Arq Bras Cardiol abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC hhthXqdXvsZQwxL7pv93G7d S0066-782X2023000700801 00801 10.36660/abc.20220762 Comunicação Breve Ressonância Magnética Cardíaca em Campo Magnético de 7 Tesla: Experiência Inicial com os Núcleos de Hidrogênio e do Sódio 0000-0003-4505-3344 Rochitte Carlos E. Concepção e desenho da pesquisa Análise e interpretação dos dados e Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante Redação do manuscrito 1 Silva Douglas C. Obtenção de dados Análise e interpretação dos dados e Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante Redação do manuscrito 1 Otaduy Maria C. Concepção e desenho da pesquisa 2 Chaim Khallil T. Concepção e desenho da pesquisa Obtenção de dados 2 Nomura Cesar H. Concepção e desenho da pesquisa Redação do manuscrito 1 Caramelli Bruno Concepção e desenho da pesquisa Redação do manuscrito 3 Hospital das Clínicas Faculdade de Medicina Universidade de São Paulo São Paulo SP Brasil Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Setor de Ressonância Magnética e Tomografia Computadorizada Cardiovascular do, São Paulo, SP – Brasil Hospital das Clínicas Faculdade de Medicina Universidade de São Paulo São Paulo SP Brasil Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Departamento de Radiologia e Oncologia do, São Paulo, SP – Brasil Hospital das Clínicas Faculdade de Medicina Universidade de São Paulo São Paulo SP Brasil Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Unidade de Medicina Interdisciplinar em Cardiologia, São Paulo, SP – Brasil Correspondência: Carlos E. Rochitte • Professor Livre-docente do Departamento de Cardiopneumologia da Faculdade de Medicina da USP – Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Av. Dr. Enéas de Carvalho Aguiar, 44, Andar AB. CEP 05403-000, Cerqueira Cesar, São Paulo, SP – Brasil E-mail: rochitte@incor.usp.br

Potencial conflito de interesse

Não há conflito com o presente artigo

 07 08 2023 2023 120 7 e20220762 17 10 2022 19 03 2023 10 05 2023 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Ressonância Magnética Cardíaca (RMC) Campo Ultra-alto (UHF) 7Tesla Imagem de sódio (23Na) FINEP PROINFRA 2014 FINEP 0080/16 Fontes de financiamento: O presente estudo foi financiado por FINEP: Edital PROINFRA 2014 – Inter validação da Tomografia de Coerência Óptica e da Ressonância Nuclear Magnética 7T Como Ferramenta de Caracterização de Tecidos Biológicos - 0080/16. Introdução

A integridade celular do tecido do miocárdio é uma informação crucial para avaliar a viabilidade do coração.1 A ressonância magnética cardíaca (RMC) é considerada o método padrão-ouro na análise funcional do coração e desempenha um papel essencial no diagnóstico de várias cardiomiopatias, incluindo infarto do miocárdio.2 Quando há uma falha no suprimento energético das células cardíacas, ocorre uma diminuição do fluxo sanguíneo em determinadas regiões, o que pode levar à morte celular. A ressonância magnética é capaz de avaliar a viabilidade do tecido cardíaco por meio da interação com os prótons presentes nesse tecido, sendo o núcleo de hidrogênio o mais comum para esse propósito.3

Nos últimos anos outro núcleo surgiu como possível marcador isquêmico do coração, o sódio. Trabalhos realizados em animais mostraram que a evolução do processo isquêmico tem correlação direta com o acúmulo de sódio intracelular.4 Neste processo isquêmico a função da bomba de sódio-potássio é comprometida gerando um desequilíbrio na concentração deste eletrólito,1 , 5 , 6 levando ao influxo de sódio para o meio intracelular. Os estudos sugerem também que a concentração de sódio está diretamente relacionada à extensão de lesão isquêmica.7 Resumidamente, a concentração do sódio é maior no meio extracelular na situação fisiológica normal, porém com a falha na função da bomba de sódio-potássio há um influxo de sódio para o meio intracelular tornando-se então, um potencial marcador para eventos isquêmicos no coração.1 , 5 , 6 , 8

A RMC usa núcleos de hidrogênio devido à alta disponibilidade e características físicas do próton único que constitui este núcleo. O sódio (23Na) começou a ser explorado como núcleo biomarcador em animais, mas apresentava algumas limitações, como a baixa concentração e características giromagnéticas, principalmente em equipamentos disponíveis para uso clínico de 1,5 e 3 Tesla (T).1 , 4 , 7 Com o advento de ressonâncias de ultra-alto campo, 4,7 e 7 T, essas limitações puderam ser mitigadas, expandindo ainda mais o potencial na avaliação do coração por ressonância magnética.2 , 4 , 7 , 8

