Het huidige protocol maakt gebruik van echocardiografie-afgeleide bloedspikkelbeeldvormingstechnologie om intracardiale hemodynamica bij pasgeborenen te visualiseren. Het klinische nut van deze technologie wordt onderzocht, het roterende vloeistoflichaam in de linker hartkamer (bekend als een vortex) wordt benaderd en de betekenis ervan voor het begrijpen van diastologie wordt bepaald.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Beoordeling van intracardiale wervelingen met echocardiografie-afgeleide bloedspikkelbeeldvorming met hoge framesnelheid bij pasgeborenen
In dit artikel
Erratum-melding
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Samenvatting
Samenvatting
De linker hartkamer (LV) heeft een uniek patroon van hemodynamische vulling. Tijdens diastole wordt een roterend lichaam of ring van vloeistof gevormd die bekend staat als een vortex als gevolg van de chirale geometrie van het hart. Van een vortex wordt gemeld dat het een rol speelt bij het behoud van de kinetische energie van de bloedstroom die de LV binnenkomt. Recente studies hebben aangetoond dat LV-wervels prognostische waarde kunnen hebben bij het beschrijven van de diastolische functie in rust bij neonatale, pediatrische en volwassen populaties, en kunnen helpen bij eerdere subklinische interventie. De visualisatie en karakterisering van de vortex blijven echter minimaal onderzocht. Een aantal beeldvormingsmodaliteiten zijn gebruikt voor het visualiseren en beschrijven van intracardiale bloedstroompatronen en vortexringen. In dit artikel is een techniek die bekend staat als bloedspikkelbeeldvorming (BSI) van bijzonder belang. BSI is afgeleid van Doppler-echocardiografie met hoge framesnelheid en biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere modaliteiten. BSI is namelijk een goedkoop en niet-invasief hulpmiddel aan het bed dat niet afhankelijk is van contrastmiddelen of uitgebreide wiskundige aannames. Dit werk presenteert een gedetailleerde stap-voor-stap toepassing van de BSI-methodologie die in ons laboratorium wordt gebruikt. Het klinische nut van BSI staat nog in de kinderschoenen, maar is veelbelovend gebleken binnen de pediatrische en neonatale populaties voor het beschrijven van de diastolische functie in harten met overbelasting van het volume. Een secundair doel van deze studie is dus om recent en toekomstig klinisch werk met deze beeldvormingstechnologie te bespreken.
Inleiding
Intracardiale bloedstroompatronen spelen een sleutelrol in de ontwikkeling van het hart, beginnend bij foetale morfogenese en voortgezet gedurende de helelevensduur. Hemodynamische schuifspanning speelt een cruciale rol bij de stimulatie van de groei en architectuur van de hartkamer via de activering van specifieke genen 2,3. Dit gebeurt zowel in het intra-uteriene stadium als in de vroege levensfasen, waardoor het belang van hemodynamische invloed op de vroege cardiale ontwikkeling en de overdracht naar de volwassenheid wordt benadrukt.
De wetten van de vloeistofdynamica stellen dat bloed dat langs een vaatwand stroomt, langzamer beweegt wanneer het zich het dichtst bij de wand bevindt en sneller wanneer het zich in het midden van een vat bevindt, waar de weerstand lager is. Dit fenomeen kan worden aangetoond in elk groot vat met pulsgolf-Doppler als de typische Doppler-snelheidstijd-integrale envelop4. Wanneer bloed een grotere holte binnengaat, zoals het hart, blijft het bloed dat het verst van het endocardiale oppervlak verwijderd is, zijn snelheid verhogen ten opzichte van het bloed dat zich het dichtst bij dat oppervlak bevindt en een roterend vloeistoflichaam creëren, bekend als een vortex. Eenmaal gecreëerd, zijn wervels zelfrijdende stromingsstructuren die doorgaans omringende vloeistof aanzuigen via negatieve drukgradiënten. Een vortex kan dus een groter volume bloed verplaatsen dan een gelijkwaardige rechte vloeistofstraal, wat een grotere cardiale efficiëntie bevordert 4,5.
De literatuur suggereert dat het evolutionaire doel van wervelingen is om kinetische energie te behouden, schuifspanning te minimaliseren en de stroomefficiëntie te maximaliseren 4,5,6. Specifiek voor het hart omvat dit het opslaan van hemodynamische energie in een roterende beweging, het vergemakkelijken van het sluiten van de klep en de voortplanting van de bloedstroom naar het uitstroomkanaal, zoals te zien is in figuur 1. Veranderde intracardiale bloedstroompatronen worden verwacht in pathologische situaties zoals volume-overbelaste toestanden en in gevallen met kunstmatige kleppen 7,8. Hierin ligt dus het ware diagnostische potentieel van wervelingen als vroege voorspellers van cardiovasculaire uitkomsten bij volwassenen.
