Contribution of cross-sectional imaging in the work-up of intermediate coronary artery stenosis

Abstract

Adequate selection of hemodynamically significant lesions is important, as patients without ischemia-causing stenosis – representing approximately 2/3rds of intermediate stenosis (i.e. 40-70% diameter reduction) - do not benefit from revascularization. On the contrary, they show favorable outcomes on optimal medical therapy alone. Invasive fractional flow reserve (FFR) measurement during coronary angiography is the current standard in predicting the functional significance of intermediate-grade coronary artery stenosis. The aim of this thesis was to evaluate how recent advances in non-invasive cardiac imaging, including quantitative coronary CT angiography (CTA), non-invasive FFR estimates from CT (FFRCT) and stress perfusion cardiac magnetic resonance (CMR) can represent an alternative in the management of intermediate stenosis. We demonstrated that quantitative stenosis analysis and plaque descriptors poorly correlated with the functional significance, although significant correlations were obtained between coronary CTA and quantitative coronary angiography for minimal lumen diameter and diameter stenosis percentage. Best predictors for FFR  0.80 coronary stenosis were: minimal lumen diameter  1.35 mm, and  2.3 mm2 minimal lumen area on quantitative coronary CTA and minimal lumen diameter  1.1 mm on quantitative coronary angiography. Technical and patient-related factors that may adversely affect coronary CTA image quality, and hence its diagnostic value, were discussed in a review paper, as well as solutions to mitigate the impact of the image artifacts. Recent vendorspecific advances have resulted in a dramatic improvement of scanning coverage, spatial, temporal and contrast resolution. Easier acquisition, post-processing and better diagnostic confidence are expected from the ongoing image quality improvement. In parallel, patient safety has improved by dose reduction strategies. Recent achievements indicate that even further dose reductions are to be expected in the near future. When we used these technical advances with a second-generation 320-slice CT scanner in 200 consecutive patients, we obtained exceptional non-diagnostic motion-related image quality, which was mainly influenced by the coronary diameter, while higher heart rates had a less negative impact. However, severe coronary calcifications remained a significant cause of image quality impairment in our study indicating that the current spatial resolution may still not be sufficient to visualize smaller coronary arteries with a diagnostic quality. Overall, our results revealed that even with the most recent technological advances, angiographic parameters poorly predicted the functional significance of intermediate stenosis. Additional functional evaluation remains required in this range of stenoses to guide the therapeutic management. In the second part of this thesis, we investigated the assessment of intermediate stenosis by stress perfusion CMR and FFRCT. Perfusion changes in remote, presumed normal myocardium have not been considered thus far on stress perfusion CMR analysis, although they may substantially affect the FFR value distal to a coronary artery stenosis. Our hypothesis was that stress CMR perfusion imaging distal to a coronary stenosis (RISK) should be corrected for remote myocardial perfusion changes in order to provide a better correlation with FFR than uncorrected perfusion. Perfusion indices in the RISK segments decreased with lower FFR values as expected, while a higher perfusion was observed in remote myocardium. The RISK/REMOTE model, after correction for remote perfusion changes, revealed higher correlations with the FFR value (0.73 versus 0.25; p < 0.001) and better diagnostic accuracy to predict FFR ≤ 0.80 stenosis (90% versus 73%; p = 0.05) compared to the parameters of the RISK segments (RISK model). This semiquantitative RISK/REMOTE model analysis yielded an improved specificity of 91% (versus 85%) and overall diagnostic accuracy of 90% (versus 82%) to determine FFR ≤ 0.80 intermediate-grade stenosis compared to visual consensus readings in 46 patients. Finally, our findings revealed that stress perfusion CMR after correction for perfusion changes in REMOTE myocardium was equally valid and reliable to FFRCT to predict flow-limitation in 39 intermediate-grade coronary stenoses. FFR value correlated equally strongly with FFRCT (r = 0.675; p < 0.001) and REMOTE/RISK model (r = -0.628; p < 0.001) in this study, while a poor correlation (r = 0.151; p = 0.36) was observed with the RISK model, without correction by remote segments. In conclusion, functional assessment of intermediate-grade coronary stenosis by both stress perfusion CMR and FFRCT allows strong correlation with invasive FFR measurement. Both techniques may be used as a safe non-invasive gatekeeper to guide management of intermediate-grade stenosis. Assessment of the functional significance of an intermediate coronary stenosis estimated from stress perfusion CMR should be corrected for perfusion changes in remote myocardium to improve both the correlation with FFR and the diagnostic accuracy to predict FFR  0.80 lesions.