Pesquisas comprovam a capacidade de avaliar a concentração de sódio ( Figura 1 ) e de obter imagens do sódio com maior resolução espacial, causada pelo maior campo magnético que gera maior sinal, permitindo então a reconstrução de imagens com maior definição anatómica.2 , 8 - 10 Outros estudos demonstraram as bases teóricas da possibilidade do uso clínico da imagem de sódio na avaliação do miocárdio em equipamento de 1,5 T.11 , 12 Rochitte et al. em 2000 demonstraram a correlação entre o acúmulo de sódio e necrose miocárdica em animais utilizando equipamento de 4,7 T.4 O estudo demonstrou também a correlação entre a viabilidade do tecido e a concentração de sódio, onde miócitos não viáveis demonstraram um acúmulo de sódio ( Figura 2 ). Em trabalho subsequente realizado no National Institute of Health, foram realizadas imagens de sódio de voluntários em equipamento de ressonância magnética de uso clínico de 3,0 T de campo magnético.1 Exemplos das imagens obtidas estão na Figura 3 .13

– Imagem de eixo longo do coração de voluntário humano, no plano 4 câmaras, adquirida em ressonância magnética de ultra-alto campo (7 Tesla), mostrando concentração de sódio no coração. Observa-se a concentração maior de sódio no sangue (branco) que no miocárdio (escuro).

– Imagem de sódio eixo curto do coração de cão em ressonância de 4,7 Tesla. Setas: 1. Ventrículo direito. 2. Ventrículo esquerdo. 3. Septo interventricular. (Arquivo Pessoal Rochitte et al.4).

– Imagem de sódio eixo curto do coração de voluntário humano em ressonância de 3 Tesla. Setas: 1. Ventrículo direito. 2. Ventrículo esquerdo. 3. Septo interventricular. (Arquivo pessoal Gai et al.13).

Atualmente, a utilização da RMC para análise da extensão de lesões isquêmicas do coração, utilizando o hidrogênio como núcleo gerador do sinal, demanda a utilização de contraste baseado em gadolínio a fim de realçar estruturas do coração e expor o espaço extracelular. O realce tardio do miocárdio com lesão definitiva acontece após 10 a 15 minutos.13 A vantagem das imagens de sódio se dá pela possibilidade de excluir a necessidade de utilização de contraste.4 Atualmente, trabalhamos com sequências de pulso específicas para análise de sódio ( Figura 4 ) modificadas para melhor visualização do sódio nos eixos cardíacos.

– Painel A) Imagem de sódio eixo curto do coração de voluntário humano em ressonância de 7 Tesla. Setas: 1. Cartilagem esternal, devido à grande quantidade de sódio vemos um hipersinal. 2. Ventrículo direito. 3. Ventrículo esquerdo. 4. Septo interventricular. Painel B) A mesma imagem com look-up table (LUT) colorida.

Métodos – pesquisa pioneira

Em toda a América Latina existe apenas um equipamento de alto campo magnético, o Magnetom 7T (Siemens Healthineers – GhMb), introduzido fundamentalmente para pesquisa e estudos de cadáveres na Plataforma de Imagem de Sala de Autopsia (PISA).9 Ao longo dos últimos anos, diversos projetos de pesquisas em várias áreas do conhecimento foram iniciados, inclusive em Cardiologia.

Atualmente, estudos focados em RMC fazem parte da rotina nas pesquisas do equipamento. Os protocolos ( Tabelas 1 e 2 ) que utilizam imagens de hidrogênio e sódio vêm sofrendo modificações com o objetivo de atingir a melhor qualidade das imagens com ambos os núcleos, uma vez que os exames de coração em campos de alta intensidade, como 7 T, traz inúmeros desafios. Entre os desafios de exames cardíacos em equipamento de alto campo são a sincronização com o ciclo cardíaco, artefatos de fluxo de sangue e homogeneidade do campo magnético.10 Após o período de ajustes de protocolos, notou-se a evolução na qualidade das imagens ( Figura 2 ), possibilitando o potencial uso clínico para os diagnósticos de cardiomiopatias. As imagens foram coletadas com bobinas específicas de 4 canais que podem sintonizar os 2 núcleos, sódio e hidrogênio, sem a necessidade de modificar a posição do paciente ou de qualquer troca de equipamento (bobina de dupla sintonia – dual tune 1H/23Na).

