Studio morfo-funzionale RM del miocardio

Marco Francone, Matteo Mangia, Ilaria Iacucci, Federica Vasselli, Roberto Passariello

Università degli Studi di Roma,“La Sapienza” .

Dipartimento di Scienze Radiologiche, Policlinico Umberto I

Riassunto

Grazie alla disponibilità di magneti con gradienti altamente perforamenti e con aumentata velocità di risalita ed allo sviluppo di nuove sequenze “veloci, l’imaging non invasivo con Risonanza Magnetica del cuore e delle arterie coronarie (RMC: risonanza magnetica cardiaca) ha subito negli ultimi dieci anni una vera e propria rivoluzione.

Da una parte l’impatto epidemiologico delle malattie cardiovascolari e delle cardiopatia ischemica e dall’altra la possibilità di offrire con approccio non invasivo (non radiazioni ionizzanti né mezzi di contrasto organo-iodati), in un unico esame ed altamente riproducibile (non operatore dipendenza)  una valutazione sia di tipo morfologico che funzionale hanno in buona parte contribuito all’enorme attenzione suscitata da parte del mondo scientifico verso la RMC.

La RMC ha infatti la potenzialità tecnica di fornire informazioni sulla morfologia cardiaca e sulla funzione ventricolare, nonché di acquisire informazioni di tipo qualitativo e quantitativo sul flusso transvalvolare e a livello dei grossi vasi toracici, di analizzare la cinesi regionale dei segmenti ventricolari e di osservare la deformazione e i meccanismi di contrazione della parete miocardica con diverse tecniche di acquisizione.

Lo scopo di questo lavoro di revisione è fornire una panoramica sullo stato dell’arte di questa metodica e di tutte le sue applicazioni tecniche nello studio morfo-funzionale del cuore.

Risonanza magnetica cardiaca, funzione diastolica e sistolica, cinesi globale, contrattilità miocardica, caratterizzazione morfologica del miocardio.

Summary

Clinical interest towards cardiac MRI have significantly improved over the last few years due the great potentials of the method in this field allowing a combined approach of accurate functional assessment and morphological evaluation of both myocardium and cardiac chambers in various clinical settings.

The CMRI (Cardiac Magnetic Resonance Imaging) modality has the technical possibilities and potentialities to provide information about cardiac morphology and ventricular function, and to acquire qualitative and quantitative information about transvalvular flow, to analyze the local chynesis of the ventricular segments, the deformation and mechanisms of contraction of the myocardial wall with different techniques.

Since ‘90 this modality is considered the diagnostic gold standard in studying heart and its function, for its reproducibility, its accuracy, its high contrast and spatial resolution, its non-operator dependence and for its possibility to make a tridimensional study.

The aim of this work is to give a panoramic view of the state of the art of this modality  and all of its technical applications in the morpho-functional study of the heart.

Cardiac Magnetic Resonance, diastolic and systolic function, global contractility, morphological myocardial characterization

Funzionalità cardiaca in RM

Introduzione

La funzione ventricolare rappresenta un’importante strumento clinico per la valutazione dei pazienti cardiopatici in quanto l’attività di pompa risulta alterata o compromessa nella gran parte delle pazienti con patologia cardiaca e l’entità della disfunzione rappresenta utile parametro per stimare la severità della malattia, sviluppare una strategia di intervento adeguata e, conseguentemente, dare la possibilità di un recupero funzionale.(1,2)

Le potenzialità delle tecniche di imaging RM nello studio della fisiologia e della fisiopatologia della pompa cardiaca erano già evidenti dalla metà degli anni ’80, e da circa un decennio la metodica viene considerata il gold standard diagnostico, sia in termini di riproducibilità sia di accuratezza (accuratezza 98%), per lo studio del cuore e della sua funzionalità grazie all’elevata risoluzione di contrasto, alla sufficiente risoluzione spaziale, alla riproducibilità della metodica, alla non operatore-dipendenza (variabilità intra ed inter-operatore rispettivamente r: 0,92-0,99 ed r: 0,87-0,98) e alla possibilità di effettuare la valutazione con uno studio tridimensionale.

Le più avanzate tecniche di CMRI (Cardiac Magnetic Resonance Imaging) permettono inoltre di acquisire informazioni di tipo qualitativo e quantitativo sul flusso sanguigno transvalvolare ed a livello dei grossi vasi toracici, di analizzare la cinesi regionale dei segmenti ventricolari e di osservare la deformazione e i meccanismi di contrazione della parete miocardia con diverse tecniche di acquisizione.(6)

Sequenze utilizzate in RM e piani di scansione

Uno dei parametri fondamentali dell’imaging funzionale cardiaco con RM è il tempo di acquisizione dell’immagine.

