros más avanzados4. Su uso, en ese momento, era experimental con multitud de trabajos científicos enfocados a mejorar la técnica, su adquisición o los procesos de reconstrucción. La implantación clínica de esta secuencia ha sido progresiva, a medida que avanzaba la técnica, permitiendo una adquisición más rápida, con menos artefactos y menos errores de medición de flujo. Objetivos Primer artículo: evaluar la validez de la secuencia 4D Flow de RMC para la evaluación cuantitativa de la insuficiencia aórtica (IAo), comparándola con la técnica convencional PC 2D. Segundo artículo: definir el papel de la RMC con 4D Flow como herramienta práctica para el estudio de shunts cardiacos, evaluando su consistencia interna, reproducibilidad y su capacidad diagnóstica y pronóstica, con especial atención a la medición cuantitativa directa del jet. Tercer artículo: determinar la reproducibilidad de los parámetros obtenidos mediante RMC con 4D flow en la aorta torácica descendente (DTAo, por sus siglas en inglés) en pacientes con IAo crónica. Revisar la relación de estos parámetros de flujo en DTAo con la fracción de regurgitación (FR) en la unión sinotubular (STJ, por sus siglas en inglés) y el volumen telediastólico del ventrículo izquierdo (LVEDVI, por sus siglas en inglés), evaluando su valor diagnóstico y pronóstico. Cuarto artículo: describir la utilidad clínica de la secuencia 4D flow en la evaluación de complicaciones posteriores a la implantación quirúrgica de prótesis valvulares aórticas.

Métodos . Primer artículo: se seleccionaron de forma retrospectiva 34 pacientes con IAo, definida por la presencia de FR mayor del 5% medido mediante la secuencia PC en la STJ. Se adquirió en el mismo protocolo de RMC por un lado secuencias PC 2D a nivel del anillo valvular y a nivel de STJ y, por otro lado, la secuencia 4D flow.

Se compararon los parámetros de flujo (flujo hacia delante, flujo retrógrado y FR) obtenidos en cada localización, en cada paciente y con cada secuencia. Se evaluó comparativamente la gradación de la severidad de la IAo obtenida con ambas secuencias. Segundo artículo: se analizaron de forma retrospectiva 18 pacientes con shunts cardiacos a los que se les había realizado RMC con secuencia 4D flow. Se valoró la consistencia interna de la secuencia midiendo el flujo sistémico (Qs) y pulmonar (Qp) en diferentes puntos. Se evaluaron los parámetros cuantitativos de análisis directo del jet del shunt (flujo, diámetro y área), determinando su variabilidad y también su asociación con factores pronósticos como el diámetro del ventrículo derecho (VD) o la relación Qp/Qs. Tercer artículo: para estudiar los parámetros de flujo en la DTAo en la IAo, se recogieron los datos de la secuencia 4D flow, de forma retrospectiva, de 90 pacientes con FR mayor o igual a 5% en la STJ: 30 pacientes con IAo severa (FR ≥ 30%) y 60 pacientes con IAo leve a moderada (FR < 30%). Se valoran los parámetros en diferentes puntos de la DTAo: FR, flujo al final de la diástole (EDRF, por sus siglas en inglés) y presencia de flujo holodiastólico (HDR, por sus siglas en inglés), determinando su variabilidad y correlacionando con la FR en STJ y con el LVEDVI. Cuarto artículo: se presenta una serie de tres casos clínicos de pacientes con antecedentes de cirugía de reemplazo valvular aórtico (dos con prótesis mecánicas y uno con bioprótesis) que desarrollaron complicaciones posquirúrgicas. Se utilizó un enfoque multimodal de imagen: ecografía transtorácica (ETT), ecografía transesofágica (ETE), TC y RMC. En cada caso, se analizó la capacidad de la técnica 4D flow para detectar y caracterizar fugas paravalvulares, regurgitación intraprotésica y pseudoaneurismas.