– Protocolo RMC 7T
Sequência TR (ms) TE (ms) Sequência de Pulso Trigger Slice Flip Angle SNR Tempo de aquisição
Hidrogênio 44,4 2,24 FLASH Pulso retro 8 mm 40* 1 0,35 min
Sódio 37 1,36 GRE Pulso retro 8 mm 112* 1 8,14 min

– Protocolo <bold>23</bold> Na detalhado RMC 7 Tesla
Sistema Rotina Contraste
N2 Ligado Slab 1 Preparação magn. Nenhuma
H3 Desligado Espessura de slice 8,00 mm Flip angle 112 graus
N3 Ligado TR 37,00 ms Supressão de gordura Nenhum
H4 Desligado TE 1,36 ms Restaurar magn. Desligado
N4 Ligado Médias 6 Modo de média Curto prazo
Modo de posicionamento FIX Concatenações 1 Reconstrução Magnitude
MSMA S - C - T Filtro Nenhuma Medidas 1
Sagital R >> L Elementos da bobina N1-4 Séries múltiplas Desligado
Coronal A >> P Slabs 1 Resolução
Transversal F >> H Slabs 1 Resolução base 80
Save uncombined Desligado Fator de dist. 0 Resolução fase 100%
Coil Combine Mode Soma dos quadrados Posição L16.9 A26.4 F23.7 Resolução slice 100%
AutoAlign --- Orientação T > S33,0 > C-26,6 Phase partial Fourier 06/ago
Auto Coil Select Default Fase enc. dir. A >> P Slice partial Fourier 06/ago
Modo shim Tune up Rotação 16,18 graus Trajetória Cartesiana
Tolerância de ajuste Volume de ajuste automático Auto Desligado Interpolação Desligado
! Posição L20.0 A21.0 F12.5 Fase oversampling 0 Modo PAT Nenhum
! Orientação Transversal Slice oversampling 0,00 % Filtro de imagem Desligado
! Rotação 0,00 graus Slices per slab 20
! R >> L 120 mm FoV leitura 256 mm
! A >> P 95 mm FoV fase 100,0 %
! F >> H 115 mm

Para a captação do sinal de ambos os núcleos também é necessária uma antena de radiofrequência, ou bobina de RF, dedicada (MRI.TOOLS GmbH). O PISA conta com um modelo híbrido, dedicado a ambos os núcleos e configurado de maneira dedicada ao Magnetom 7T. A antena é composta por duas faces, uma posterior e plana, outra anterior ligeiramente curvada para melhor posicionamento anatômico. Ambas as faces são compostas por 2 espirais semi-retangulares, o maior sendo responsável pela sintonia do 23Na e os menores pela sintonia do 1H. Durante a aquisição das imagens podemos alternar o elemento com o qual queremos trabalhar e assim gerar imagens de 1H ou 23Na.5 A antena de RF chegou ao PISA através do laboratório de investigação médica, com o objetivo de gerar imagens morfofuncionais. Atualmente, é uma configuração única em toda a América Latina.

Foram realizados 4 exames em voluntários com imagens de hidrogênio e de sódio ( Tabela 3 ). Para avaliação das imagens contamos com revisão e classificação da qualidade da imagem por médico experiente, sendo: 1 – prejudicada, 2 – aceitável, 3 – adequada e 4 – excelente. O cálculo da relação sinal-ruído (RSR) foi realizado no septo interventricular ( Figura 5 ) das imagens 23Na, seguindo um dos métodos presente nas diretrizes da National Electrical Manufacturers Association, RSR = sinal / desvio padrão (NEMA Standards Publication MS 1-2008 R2014, R2020 - Determination of Signal-to-Noise Ratio [SNR] in Diagnostic Magnetic Resonance Imaging).

– Voluntários para RMC com classificação da qualidade de imagem: 1 – prejudicada, 2 – aceitável, 3 – adequada, 4 – excelente. RSR = sinal / desvio padrão
Voluntários Data do estudo Idade (anos) Sexo Peso (kg) Altura (cm) QI RSR VE RSR Septo
V1 03/11/2020 31 Masc 82 184 2 19,00 6,40
V2 10/11/2020 47 Masc 94 188 3 9,72 20,40
V3 24/11/2020 29 Fem 64 170 3 15,00 36,60
V4 15/12/2020 35 Fem 61 172 4 19,79 11,94

QI: qualidade da imagem; RSR: relação sinal-ruído; VE: ventrículo esquerdo.

– A e B) Imagem de sódio eixo curto do coração de voluntário humano em ressonância de 7 Tesla. Na imagem A1) ROI* – RSR: 6,40 e ROIVE – RSR: 19,00. Na imagem B1) ROI* – RSR: 9.82 e ROIVE – RSR: 20,40. Imagem com look-up table (LUT) colorida. RSR = sinal / desvio padrão. O asterisco indica o septo interventricular. ROI: região de interesse; RSR: relação sinal-ruído; VD: ventrículo direito; VE: ventrículo esquerdo.