Intracardiale hemodynamica heeft in de literatuur steeds meer belangstelling gekregen bij zowel volwassen als pediatrische populaties. Er zijn verschillende modaliteiten beschikbaar voor de kwalitatieve en kwantitatieve beoordeling van intracardiale hemodynamica en werden uitgebreid samengevat in een recente review, met een specifieke nadruk op de intracardiale vortex9. Een modaliteit die veelbelovend is, is echocardiografie-afgeleide bloedspikkelbeeldvorming (BSI), die de mogelijkheid biedt om niet-invasief een aantal kwalitatieve en kwantitatieve vortexkenmerken te meten, hieronder beschreven, tegen relatief lage kosten en met een uitstekende reproduceerbaarheid10. BSI is momenteel in de handel verkrijgbaar met behulp van een high-end cardiaal ultrasoon systeem met een S12 of S6 MHz sonde. De kenmerken voor het volgen van spikkels zijn analoog aan die welke worden gebruikt bij het volgen van weefselspikkels om myocardiale vervorming te bestuderen 11,12,13. Omdat rode bloedcellen de neiging hebben om sneller en met een hogere Doppler-frequentie te bewegen dan het omringende weefsel, kunnen de twee signalen worden gescheiden door een temporele filter toe te passen. BSI gebruikt een best-match-algoritme om de beweging van bloedspikkels direct te kwantificeren zonder gebruik te maken van contrastmiddelen. De bloedsnelheidsmetingen kunnen worden gevisualiseerd als pijlen, stroomlijnen of padlijnen met of zonder onderliggende kleuren-Doppler-afbeeldingen, en kunnen gebieden met complexe stromingmarkeren 10.
Het is aangetoond dat BSI een goede haalbaarheid en nauwkeurigheid heeft voor het kwantificeren van intracardiale bloedstroompatronen, met een uitstekende validiteit in vergelijking met een referentiefantoominstrument en gepulseerde Doppler 7,10,11. Hoewel BSI nog erg nieuw is, is het een veelbelovend klinisch hulpmiddel voor de vroege diagnose van verschillende cardiale pathofysiologieën. De klinische toepassing van vortexbeeldvorming is veelbelovend gebleken bij pasgeboren baby's. In het bijzonder kan het gedrag van een vortex in de linker hartkamer (LV) op de lange termijn gevolgen hebben voor cardiale remodellering en aanleg voor hartfalen.
Het mechanisme dat wervelingen koppelt aan remodellering van de linkerventrikel is nog relatief onontgonnen, maar is onlangs onderzocht in ons laboratorium en is het onderwerp van lopend werk11. Dit methodologische artikel heeft tot doel het gebruik van BSI te beschrijven bij het onderzoeken van intracardiale wervelingen en het praktische en klinische gebruik van wervelingen te bespreken bij het beoordelen van de diastolische functie in verschillende populaties. Een secundair doel is om de klinische relevantie van BSI te bespreken en een deel van het werk te presenteren dat eerder bij pasgeborenen is uitgevoerd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle procedures die werden uitgevoerd in studies met menselijke deelnemers waren in overeenstemming met de ethische normen van de institutionele en/of nationale onderzoekscommissie en met de Verklaring van Helsinki van 1964 en de latere wijzigingen daarvan of vergelijkbare ethische normen. Geïnformeerde toestemming werd verkregen van de families van alle individuele deelnemers die in het onderzoek waren opgenomen. Alle foto's en videoclips werden na de overname geanonimiseerd.
1. Voorbereiding van de patiënt
- Plaats het echoapparaat naast het bedje van de patiënt en sluit een elektrocardiogram met drie afleidingen aan (zie Materiaaltabel).
- Voer de patiëntcode en relevante details, zoals lichaamslengte en gewicht, in en voer het echocardiogram uit volgens de eerder beschreven normen12.
2. Beeldacquisitie
- Specifiek voor BSI verkrijgt u een ondiep beeld van de LV in het apicale vierkamerbeeld met een smalle sectorbreedte, waardoor een acquisitieframesnelheid tussen 400-600 Hz mogelijk is.