Een juiste bepaling van de hemodynamische impact van een coronaire stenose is belangrijk omdat een heelkundig of niet-invasief herstel van een vernauwing (revascularisatie) zonder induceerbare myocardiale ischemie niet aangewezen is. Ongeveer twee derde van de zogenaamde intermediaire (diameter reductie van 40-70%) coronaire vernauwingen veroorzaken geen myocardiale ischemie; bij deze patiënten is een medicamenteuze therapie aangewezen. De techniek van de fractionele flowreserve (FFR; gebaseerd op intracoronaire drukmetingen) tijdens een hartkatheterisatie onderzoek, is de huidige klinisch aanvaarde standaard om een beslissing te nemen met betrekking tot revascularisatie. De doelstelling van dit proefschrift was: evalueren hoe recente ontwikkelingen in de niet-invasieve cardiale beeldvorming, waaronder coronaire CT angiografie (CCTA), niet-invasieve FFR metingen via CT (FFRCT) en stress myocardperfusie magnetische resonantie (MR) een alternatief kunnen vormen bij het bepalen van de optimale behandeling van intermediaire vernauwingen van de kransslagaders. In een eerste studie hebben we aangetoond dat de morfologische kwantificatie van coronaire stenosen en de anatomische kenmerken van atheroomplaques niet goed gecorreleerd zijn met de functionele ernst van een intermediaire vernauwing. Er was daarentegen wel een duidelijke correlatie tussen CCTA en de kwantitatieve coronaire angiografie (QCA) voor de anatomische bepaling van de minimale diameter van het lumen en van het percentage van de diameter vernauwing bij deze intermediaire vernauwingen. De beste voorspellers voor een coronaire vernauwing met FFR ≤ 0,80 zijn: een minimale lumen diameter ≤ 1,35 mm en een minimale lumen oppervlakte ≤ 2,3 mm2 voor CCTA en een minimale lumen diameter ≤ 1,1 mm voor QCA. In een overzichtsartikel hebben we de technologische en patiënt-gerelateerde factoren besproken die de CCTA beeldkwaliteit en de diagnostische waarde ervan negatief kunnen beïnvloeden. Mogelijke oplossingen om de CCTA artefacten te beperken worden er eveneens voorgesteld. De recente technologische vooruitgang heeft geleid tot een sterke verbetering van de scanbreedte, de ruimtelijke en de temporele oplossing en de contrastoplossing van een CT scanner. Door de voortdurende verbetering van de beeldkwaliteit bij de acquisitie en bewerking van de beelden verhoogt de diagnostische zekerheid. Tegelijkertijd is de veiligheid van de patiënt verbeterd door verschillende strategieën voor dosisreductie. Recente ontwikkelingen geven aan dat er nog verdere dosisverlagingen kunnen verwacht worden in de nabije toekomst. In een studie bij 200 patiënten met een tweede generatie 320-slice CT-scanner hadden we slechts in uitzonderlijke gevallen een beeldkwaliteit die niet bruikbaar was voor diagnose door bewegingsartefacten. Deze bewegingsartefacten waren vooral verbonden met de diameter van het betreffende bloedvat, terwijl hogere hartfrequenties een minder belangrijke weerslag hadden. Daarentegen bleven ernstige coronaire atheromateuze verkalkingen een belangrijke oorzaak van verminderde beeldkwaliteit, wat aangeeft dat de huidige ruimtelijke oplossing nog steeds niet voldoende is om de kleinere coronaire takken voldoende te beoordelen. Onze bevindingen hebben aangetoond dat de morfologische/anatomische parameters geen goede voorspellers waren van de functionele ernst van een intermediaire vernauwing, zelfs met de het gebruik van de meest recente scanner technologie. Aanvullende functionele evaluatie blijft noodzakelijk bij deze vernauwingen om de optimale therapie te bepalen. In het tweede deel van dit proefschrift onderzochten we de analyse van een intermediaire coronaire vernauwing door magnetische resonantie myocardperfusie stress test met adenosine (stress MR perfusie) en FFRCT. Stress MR perfusie analyse van een coronaire vernauwing houdt geen rekening met mogelijke perfusie veranderingen in het ‘normale’ myocard, in tegenstelling tot de invasieve FFR waarde van een coronaire stenose. Onze hypothese was dat de analyse van stress myocardperfusie MR bij een coronaire vernauwing gecorrigeerd moet worden voor de perfusie in het ‘normale’ myocard om een betere correlatie te bekomen met invasieve FFR. Zoals verwacht was er een verminderde myocardperfusie distaal van de coronaire vernauwing bij lagere invasieve FFR-waarden, terwijl eveneens een hogere myocardperfusie werd waargenomen in het ‘normale’ myocard. Het predictieve model na correctie voor de perfusie veranderingen in het ‘normale’ myocard leidde tot een hogere correlatie met de invasieve FFR waarde (0,73 versus 0,25; p <0,001) en tot een betere diagnostische accuraatheid om FFR ≤ 0,80 stenoses te bepalen (90% versus 73%; p = 0,05) in vergelijking met de analyse van de myocardperfusie distaal van een coronaire vernauwing. Dit model (na correctie voor de perfusie in het ‘normale’ myocard) verbeterde in vergelijking met visuele MR analyses de specificiteit tot 91% (tegen 85%) en diagnostische accuraatheid tot 90% (tegen 82%) om FFR ≤ 0,80 intermediaire stenosen te bepalen. Tenslotte bleek uit onze bevindingen dat stress myocardperfusie MR even gelijkwaardig en betrouwbaar was als FFRCT om de functionele ernst te voorspellen in 39 intermediaire coronaire stenoses. De invasieve FFR-waarde was even sterk gecorreleerd met FFRCT (r = 0.675, p <0.001) en met de stress MR perfusie analyse na correctie voor de perfusie veranderingen in het ‘normale’ myocard (r = -0.628; p <0.001) in deze studie, terwijl een slechte correlatie (r = 0,151; p = 0,36) werd waargenomen zonder deze correctie. Besluitend: De bepaling van de functionele ernst van een intermediaire coronaire stenose door middel van zowel stress myocardperfusie MR als FFRCT vertoont een goede correlatie met invasieve FFR metingen. Beide technieken kunnen gebruikt worden als een veilig, niet invasief alternatief voor de verdere behandeling van een intermediaire stenose. De evaluatie van de functionele ernst van een intermediaire coronaire vernauwing door stress MR perfusie moet echter wel gecorrigeerd worden voor de perfusie veranderingen in het ‘normale’ myocard.