Imagens de sódio (23Na)

As primeiras impressões com esse tipo de exame mostraram que os desafios descritos pela literatura em ressonância cardíaca de ultra-alto campo são, de fato, fatores limitantes, especialmente nas imagens de sódio. Devido às características giromagnéticas e disponibilidade do sódio, chegamos a um complexo trabalho para manter a homogeneidade do campo magnético. Apesar das limitações e desafios, foi possível gerar imagens de sódio e hidrogênio com qualidade suficiente para a avaliação anatômica e concentração de sódio nas cavidades e músculo cardíaco. De forma qualitativa, vimos também uma relação de muito sinal no sangue, onde temos maior concentração de 23Na e pouco sinal no septo interventricular ( Figura 5 ), em comparação com situações normais.4 Com esta pesquisa, abrimos um leque de possibilidades para futuros trabalhos. Com uma amostragem maior de pacientes, poderemos validar o método para uso clínico e de pesquisa em humanos. Dentre as possíveis aplicações futuras para esta técnica, podemos citar a identificação de lesões miocárdicas preliminares ou incipientes, secundárias a agressões por medicamentos cardiotóxicos, isquemia, inflamação ou infecção. Novas imagens e mecanismos podem ser identificados para processos inflamatórios crônicos e progressivos, como os que ocorrem em processos autoimunes ou infecções crônicas. Apesar dos desafios inerentes à realização da RMC em 7 T, nosso trabalho demonstra que é possível gerar imagens utilizando hidrogênio para avaliar a anatomia cardíaca. Além disso, validamos que as imagens geradas com sódio podem ser correlacionadas com a anatomia do coração. Esse resultado abre caminho para estudos futuros e pode potencialmente facilitar a utilização clínica da RMC de ultra-alto campo.