Resultados . Primer artículo: no se observaron diferencias estadísticamente significativas entre las mediciones de flujo en IAo mediante PC 2D y 4D Flow, incluyendo la cuantificación del flujo anterógrado, el flujo regurgitante o la FR en IAo con una correlación (r) de 0,826; 0,866 y 0,761 respectivamente. La correlación es mayor cuando la ROI se coloca en STJ y en aortas no dilatadas. La clasificación de la gravedad obtenida mediante secuencia PC 2D y 4D flow difirió en 11 de los 34 pacientes de nuestra cohorte, con la primera secuencia sobrestimando la gravedad en comparación con la técnica 4D flow en 10 de esos 11 casos, probablemente porque el valor de flujo anterógrado fue menor cuando se midió con PC 2D. El índice kappa para evaluar la concordancia en la clasificación de la IAo entre ambos métodos (kappa de 0,72) indica una concordancia moderada. Segundo artículo: en los pacientes con shunt, el Qs y Qp medidos en diferentes puntos de un mismo ciclo cardiaco con la secuencia 4D flow mostraron una fuerte correlación (Spearman's rho de 0,872 y 0,899, respectivamente). La correlación intraobservador para el cálculo de Qp/Qs fue excelente (r = 0,97), al igual que la interobservador con un coeficiente de correlación intraclase (CCI) de 0,95. También la medición directa del flujo del shunt mostró una fuerte correlación intraobservador e interobservador (r = 0,98; CCI = 0,95 respectivamente).En los casos de shunt que condicionan sobrecarga de cavidades derechas, se observó una fuerte correlación positiva entre la relación Qp/Qs y los siguientes valores: cuantificación directa del jet (r = 0,76), diámetro medio del jet (r = 0,79) y área media del jet (r = 0,77).En los cortocircuitos que implicaban las cavidades izquierdas, también se encontró una fuerte correlación positiva entre la relación Qp/Qs y la medida directa del jet (r = 0,77), diámetro medio del jet (r = 0,94) y el área media del jet (r = 0,94). En los cortocircuitos con sobrecarga de cavidades derechas, la correlación entre la relación Qp/Qs y el volumen del VD fue fuerte (r = 0,71), al igual que la correlación entre la medición directa del jet y el volumen del VD (r = 0,629), y entre el diámetro medio del jet y el volumen del VD (r = 0,82). Tercer artículo: las mediciones que se realizaron para valorar la IAo en la DTAo a nivel de la vena pulmonar inferior izquierda (LIPV por sus siglas en inglés) mostraron alta reproducibilidad. El CCI fue de 0,969 para la FR y de 0,929 para EDRF. Se definieron tres parámetros en DTAo que se correlacionan con IAo severa y un LVEDVI elevado: presencia de HDR, FR y EDRF. Estos valores fueron significativamente mayores en el grupo IAo severa: RF: 21% vs. 6% (p < 0,001); EDRF: 20 mL/s vs. 4 mL/s (p < 0,001); HDR: 20% vs. 8% (p < 0,001). Según la curva ROC (Receiver operating characteristic), el punto de corte óptimo para el diagnóstico de IAo severa fue una FR ≥17% en la DTAo (sensibilidad = 0,77; especificidad = 0,88; área bajo la curva (AUC, por sus siglas en inglés) =0,873; intervalo de confianza (IC) 95% 0,496–0,951. El punto de corte óptimo para la EDRF en DTAo fue 7 mL/s (sensibilidad = 0,93; especificidad = 0,70; AUC: 0,860 IC 95% 0,777–0,943). La FR ≥30% en la STJ y los valores de FR y EDRF en la DTAo (≥17% y ≥7 mL/s, respectivamente) se asociaron significativamente con mayor LVEDVI y con la presencia de HDR. Finalmente, se observó una asociación entre los valores de LVEDVI y la presencia de HDR en DTAo ya que las mediciones de LVEDVI fueron significativamente menores en pacientes sin HDR en comparación con aquellos con HDR (79 [71–103] vs. 127 [101–140] mL/m²; P < 0,001). Cuarto artículo: la RMC con secuencia 4D flow permitió, en los tres casos presentados de regurgitación en prótesis valvular aórtica, una evaluación complementaria a las demás modalidades de imagen. Facilitó la identificación cualitativa del jet, así como la cuantificación precisa del flujo regurgitante. Además, esta técnica fue clave para el diagnóstico y caracterización del tipo de complicación, ya fuera un cortocircuito intracardíaco (shunt), un pseudoaneurisma o la distinción entre un jet intraprotésico y uno paravalvular, permitiendo elección y planificación de tratamiento.