Benché le sequenze Spin Echo e derivate possano essere teoricamente utilizzate per quantificare volumi ventricolari e massa cardiaca, esse presentano dei limiti rilevanti di risoluzione temporale in tale applicazione che derivano dalla necessità di acquisire le immagini con approccio breath hold single slice (singola fetta per apnea del paziente) ed impossibilità di valutare le camere ventricolari nelle diverse fasi del ciclo e quindi di quantificare con accuratezza cinesi regionale e globale.

Per tale motivo, l’approccio  con sequenze Spoiled Gradient Echo (SPGR) ultraveloci tipo fast low angle single-shot (FLASH) o fast field echo (FFE) acquisite con tecnica breath hold rappresenta quello più utilizzato e consente di superare molte delle limitazioni delle sequenze SE e TSE.

L’utilizzo di tempi di ripetizione (TR) estremamente ridotti (35-40 ms) e di bassi valori di flip angle ed il riempimento di multiple linee dello spazio k per ciclo cardiaco (approccio “segmented”) consente infatti di ottenere multiple immagini in loop delle camere cardiache durante in ciclo durante un tempo di apnea massimo di 15-20 secondi e quindi di quantificare non solamente i volume ma anche la funzione regionale. L’utilizzo di multipli impulsi di eccitazione satura il segnale dei tessuti stazionari mentre il sangue mantiene elevato segnale a causa del continuo ricambio di protoni non saturati all’interno delle camere cardiache.

Come risultano con un massimo di 8-12 apnee è possibile coprire l’intero volume ventricolare dalla base all’apice utilizzando uno spessore di strato di 8-10 mm senza gap tra le singole fette.

Le sequenze SSFP  presentano il vantaggio rispetto alle Gradient Echo tradizionali di una maggiore risoluzione di contrasto con possibilità di differenziare in modo più accurato il versante subendocardico dalla cavità ventricolare e quindi di valutare la cinesi regionale..

L’anatomia del cuore viene valutata secondo piani paralleli all’asse lungo del cuore (una linea che unisce l’apice cardiaco e il punto medio del piano mitralico) e secondo i piani in asse corto (sequenze di immagini orientate ortogonalmente al setto e all’asse lungo), quest’ultimo considerato il miglior modo per verificare lo spessore di 16 dei 17 segmenti del ventricolo sinistro (American Heart Association).

Il diciassettesimo segmento, quello apicale, viene meglio osservato nella visione in asse lungo orizzontale.

L’acquisizione di uno scout coronale è la prima tappa del protocollo per ottenere dati quantitativi sulle camere ventricolari. Partendo da ciò, ci si posiziona a metà dell’ombra cardiaca e si ottiene una sequenza di immagini sul piano assiale. Dopodichè si identifica il piano che unisce l’apice cardiaco al punto medio del piano valvolare mitralico sfruttando l’immagine telediastolica del suddetto ciclo; si ottiene in questo modo la sequenza dinamica in asse lungo verticale (due camere cardiache). Dall’immagine telediastolica in asse lungo verticale si individua il piano che unisce il punto medio del piano mitralico e l’apice cardiaco, in modo da ottenere un’altra sequenza dinamica a quattro camere, ossia l’asse lungo orizzontale. Le immagini in asse lungo orizzontale sono il punto di riferimento per ottenere le sequenze in asse corto ventricolare. Partendo dall’immagine telediastolica, si individua il piano che unisce apice cardiaco e punto medio del piano valvolare mitralico, e si posizionano gli assi corti in orientamento ortogonale a tale asse, partendo dal solco atrio-ventricolare fino all’apice. In alternativa si può sfruttare l’asse lungo verticale con lo stesso meccanismo (figura 1).

La funzionalità globale e la contrattilità regionale, vengono analizzate mediante sequenze in cine-RM. Queste sequenze permettono di acquisire più fasi cardiache di uno stesso strato che, montate in sequenza, danno come risultato un filmato che dimostra la cinesi miocardica, eventuali turbolenze del flusso e individua accuratamente zone di discinesia, acinesia, bulging o aneurismi.