 Referências 1. Graessl A, Ruehle A, Waiczies H, Resetar A, Hoffmann SH, Rieger J, et al. Sodium MRI of the Human Heart at 7.0 T: Preliminary Results. NMR Biomed. 2015;28(8):967-75. doi: 10.1002/nbm.3338. Graessl A Ruehle A Waiczies H Resetar A Hoffmann SH Rieger J et al Sodium MRI of the Human Heart at 7.0 T: Preliminary Results NMR Biomed 2015 28 8 967 975 10.1002/nbm.3338 2. Ibrahim EH, Arpinar VE, Muftuler LT, Stojanovska J, Nencka AS, Koch KM. Cardiac Functional Magnetic Resonance Imaging at 7T: Image Quality Optimization and Ultra-High Field Capabilities. World J Radiol. 2020;12(10):231-46. doi: 10.4329/wjr.v12.i10.231. Ibrahim EH Arpinar VE Muftuler LT Stojanovska J Nencka AS Koch KM Cardiac Functional Magnetic Resonance Imaging at 7T: Image Quality Optimization and Ultra-High Field Capabilities World J Radiol 2020 12 10 231 246 10.4329/wjr.v12.i10.231 3. Qureshi WT, Nasir UB. Principals and Clinical Applications of Magnetic Resonance Cardiac Spectroscopy in Heart Failure. Heart Fail Rev. 2017;22(4):491-9. doi: 10.1007/s10741-017-9611-x. Qureshi WT Nasir UB Principals and Clinical Applications of Magnetic Resonance Cardiac Spectroscopy in Heart Failure Heart Fail Rev 2017 22 4 491 499 10.1007/s10741-017-9611-x 4. Rochitte CE, Kim RJ, Hillenbrand HB, Chen EL, Lima JA. Microvascular Integrity and the Time Course of Myocardial Sodium Accumulation after Acute Infarction. Circ Res. 2000;87(8):648-55. doi: 10.1161/01.res.87.8.648. Rochitte CE Kim RJ Hillenbrand HB Chen EL Lima JA Microvascular Integrity and the Time Course of Myocardial Sodium Accumulation after Acute Infarction Circ Res 2000 87 8 648 655 10.1161/01.res.87.8.648 5. Boehmert L, Kuehne A, Waiczies H, Wenz D, Eigentler TW, Funk S, et al. Cardiorenal Sodium MRI at 7.0 Tesla Using a 4/4 Channel 1 H/23 Na Radiofrequency Antenna Array. Magn Reson Med. 2019;82(6):2343-56. doi: 10.1002/mrm.27880. Boehmert L Kuehne A Waiczies H Wenz D Eigentler TW Funk S et al Cardiorenal Sodium MRI at 7.0 Tesla Using a 4/4 Channel 1 H/23 Na Radiofrequency Antenna Array Magn Reson Med 2019 82 6 2343 2356 10.1002/mrm.27880 6. Lott J, Platt T, Niesporek SC, Paech D, Behl NGR, Niendorf T, et al. Corrections of Myocardial Tissue Sodium Concentration Measurements in Human Cardiac 23 Na MRI at 7 Tesla. Magn Reson Med. 2019;82(1):159-73. doi: 10.1002/mrm.27703. Lott J Platt T Niesporek SC Paech D Behl NGR Niendorf T et al Corrections of Myocardial Tissue Sodium Concentration Measurements in Human Cardiac 23 Na MRI at 7 Tesla Magn Reson Med 2019 82 1 159 173 10.1002/mrm.27703 7. Hillenbrand HB, Becker LC, Kharrazian R, Hu K, Rochitte CE, Kim RJ, et al. 23Na MRI Combined with Contrast-Enhanced 1H MRI Provides In Vivo Characterization of Infarct Healing. Magn Reson Med. 2005;53(4):843-50. doi: 10.1002/mrm.20417. Hillenbrand HB Becker LC Kharrazian R Hu K Rochitte CE Kim RJ et al 23Na MRI Combined with Contrast-Enhanced 1H MRI Provides In Vivo Characterization of Infarct Healing Magn Reson Med 2005 53 4 843 850 10.1002/mrm.20417 8. Resetar A, Hoffmann SH, Graessl A, Winter L, Waiczies H, Ladd ME, et al. Retrospectively-Gated CINE (23)Na Imaging of the Heart at 7.0 Tesla Using Density-Adapted 3D Projection Reconstruction. Magn Reson Imaging. 2015;33(9):1091-7. doi: 10.1016/j.mri.2015.06.012. Resetar A Hoffmann SH Graessl A Winter L Waiczies H Ladd ME et al Retrospectively-Gated CINE (23)Na Imaging of the Heart at 7.0 Tesla Using Density-Adapted 3D Projection Reconstruction Magn Reson Imaging 2015 33 9 1091 1097 10.1016/j.mri.2015.06.012 9. Marques F. A Morte Explica a Vida. Pesquisa Fapesp. 2015;229:15-21. Marques F A Morte Explica a Vida Pesquisa Fapesp 2015 229 15 21 10. Hock M, Terekhov M, Stefanescu MR, Lohr D, Herz S, Reiter T, et al. B0 Shimming of the Human Heart at 7T. Magn Reson Med. 2021;85(1):182-96. doi: 10.1002/mrm.28423. Hock M Terekhov M Stefanescu MR Lohr D Herz S Reiter T et al B0 Shimming of the Human Heart at 7T Magn Reson Med 2021 85 1 182 196 10.1002/mrm.28423 11. Parrish TB, Fieno DS, Fitzgerald SW, Judd RM. Theoretical Basis for Sodium and Potassium MRI of the Human Heart at 1.5 T. Magn Reson Med. 1997;38(4):653-61. doi: 10.1002/mrm.1910380420. Parrish TB Fieno DS Fitzgerald SW Judd RM Theoretical Basis for Sodium and Potassium MRI of the Human Heart at 1.5 T Magn Reson Med 1997 38 4 653 661 10.1002/mrm.1910380420 12. Lee RF, Giaquinto R, Constantinides C, Souza S, Weiss RG, Bottomley PA. A Broadband Phased-Array System for Direct Phosphorus and Sodium Metabolic MRI on a Clinical Scanner. Magn Reson Med. 2000;43(2):269-77. doi: 10.1002/(sici)1522-2594(200002)43:2<269::aid-mrm14>3.0.co;2-j. Lee RF Giaquinto R Constantinides C Souza S Weiss RG Bottomley PA A Broadband Phased-Array System for Direct Phosphorus and Sodium Metabolic MRI on a Clinical Scanner Magn Reson Med 2000 43 2 269 277 10.1002/(sici)1522-2594(200002)43:2<269::aid-mrm14>3.0.co;2-j 13. Gai ND, Rochitte C, Nacif MS, Bluemke DA. Optimized Three-Dimensional Sodium Imaging of the Human Heart on a Clinical 3T Scanner. Magn Reson Med. 2015;73(2):623-32. doi: 10.1002/mrm.25175. Gai ND Rochitte C Nacif MS Bluemke DA Optimized Three-Dimensional Sodium Imaging of the Human Heart on a Clinical 3T Scanner Magn Reson Med 2015 73 2 623 632 10.1002/mrm.25175

Vinculação acadêmica

Este artigo é parte de tese de doutorado de Douglas Carli Silvia pelo HCFMUSP/InRad - Ciências Radiólogicas.