Conclusiones . Primer artículo: la secuencia 4D flow demostró ser una herramienta confiable para cuantificar la IAo, mostrando buena correlación con la técnica estándar de RMC, la secuencia PC 2D. Además, ofrece ventajas adicionales, como la capacidad de analizar flujos complejos y no laminares lo que podría ser útil en aortas dilatadas y contribuir a una gradación de severidad de IAo más precisa. Segundo artículo: la secuencia 4D flow permite una cuantificación precisa y reproducible de los cortocircuitos cardíacos, con baja variabilidad intra e interobservador. La medición del cociente Qp/Qs y la cuantificación directa del flujo del cortocircuito son factibles y muestran una fuerte correlación con parámetros anatómicos y funcionales. Estos hallazgos respaldan su uso clínico como herramienta diagnóstica y de seguimiento en la evaluación de cortocircuitos cardíacos. Tercer artículo: la secuencia 4D flow permite una evaluación precisa y reproducible del flujo en DTAo en pacientes con IAo crónica. Los parámetros RF ≥ 17%, EDRF ≥ 7 mL/s y/o la presencia de HDR en la DTAo se asociaron con una RF ≥ 30% en la STJ y un LVEDVI elevado, lo que indica su utilidad para mejorar la clasificación de la gravedad de la IAo mediante RMC. Cuarto artículo: aunque la ecografía Doppler continúa siendo la modalidad de imagen principal para la evaluación de las prótesis valvulares aórticas, la RMC con secuencia 4D flow ha emergido como una herramienta precisa para valorar la función valvular, con un rol bien establecido en la evaluación de la regurgitación en válvulas nativas. Nuestra experiencia confirma su utilidad en la detección y cuantificación de regurgitación, shunt o pseudoaneurismas en prótesis valvulares aórticas, gracias a su capacidad de análisis tridimensional, detección de flujos complejos y técnica de tracking valvular retrospectivo.Introduction. Cardiac magnetic resonance (CMR) has undergone continuous technical advancement since the acquisition of the first in vitro images in the 1980s to today's ultrafast acquisition modes, becoming a fundamental diagnostic tool in the study of cardiac pathology. It is considered the gold standard for measuring left ventricular (LV) size and function, as well as thoracic aortic dimensions. Most CMR protocols include a 2D phase contrast (2D PC) sequence for assessing cardiac, valvular, or vascular flow. This sequence is fast and provides flow measurements that correlate well with Doppler echocardiography. However, being a breath-hold, two-dimensional acquisition technique, it has several limitations: it does not allow simultaneous measurement of pulmonary and systemic flow within the same cardiac cycle, it requires prior knowledge of a shunt to assess its flow characteristics, and it lacks the ability to capture non-laminar flow. To improve upon this, 3D cine PC techniques were initially developed but did not reach clinical implementation. Starting in the mid-2000s, a series of innovations described by Markl et al. led to the progressive adoption of what is now known as 4D Flow. 4D Flow is a time-resolved 3D cine phase contrast sequence with volumetric spatial encoding, cardiac synchronization, and acquisition throughout the entire cardiac cycle. In 2015, a group of experts collaborated to draft an international consensus on 4D Flow, outlining technical recommendations and reporting successful in vitro testing of both classic PC parameters and more advanced metrics. At that time, its use remained experimental, with numerous scientific studies focused on optimizing the technique, acquisition methods, and reconstruction processes. Clinical implementation of 4D Flow has progressed as technology has advanced, enabling faster acquisition with fewer artifacts and reduced flow measurement errors. Objectives First article: To evaluate the validity of the CMR 4D Flow sequence for quantitative assessment of aortic regurgitation (AR), compared to the conventional 2D PC technique. Second article: To define the role of CMR with 4D Flow as a practical tool for the evaluation of cardiac shunts, assessing its internal consistency, reproducibility, and diagnostic and prognostic capabilities, with special focus on direct quantitative jet measurement. Third article: To determine the reproducibility of parameters obtained via CMR with 4D Flow in the descending thoracic aorta (DTAo) in patients with chronic AR. To analyze the relationship of these flow parameters with the regurgitant fraction (RF) at the sinotubular junction (STJ) and left ventricular end-diastolic volume index (LVEDVI), evaluating their diagnostic and prognostic value. Fourth article: To describe the clinical utility of the 4D Flow sequence in evaluating complications following surgical implantation of aortic valve prostheses.

Methods First article: A retrospective selection of 34 patients with AR, defined by a regurgitant fraction (RF) greater than 5% measured with 2D PC at the STJ. In the same CMR protocol, both 2D PC sequences (at the valvular ring and STJ) and a 4D Flow sequence were acquired. Flow parameters (antegrade flow, regurgitant flow, and RF) were compared at each location and by each sequence, along with AR severity grading. Second article: A retrospective analysis of 18 patients with cardiac shunts who underwent CMR with 4D Flow. Internal consistency of the sequence was evaluated by measuring systemic (Qs) and pulmonary (Qp) flow at different locations. Quantitative parameters from direct jet analysis (flow, diameter, and area) were assessed for variability and association with prognostic factors such as right ventricular (RV) diameter or the Qp/Qs ratio. Third article: To study DTAo flow parameters in AR, 4D Flow data were retrospectively collected from 90 patients with RF ≥ 5% at the STJ: 30 with severe AR (RF ≥ 30%) and 60 with mild to moderate AR (RF < 30%). Parameters at different DTAo levels were analyzed: RF, end-diastolic reverse flow (EDRF), and the presence of holodiastolic reversal (HDR), determining their variability and correlation with STJ RF and LVEDVI. Fourth article: A series of three clinical cases involving patients with prior surgical aortic valve replacement (two mechanical, one bioprosthetic) who developed postoperative complications. A multimodal imaging approach was used: transthoracic echocardiography (TTE), transesophageal echocardiography (TEE), CT, and CMR. Each case assessed the capability of the 4D Flow technique to detect and characterize paravalvular leaks, intraprosthetic regurgitation, and pseudoaneurysms.