Si tratta di sequenze che hanno bisogno di una buona cardiosincronizzazione e con le quali si ottengono anche 30 fasi cardiache dello stesso strato, in quanto il sistema rimane più tempo sulla stessa fetta.(5)

Figura 1: Piani anatomici di scansione per lo studio del cuore in Risonanza Magnetica ottenuti con sequenze SSFP.

a. Tracciando un piano perpendicolare alla scout iniziale coronale si ottiene una immagine trasversale pura.

b: Parallelo al setto interventricolare dalla scout: Si ottiene una Due Camere o Asse Lungo Verticale

c. Dalla 2 Camere si fa un piano passante tra valvola mitrale ed apice cardiaco e si ottiene una 4 Camere o Asse Lungo Orizzontale

d: Dalla 4 Camere si fa un piano perpendicolare al setto e si

ottiene una immagine in Asse Corto (e)

Funzione sistolica e cinesi globale

Nel calcolo del volume ventricolare con le sequenze Steady State Free Precession (SSFP) l’uso di modelli non geometrici permette di sfruttare l’insieme dei dati tridimensionali  delle immagini di cine-RM: vengono acquisite 8-12 sezioni in asse corto dello spessore di 8-10 mm e con un intervallo di 0-4 mm che comprendano l’intero ventricolo dalla base all’apice.(7) Per ogni sezione si delinea il bordo dell’endocardio in modo da ottenere l’area della sezione considerata, il cui volume si ricava una volta stabilitone lo spessore. La somma dei volumi delle singole sezioni, darà il volume ventricolare totale in ESV ed in EDV a seconda della scelta delle immagini corrispondenti alla telesistole  e alla telediastole. Da questi volumi si ricavano lo stroke volume e l’EF.(4)

E’ molto importante in questo studio delineare precisamente i bordi endocardici: strutture anatomiche come i muscoli papillari e le trabecole muscolari hanno un impatto importante sulla massa ed il volume della cavità ventricolare, per questo, anche se non c’è una regola precisa che detta l’inclusione o meno dei muscoli papillari nella massa o nel volume cavitario, è consigliabile considerare tali strutture nella massa miocardica nel caso di pazienti con malattie ipertensive o cardiomiopatie ipertrofiche, in quanto gli stessi muscoli papillari risultano ipertrofici.

I calcoli con modelli non geometrici tuttavia, se non supportati da software sufficientemente avanzati, possono diventare dispendiosi in termini di tempo. (9)(Figura2)

Figura 2: Calcolo della cinesi globale e della massa miocardica del ventricolo sinistro utilizzando software dedicato: sequenze SSFP in asse corto.

I volumi telediastolico e telesistolico e la massa ventricolare possono essere facilmente calcolati dall’asse corto tracciando il bordo endocardico ed epicardio nelle immagini in fase telesitolica (a) e telediastolica (b)in tutti i piani di scansione dalla base all’apice del ventricolo sinistro.

Contrattilità regionale

Lo studio delle anomalie cinetiche investe un ruolo di fondamentale importanza, in quanto esse rappresentano un punto cruciale nella cascata degli eventi ischemici.

Un’acinesia o una discinesia infatti, sono un marker precoce e sensibile di danno, che possono tuttavia lasciare invariata la funzione globale. E’ importante quindi lo sviluppo di una tecnica che permetta una valutazione selettiva della contrattilità delle varie zone del miocardio. La tecnica tagging rappresenta un aspetto affascinante  nell’imaging cardiaco. Con questa tecnica si invia un impulso di presaturazione, che crea una griglia di linee di saturazione del segnale che marcano il miocardio (Figura 3). La rotazione, la deformazione e il movimento di queste linee permette di seguire e valutare la cinesi del miocardio nei vari strati anatomici e in varie fasi del ciclo cardiaco.(3)

Figura 3: Esempio di Tagging con RM: viene creata una griglia di linee di saturazione del segnale che marcano il muscolo cardiaco. Si valuta poi la deformazione, la rotazione e la distorsione delle griglie durante il ciclo cardiaco.

Funzione diastolica

La RM apre nuove frontiere anche allo studio della funzione diastolica, in quanto l’insufficienza di tale funzione è stata rivalutata e la sua rilevanza come manifestazione precoce di scompenso e indice prognostico sfavorevole ha assunto un significato importante nella pratica clinica.(8)

Processi di rilasciamento e riempimento sufficienti a garantire una portata cardiaca idonea alle richieste metaboliche dell’organismo definiscono la funzione diastolica normale. Le sequenze “Phase Contrast” o “Flow Velocity Mapping” permettono di studiare tale funzione mediante un’analisi della velocità e del volume del flusso transmitralico (FIGURA 5). Questo step viene raggiunto attraverso l’uso di “mappe parametriche”, in cui vengono registrate velocità e direzione media di ciascun protone e, in base a tali parametri vengono attribuiti valori corrispondenti ad una scala di grigi. Sulla base del grigio ottenuto, si applica l’equazione modificata di Bernoulli ( P=4r² ) e si ottengono i valori pressori.