- Open een kleurvak over de linkerventrikelholte, versmallen maximaal om alleen het gebied van de mitralisklep tot de endocardiale apex en van de endocardiale rand van het septum tot de endocardiale rand van de laterale wand op te nemen.
- Verhoog de kleurversterking tot het punt van spikkels en verminder iets. Stel de limiet van de kleurendopplersnelheidsschaal in op de juiste diastolische snelheid (20-30 cm/s bij te vroeg geboren baby's) om het kleurvak maximaal te vullen met de langzamer bewegende diastolische instroom.
- Tik op het touchscreen-bedieningspaneel van de apparatuur (zie Materiaaltabel) op de BSI-modus om de intracardiale stroomrichtingen en wervelingen in RAW-kleurindeling weer te geven. Pas de positie en grootte van de BSI-box aan om het stroomgebied van belang op te nemen en registreer ten minste twee hartcycli.
- Herhaal de procedure in de apicale LV-weergave met lange as of andere weergaven waarbij intracardiale hemodynamische beoordeling vereist is (Figuur 2 en Figuur 3).
3. Beeldanalyse
OPMERKING: De beeldanalysetechnieken voor de LV-vortex zijn kort beschreven in eerder werk van ons laboratorium11. Het protocol dat wordt gebruikt voor het beoordelen van intracardiale wervelingen is als volgt (Figuur 3 en Figuur 4).
- Sla twee hartcycli van elke betreffende patiënt op externe media op in hun RAW DICOM-formaat en breng ze over naar een laboratoriumstation met geïnstalleerde beeldverwerkingssoftware (zie Materiaaltabel) voor gedetailleerde offline analyses.
- Eenmaal offline, identificeer je de meest prominente of belangrijkste vortex.
OPMERKING: De hoofdvortex wordt gevisualiseerd als een langwerpige, ovaalvormige, tegen de klok in roterende structuur in het kwadrant linksboven van de linker hartkamer nabij het septum, met het maximale vortexgebied gevonden in late diastole (tijdens de transmitrale A-golf) bij te vroeg geboren baby's (Video 1). De belangrijkste vortex wordt meestal gevonden tijdens de transmitrale E-golf voor oudere zuigelingen en kinderen. - Noteer voor elke clip het aantal onafhankelijke, volledige ovaalvormige wervelingen die zich tijdens de hartcyclus vormen.
- Meet de positie van de hoofdvortex ten opzichte van bekende oriëntatiepunten binnen de LV. Om de vortexdiepte te bepalen, meet u met behulp van de tool "afstandsmeting" op de analysesoftware de verticale afstand van het vortexoog tot het midden van de mitralisklepannulus. Meet voor de transversale positie van de vortex de horizontale afstand van het vortexoog tot de endocardiale rand van het interventriculaire septum.
- Meet de verticale en horizontale rand-tot-rand afstanden van de hoofdvortex ten opzichte van de LV-lengte en -breedte om de vortexvorm te verkrijgen.
OPMERKING: Dit maakt het ook mogelijk om de vortex-sfericiteitsindex te schatten als lengte gedeeld door breedte. - Met behulp van de tool "traceringsmeting" op de analysesoftware, klikt u op en traceert u de buitenste vortexring op het punt waar de hoofdvortex het meest prominent is om het belangrijkste vortexgebied te bepalen.
- Om de Peak Vortex Formation Time (PVFT) te beoordelen, registreert u het cardiale frame wanneer de vortex voor het eerst verschijnt (cirkelvormige ringen afgebakend) in het cardiale frame waar de hoofdvortex het meest prominent is en berekent u het aantal frames ten opzichte van het totale aantal frames in één hartcyclus voor de patiënt.
- Om de duur van de vortex te beoordelen, meet u de frames waaruit de vortex voor het eerst verschijnt wanneer de vortex zijn cirkelvormige ringvorming verliest. De vortexduur wordt vervolgens berekend als het aantal frames ten opzichte van het totale aantal frames van die patiënt in één hartcyclus (Figuur 5).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De aanschaf van vortexclips is vergelijkbaar met de standaardmethodologie die universeel wordt gebruikt bij het verkrijgen van kleuren-Doppler-clips. Baanbrekende studies bij volwassenen hebben draaikolken beschreven met behulp van de apicale twee-, drie- en vierkamerweergaven14. De LV-vortex is een ringachtige structuur die van basis naar top beweegt. BSI visualiseert de inwendige diameter van de ring (Figuur 2). Een vortexring is meestal niet symmetrisch van vorm, v...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het belang van het visualiseren en begrijpen van de intracardiale vortex
Er zijn veel mogelijke klinische toepassingen van echocardiografie-afgeleide vortexbeeldvorming met hoge framesnelheid. Hun vermogen om waardevol inzicht te verschaffen in de dynamiek van de intracardiale stroom is de interesse van recente studies16. Bovendien kan vortexbeeldvorming de detectie van presymptomatische veranderingen in LV-architectuur en -functie bij pasgeborenen mogelijk maken, die van invlo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen openbaarmakingen of belangenconflicten te melden.