Aprovação ética e consentimento informado

Este artigo não contém estudos com humanos ou animais realizados por nenhum dos autores.

Fontes de financiamento: O presente estudo foi financiado por FINEP: Edital PROINFRA 2014 – Inter validação da Tomografia de Coerência Óptica e da Ressonância Nuclear Magnética 7T Como Ferramenta de Caracterização de Tecidos Biológicos - 0080/16.

 Brief Communication Cardiac Magnetic Resonance Imaging in a 7 Tesla Magnetic Field: Initial Experience with Hydrogen and Sodium Nuclei 0000-0003-4505-3344 Rochitte Carlos E. Conception and design of the research Analysis and interpretation of the data and Critical revision of the manuscript for important intellectual content Writing of the manuscript 1 Silva Douglas C. Acquisition of data Analysis and interpretation of the data and Critical revision of the manuscript for important intellectual content Writing of the manuscript 1 Otaduy Maria C. Conception and design of the research 2 Chaim Khallil T. Conception and design of the research Acquisition of data 2 Nomura Cesar H. Conception and design of the research Writing of the manuscript 1 Caramelli Bruno Conception and design of the research Writing of the manuscript 3 Brasil Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Setor de Ressonância Magnética e Tomografia Computadorizada Cardiovascular do, São Paulo, SP – Brasil Brasil Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Departamento de Radiologia e Oncologia do, São Paulo, SP – Brasil Brasil Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Unidade de Medicina Interdisciplinar em Cardiologia, São Paulo, SP – Brasil Mailing Address: Carlos E. Rochitte • Professor Livre-docente do Departamento de Cardiopneumologia da Faculdade de Medicina da USP – Instituto do Coração (Incor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HCFMUSP) – Av. Dr. Enéas de Carvalho Aguiar, 44, Andar AB. Postal Code 05403-000, Cerqueira Cesar, São Paulo, SP – Brazil E-mail: rochitte@incor.usp.br

Potential conflict of interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

 Cardiac Magnetic Resonance (CMR) Ultra-high Field (UHF) 7 Tesla Sodium Image (23Na) Introduction

The cellular integrity of myocardial tissue is crucial information to evaluate the viability of the heart.1 Cardiac magnetic resonance imaging (CMR) is considered the gold standard method for functional analysis of the heart, and it plays an essential role in the diagnosis of several cardiomyopathies, including myocardial infarction.2 When there is a failure in the energy supply of heart cells, there occurs a decrease in blood flow in certain regions, which can lead to cell death. CMR can assess the viability of cardiac tissue by means of interaction with the protons present in this tissue, the hydrogen nucleus being the most common for this purpose.3

In recent years, another nucleus has emerged as a possible ischemic marker of the heart, namely, sodium. Studies carried out in animals have shown that the evolution of the ischemic process is directly correlated with the accumulation of intracellular sodium.4 In this ischemic process, the function of the sodium-potassium pump is compromised, generating an imbalance in the concentration of this electrolyte,1 , 5 , 6 leading to influx of sodium into the intracellular environment. Studies also suggest that sodium concentration is directly related to the extent of ischemic injury.7 Sodium concentration is higher in the extracellular environment in normal physiological situations, but with failure in the function of the sodium-potassium pump, there is an influx of sodium into the intracellular environment, thus making it a potential marker for ischemic events in the heart.1 , 5 , 6 , 8

CMR uses hydrogen nuclei due to the high availability and physical characteristics of the single proton that constitutes this nucleus. Sodium (23Na) began to be explored as a core biomarker in animals, but it showed some limitations, such as low concentration and gyromagnetic characteristics, mainly in equipment available for clinical use at 1.5 and 3 Tesla (T).1 , 4 , 7 With the advent of ultra-high-field resonance at 4.7 and 7 T, these limitations could be mitigated, further expanding the potential of CMR.2 , 4 , 7 , 8

Research has demonstrated that it is possible to assess sodium concentration ( Figure 1 ) and obtain sodium imaging with greater spatial resolution, due to the greater magnetic field that generates a higher signal, thus allowing the reconstruction of images with greater anatomical definition.2 , 8 - 10 Other studies have demonstrated the theoretical bases for the possibility of clinical use of sodium imaging in the assessment of the myocardium using 1.5 T equipment.11 , 12 In 2000, Rochitte et al. demonstrated a correlation between sodium accumulation and myocardial necrosis in animals using 4.7 T equipment.4 The study also demonstrated the correlation between tissue viability and sodium concentration, where non-viable myocytes demonstrated an accumulation of sodium ( Figure 2 ). In subsequent research carried out at the National Institute of Health, sodium imaging of volunteers was performed in magnetic resonance equipment for clinical use with a 3.0 T magnetic field.1Figure 3 displays examples of the images obtained.13

– Long-axis imaging of the heart of a human volunteer, in the 4-chamber view, acquired in ultra-high-field magnetic resonance imaging (7 Tesla), showing sodium concentration in the heart. A higher concentration of sodium was observed in the blood (white) than in the myocardium (dark).