Posizionandosi ortogonalmente al flusso ematico si ricavano importanti parametri, quali la velocità del picco precoce, quella di picco atriale e il rapporto tra esse, l’intervallo tra picco precoce (riempimento ventricolare rapido) e diastasi ( riempimento ventricolare lento), antecedenti il picco striale.(10)(figura 5).

 Figura 5 : Sequenze VENC (velocity encoded cine MR) acquisite in asse corto.

Le sequenze più accurate per valutare la funzione diastolica sono le VENC che si basano sulla quantificazione delle velocità del protoni attraverso il piano valvolare mediante l’applicazione di un campo magnetico aggiuntivo ad una sequenze GRE per cui gli spin che si muovono lungo il gradiente di campo magnetico accumulano un gap nella loro fase di rotazione rispetto agli spin fermi e tale gap è proporzionale alla velocità degli spin stessi.

Ad ogni protone in movimento viene attribuita un diverso colore nella scala dei grigi a seconda che sia in avvicinamento (bianco) o allontanamento rispetto al piano di scansione (nero)

Studio morfologico:

 Introduzione

Lo studio morfologico del miocardio, è di fondamentale importanza per evidenziare l’eventuale presenza di aree diverse dal tessuto muscolare. Per esempio, nella displasia aritmogena può essere presente una sostituzione del miocardio del ventricolo destro con tessuto adiposo. La metodica risulta fondamentale nella localizzazione di masse cardiache, permettendo di individuare la relazione e l’eventuale coinvolgimento delle strutture anatomiche adiacenti, come vasi e pericardio. La disponibilità e l’utilizzo di una metodica di imaging quale la Risonanza Magnetica (RM) in grado di offrire la possibilità di differenziare tra un segmento miocardico infartuato (“non viable”) ed uno disfunzionale ma vitale (“dysfunctional but viable”)e potenzialmente salvabile dopo attacco cardiaco è di cruciale importanza per un migliore inquadramento diagnostico di pazienti con cardiopatia ischemica. Importanza notevole assume anche la possibilità di caratterizzare le aree di miocardio edematoso, distinguendo le patologie acute da quelle croniche, . La valutazione delle malattie congenite del cuore è una delle principali implicazioni della RM, soprattutto per la cardiologia pediatrica.(11,12)

Sequenze utilizzate per lo studio di vitalità miocardica

Grazie alla sua non-invasività (non radiazioni ionizzanti né mdc iodati), alla elevata risoluzione spaziale e di contrasto ed alla riproducibilità dell’esame, la RM rappresenta la strumento diagnostico più completo per lo studio della per fusione e della vitalità miocardica; ((13)

L’impiego del mezzo di contrasto è di cruciale importanza nella ricerca di aree di necrosi cellulare: la molecola più adatta per questa finalità, in quanto dotata di una affinità per tessuti ricchi di calcio, è il Gadolinio chelato con diversi agenti quali il DTPA (acido dietilenetriamino-pentaacetico) o il BOPTA (gadobenato dimeglumina) (14)

Questo agente si accumula a livello miocardico e viene eliminato tardivamente dal miocardio necrotico rispetto al tessuto vitale ( fenomeno del delayed enhancement o potenziamento tardivo) .

 Il volume di distribuzione può aumentare a causa dell’edema interstiziale e dell’eventuale rottura della membrana cellulare del miocardiocita dopo ischemia prolungata, che provoca l’ingresso del mezzo di contrasto nello spazio intracellulare.(15)

Alcuni studi sostengono che la rottura del sarcolemma dei miociti necrotici alteri la cinetica di distribuzione del Gd  aumentando i tempi di ingresso ed uscita della molecola dalla cellula, e che questo fenomeno sia alla base della stretta correlazione esistente tra necrosi cellulare acuta ed enhancement ritardato.(16) (figura 4)

La metodica che ad oggi ha trovato una maggiore applicazione pratica è la DE-IR (Delayed-contrast Enhancement Inversion Recovery) che permette di distinguere nettamente il tessuto necrotico dal tessuto circostante; questa tecnica ha un elevato rapporto contrasto-rumore (Contrast to Noise, CNR), maggiore rispetto alle altre sequenze.(figura4)

Figura 4:

La sequenza utilizzata per il DE è una Fast gradient echo inversion recovery (GRE IR) in cui un impulso iniziale d’inversione a 180° aumenta notevolmente la pesatura in T1 delle immagini. L’acquisizione avviene in diastole; è importante definire attentamente il tempo di ritardo dell’impulso di inversione o TI, definito come il tempo intercorrente tra l’applicazione dell’impulso a 180° e l’acquisizione nel centro del k-spazio. Ciò viene fatto basandosi sul concetto che per ottimizzare la differenza tra miocardio normale e patologico, in termini di intensità di segnale, bisogna scegliere il TI che annulla il segnale proveniente dal miocardio sano.