Results First article: No statistically significant differences were observed between 2D PC and 4D Flow in AR flow measurements, including antegrade flow, regurgitant flow, and RF, with correlations (r) of 0.826, 0.866, and 0.761, respectively. Correlation was stronger when the ROI was placed at the STJ and in nondilated aortas. Severity grading differed in 11 of the 34 patients, with 2D PC overestimating AR in 10 of those 11 cases, likely due to lower antegrade flow values. Kappa index for agreement in grading AR between methods was 0.72, indicating moderate agreement. Second article: In patients with shunts, Qs and Qp measured at different points within the same cardiac cycle using 4D Flow showed strong correlation (Spearman's rho = 0.872 and 0.899, respectively). Intraobserver correlation for Qp/Qs was excellent (r = 0.97), as was interobserver agreement (ICC = 0.95). Direct shunt flow measurement also demonstrated strong intra- and interobserver correlation (r = 0.98; ICC = 0.95). In shunts causing right chamber overload, Qp/Qs strongly correlated with direct jet quantification (r = 0.76), mean jet diameter (r = 0.79), and jet area (r = 0.77). In left-sided shunts, strong positive correlations were also observed with direct jet measurement (r = 0.77), diameter (r = 0.94), and area (r = 0.94). For shunts with right-sided overload, Qp/Qs correlated with RV volume (r = 0.71), as did direct jet measurement (r = 0.629) and jet diameter (r = 0.82). Third article: Measurements assessing AR in the DTAo at the level of the left inferior pulmonary vein (LIPV) demonstrated high reproducibility. ICC was 0.969 for RF and 0.929 for EDRF. Three DTAo parameters were associated with severe AR and elevated LVEDVI: HDR, RF, and EDRF. These were significantly higher in the severe AR group: RF: 21% vs. 6% (p < 0.001); EDRF: 20 mL/s vs. 4 mL/s (p < 0.001); HDR: 20% vs. 8% (p < 0.001). ROC analysis identified optimal cutoffs: RF ≥ 17% in DTAo (sensitivity = 0.77; specificity = 0.88; AUC = 0.873; 95% CI: 0.496–0.951), and EDRF ≥ 7 mL/s (sensitivity = 0.93; specificity = 0.70; AUC = 0.860; 95% CI: 0.777–0.943). These values, along with RF ≥ 30% in the STJ, were significantly associated with elevated LVEDVI and HDR. LVEDVI values were significantly lower in patients without HDR compared to those with HDR (79 [71–103] vs. 127 [101–140] mL/m²; p < 0.001). Fourth article: In three cases of aortic valve prosthesis regurgitation, CMR with 4D Flow provided complementary evaluation to other imaging modalities. It enabled qualitative jet identification and precise regurgitant flow quantification. Moreover, 4D Flow was critical in diagnosing and characterizing the type of complication, whether an intracardiac shunt, pseudoaneurysm, or distinction between intraprosthetic and paravalvular jets, aiding treatment planning.

Conclusions First article: 4D Flow proved to be a reliable tool for quantifying AR, with good correlation to the standard CMR 2D PC technique. It offers additional advantages such as the ability to analyze complex and non-laminar flows, which may be particularly useful in dilated aortas and improve AR severity grading. Second article: 4D Flow enables precise and reproducible quantification of cardiac shunts, with low intra- and interobserver variability. Qp/Qs ratio measurement and direct shunt flow quantification are feasible and strongly correlated with anatomical and functional parameters, supporting its clinical use in diagnosing and monitoring cardiac shunts. Third article: 4D Flow allows for accurate and reproducible assessment of DTAo flow in patients with chronic AR. Parameters such as RF ≥ 17%, EDRF ≥ 7 mL/s, and HDR presence in the DTAo are associated with RF ≥ 30% in the STJ and elevated LVEDVI, indicating their value in enhancing AR severity classification via CMR. Fourth article: While Doppler echocardiography remains the primary imaging modality for aortic valve prosthesis evaluation, CMR with 4D Flow has emerged as a precise tool for assessing valve function, with a well-established role in evaluating regurgitation in native valves. Our experience confirms its utility in detecting and quantifying regurgitation, shunt and pseudoaneurysms in aortic valve prostheses, thanks to its 3D flow analysis capabilities and retrospective valve tracking.