– Short-axis sodium imaging of the heart of a dog at 4.7 Tesla. Arrows: 1. Right ventricle. 2. Left ventricle. 3. Interventricular septum. (Personal archive of Rochitte et al. <xref ref-type="bibr" rid="B4"><sup>4</sup></xref> ).

– Short-axis sodium imaging of the heart of a human volunteer at 3 Tesla. Arrows: 1. Right ventricle. 2. Left ventricle. 3. Interventricular septum. (Personal archive Gai et al. <xref ref-type="bibr" rid="B13"><sup>13</sup></xref> ).

Currently, the use of CMR to analyze the extent of ischemic heart lesions, with hydrogen as the signal-generating nucleus, requires the use of gadolinium-based contrast to enhance heart structures and reveal the extracellular space. Delayed enhancement of the myocardium with definitive damage occurs after 10 to 15 minutes.13 The advantage of sodium imaging is that it makes it possible exclude the need for contrast.4 Currently, we work with specific pulse sequences for sodium analysis ( Figure 4 ), modified for better visualization of sodium in the cardiac axes.

– Panel A) Short-axis sodium imaging of the heart of a human volunteer at 7 Tesla. Arrows: 1. Sternal cartilage; due to the large amount of sodium, a hypersignal is observed. 2. Right ventricle. 3. Left ventricle. 4. Interventricular septum. Panel B) The same image with color look-up table.

Methods – pioneering research

In all of Latin America, the Magnetom 7T (Siemens Healthineers – GhMb) is the only high magnetic field equipment; it was essentially introduced for cadaver studies and research in the Autopsy Room Imaging Platform (PISA, acronym in Portuguese).9 Over the past few years, diverse research projects in various areas of knowledge have been initiated, including cardiology.

Currently, studies focusing on CMR are part of the routine in research with this equipment. The protocols ( Tables 1 and 2 ) that use hydrogen and sodium imaging have undergone modifications with the objective of achieving the best image quality with both nuclei, given that cardiac exams in high-intensity fields, such as 7 T, pose numerous challenges. The challenges of cardiac examinations in high-field equipment include synchronization with the cardiac cycle, blood flow artifacts, and homogeneity of the magnetic field.10 After the period of protocol adjustments, an evolution in the image quality was observed ( Figure 2 ), allowing the potential clinical use for diagnosing cardiomyopathies. Images were acquired with specific 4-channel coils that can tune both nuclei, sodium and hydrogen, without needing to modify the patient’s position or change equipment (dual-tune1H/23Na coil).

– Protocol for cardiac magnetic resonance imaging at 7 Tesla
Sequence TR (ms) TE (ms) Pulse sequence Trigger Slice Flip Angle SNR Acquisition time
Hydrogen 44.4 2.24 FLASH Retro pulse 8 mm 40* 1 0.35 min
Sodium 37 1.36 GRE Retro pulse 8 mm 112* 1 8.14 min

– Detailed protocol for <bold>23</bold> Na cardiac magnetic resonance imaging at 7 Tesla
System Routine Contraste
N2 On Slab 1 Magn. Preparation None
H3 Off Slice thickness 8.00 mm Flip angle 112 deg
N3 On TR 37.00 ms Fat suppr. None
H4 Off TE 1.36 ms Restore magn. Off
N4 On Averages 6 Averaging mode Short term
Positioning mode FIX Concatenations 1 Reconstruction Magnitude
MSMA S - C - T Filter None Measurements 1
Sagittal R >> L Coil elements N1-4 Multiple series Off
Coronal A >> P Slabs 1 Resolution
Transversal F >> H Slabs 1 Base resolution 80
Save uncombined Off Dist. factor 0 Phase resolution 100%
Coil Combine Mode Sum of Squares Position L16.9 A26.4 F23.7 Slice resolution 100%
AutoAlign --- Orientation T > S33.0 > C-26.6 Phase partial Fourier 06/ago
Auto Coil Select Default Phase enc. dir. A >> P Slice partial Fourier 06/ago
Shim mode Tune up Rotation 16.18 deg Trajectory Cartesian
Adjustment Tolerance Auto Adjust volume Auto Off Interpolation Off
! Position L20.0 A21.0 F12.5 Phase oversampling 0 PAT mode None
! Orientation Transversal Slice oversampling 0.0 % Image Filter Off
! Rotation 0.00 deg Slices per slab 20
! R >> L 120 mm FoV read 256 mm
! A >> P 95 mm FoV phase 100.0 %
! F >> H 115 mm