Il tempo ottimale per l’acquisizione delle immagini è 10-20 min dopo la somministrazione del mezzo di contrasto in quanto il T1 del miocardio necrotico è il più breve in assoluto e ciò lo rende “brillante”  rispetto al miocardio sano (“bright is dead”). (17)

Studio della perfusione miocardica.

Lo studio di perfusione miocardica con RM è un esame dinamico si basa sulla visualizzazione della distribuzione nel tempo del bolo di mdc paramagnetico durante il primo passaggio a livello miocardico dopo somministrazione ev.

Requisiti tecnici indispensabili per effettuare uno studio di perfusione con RM sono una elevata risoluzione temporale delle sequenze utilizzate  (<1 sec) per la possibilità di valutare la distribuzione nel tempo del mdc paramagnetico a livello del miocardio ventricolare sinistro acquisendo un numero minimo di 3-5 immagini per battito cardiaca, la disponibilità magneti ad alta intensita’ di campo (1-1,5 T) e di bobine cardio-dedicate in grado di fornire immagini dall’ alto dettaglio anatomico e con elevato rapporto segnale/rumore.(18)

È indispensabile quindi l’impiego di sequenze veloci (fast gradient-echo, GE, echo-planar imaging, EPI, parallel imaging).

Le fast-GRE presentano un impulso di inversione a 180° e quindi risultano essere sequenze fortemente T1 pesate; presentano dunque un TI che viene scelto in modo tale da annullare il segnale proveniente dal tessuto miocardico. Dopo il ritardo sono emessi gli impulsi a radiofrequenza che inducono un piccolo flip angle (15° circa) rendendo possibile una rapida acquisizione delle immagini.

Con le sequenze EPI tutte le linee componenti la matrice dei dati grezzi (k-spazio) è ottenuta mediante il rilascio di un singolo impulso a radiofrequenza. Inoltre viene applicato un gradiente di campo magnetico rapidamente alternante dopo un singolo impulso RF, consentendo di acquisire tutti i dati per la formazione dell’immagine in una singola misurazione.

L’approccio più diffuso nello studio di primo passaggio è la valutazione qualitativa visuale del fenomeno.

Si ottengono immagini del cuore in asse corto del ventricolo sinistro a partire da un asse lungo orizzontale. Si preferisce acquisire a tre livelli lungo un asse ideale che va dal piano valvolare mitralico all’apice del ventricolo sinistro. Si acquisiscono prima delle immagini pre-contrasto e poi,  possibilmente in apnea, durante il passaggio del mezzo di contrasto precedentemente iniettato alla velocità di 3-5 ml/sec ( si impiegano di solito basse quantità: 0.05-0.075 mmol/kg di peso corporeo).

Un difetto di perfusione miocardica si manifesta come una regione di mancato enhancement del tessuto miocardico durante il primo passaggio del mezzo di contrasto attraverso il miocardio, dopo la comparsa di questo in cavità ventricolare.(19)

Sequenze STIR

La sequenza di impulsi short tau inversion recovery è una particolare forma di sequenza di impulsi inversion recovery.

L’applicazione di impulsi radio prima di un impulso di eccitazione può influenzare il contrasto in modi diversi. Le tecniche inversion recovery possono essere utilizzate per annullare il segnale di specifici tessuti sulla base del loro T1, scegliendo un TI tale che la magnetizzazione longitudinale invertita abbia recuperato fino ad un valore pari a zero nel momento dell’applicazione dell’impulso di eccitazione. Il TI nelle sequenze STIR è normalmente scelto breve, in modo tale da annullare la magnetizzazione longitudinale del tessuto adiposo La combinazione tra la soppressione del grasso e la pesatura  in T2 crea un elevato contrasto tra il miocardio edematoso ed i tessuti circostanti.(figura 6)

Figura 6: Miocardite acuta in un uomo di 19 anni, senza segni di patologia coronarica all’angiografia selettiva. Le sequenze T2-STIR, acquisite in asse corto, documentano imbibizione edematosa  del miocardio, che coinvolge la parete laterale del ventricolo sinistro. Le immagini acquisite 15 minuti dopo somministrazione del mdc dimostrano  nella stessa sede un’area focale di potenziamento, esteso in sede medio-apicale, con distribuzione epicardica.

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