To obtain the signal of both nuclei, a dedicated radiofrequency antenna or coil (MRI.TOOLS GmbH) is also necessary. PISA has a hybrid model, dedicated to both nuclei and configured specifically for Magnetom 7T. The antenna is composed of 2 faces, one posterior and flat and another anterior slightly curved for better anatomical positioning. Both faces are composed of 2 semi-rectangular spirals, the larger being responsible for23Na tuning and the smaller for1H tuning. During image acquisition, we can alternate the element with which we wish to work and thus generate1H or23Na images.5 The radiofrequency antenna first arrived at PISA through the medical research laboratory, with the objective of generating morphofunctional images. Currently, it is the only configuration of its type in all of Latin America.

We performed 4 exams on volunteers with hydrogen and sodium imaging ( Table 3 ). To evaluate the images, we relied on review and classification of image quality by an experienced doctor, as follows: 1 – impaired, 2 – acceptable, 3 – adequate, and 4 – excellent. The calculation of the signal-to-noise ratio (SNR) was performed in the interventricular septum ( Figure 5 ) of the23Na images, following one of the methods present in the guidelines of the National Electrical Manufacturers Association, where SNR is equal to signal divided by standard deviation (NEMA Standards Publication MS 1-2008 R2014, R2020 - Determination of Signal-to-Noise Ratio [SNR] in Diagnostic Magnetic Resonance Imaging).

– Volunteers for cardiac magnetic resonance imaging with classification of image quality: 1 – impaired, 2 – acceptable,3 – adequate, 4 – excellent. SNR calculated using the following equation: SNR = signal / standard deviation
Volunteers Study date (day/month/year) Age (years) Sex Weight (kg) Height (cm) IQ SNR LV SNR Septum
V1 03/11/2020 31 Male 82 184 2 19.00 6.40
V2 10/11/2020 47 Male 94 188 3 9.72 20.40
V3 24/11/2020 29 Female 64 170 3 15.00 36.60
V4 15/12/2020 35 Female 61 172 4 19.79 11.94

IQ: image quality; LV: left ventricle; SNR: signal-to-noise ratio.

– A and B) Short-axis sodium imaging of the heart of a human volunteer at 7 Tesla. In image A1) ROI* – SNR: 6.40 and ROI LV – SNR: 19.00. In image B1) ROI* – SNR: 9.82 and ROI LV – SNR: 20.40. Image with color look-up table. SNR calculated using the following equation: SNR = signal / standard deviation. The asterisk indicates the interventricular septum. LV: left ventricle; ROI: region of interest; RV: right ventricle; SNR: signal-to-noise ratio.

Sodium imaging (23Na)

The initial impressions with this type of exam have shown that the challenges described in the literature regarding ultra-high-field CMR are, in fact, limiting factors, especially in sodium imaging. Due to the gyromagnetic characteristics and sodium availability, we face the complex task of maintaining the homogeneity of the magnetic field. Despite the limitations and challenges, it was possible to generate sodium and hydrogen images with sufficient quality for anatomical assessment and sodium concentration in the cardiac chambers and muscle. Qualitatively, we also observed a relationship with a high signal in the blood, where there is a higher concentration of23Na, and little signal in the interventricular septum ( Figure 5 ), compared to normal situations.4 This research has opened a range of possibilities for future studies. With a larger sample of patients, we will be able to validate the method for clinical use and research in humans. The possible future applications for this technique include the identification of preliminary or incipient myocardial lesions, secondary to injury due to cardiotoxic medications, ischemia, inflammation, or infection. New images and mechanisms may be identified for chronic and progressive inflammatory processes, such as those that occur in autoimmune processes or chronic infections. Despite the challenges inherent in performing CMR at 7 T, our study has demonstrated that it is possible to generate images using hydrogen to assess cardiac anatomy. Furthermore, we have confirmed that images generated with sodium can be correlated with the anatomy of the heart. This result paves the way for future studies and potentially facilitates the clinical use of ultra-high-field CMR.

Study association

This article is part of the thesis of doctoral submitted by Douglas Carli Silvia, from HCFMUSP/InRad - Ciências Radiólogicas.

Ethics approval and consent to participate

This article does not contain any studies with human participants or animals performed by any of the authors.

Sources of funding: This study was funded by FINEP: Edital PROINFRA 2014 – Inter validação da Tomografia de Coerência Óptica e da Ressonância Nuclear Magnética 7T Como Ferramenta de Caracterização de Tecidos Biológicos - 0080/16.