Dankbetuigingen
We willen de afdeling Neonatale Intensive Care van het John Hunter Hospital bedanken voor het mogelijk maken van ons lopende werk, samen met de ouders van onze zeer kleine en dierbare deelnemers.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Tomtec Imaging Systems GmbH | Phillips | GmbH Corporation | Offline echografiebeeldverwerkingstool, gebruikt voor het berekenen van alle wervelmetingen |
| Vivid E95 | General Electrics | NA | Cardiologisch echografieapparaat gebruikt voor het vastleggen van Echocardiografie-afgeleide Bloedstipelafbeeldingen |
Referenties
- de Waal, K., Costley, N., Phad, N., Crendal, E. Left ventricular diastolic dysfunction and diastolic heart failure in preterm infants. Pediatric Cardiology. 40 (8), 1709-1715 (2019).
- Lahmers, S., Wu, Y., Call, D. R., Labeit, S., Granzier, H. Developmental control of titin isoform expression and passive stiffness in fetal and neonatal myocardium. Circulation Research. 94 (4), 505-513 (2004).
- Chung, C. S., Hoopes, C. W., Campbell, K. S. Myocardial relaxation is accelerated by fast stretch, not reduced afterload. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 103, 65-73 (2017).
- Pedrizzetti, G., La Canna, G., Alfieri, O., Tonti, G. The vortex-an early predictor of cardiovascular outcome. Nature Reviews Cardiology. 11 (9), 545-553 (2014).
- Rodriguez Munoz, D., et al. Left ventricular vortex following atrial contraction and its interaction with early systolic ejection. European Heart Journal. 34 (1), 1104(2013).
- Schmitz, L., Koch, H., Bein, G., Brockmeier, K. Left ventricular diastolic function in infants, children, and adolescents. Reference values and analysis of morphologic and physiologic determinants of echocardiographic Doppler flow signals during growth and maturation. Journal of the American College of Cardiology. 32 (5), 1441-1448 (1998).
- Marchese, P., et al. Left ventricular vortex analysis by high-frame rate blood speckle tracking echocardiography in healthy children and in congenital heart disease. International Journal of Cardiology. Heart & Vasculature. 37, 100897(2021).
- Pierrakos, O., Vlachos, P. P. The effect of vortex formation on left ventricular filling and mitral valve efficiency. Journal of Biomechanical Engineering. 128 (4), 527-539 (2006).
- Mele, D., et al. Intracardiac flow analysis: techniques and potential clinical applications. Journal of the American Society of Echocardiography. 32 (3), 319-332 (2019).
- Nyrnes, S. A., Fadnes, S., Wigen, M. S., Mertens, L., Lovstakken, L. Blood speckle-tracking based on high-frame rate ultrasound imaging in pediatric cardiology. Journal of the American Society of Echocardiography. 33 (4), 493-503 (2020).
- de Waal, K., Crendal, E., Boyle, A. Left ventricular vortex formation in preterm infants assessed by blood speckle imaging. Echocardiography. 36 (7), 1364-1371 (2019).
- Nagueh, S. F., et al. Recommendations for the evaluation of left ventricular diastolic function by echocardiography: an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. Journal of the American Society of Echocardiography. 29 (4), 277-314 (2016).
- Takahashi, H., Hasegawa, H., Kanai, H. Temporal averaging of two-dimensional correlation functions for velocity vector imaging of cardiac blood flow. Journal of Medical Ultrasonics. 42 (3), 323-330 (2015).
- Kheradvar, A., et al. Echocardiographic particle image velocimetry: a novel technique for quantification of left ventricular blood vorticity pattern. Journal of the American Society of Echocardiography. 23 (1), 86-94 (2010).
- Phad, N. S., de Waal, K., Holder, C., Oldmeadow, C. Dilated hypertrophy: a distinct pattern of cardiac remodeling in preterm infants. Pediatric Research. 87 (1), 146-152 (2020).
- Kheradvar, A., et al. Diagnostic and prognostic significance of cardiovascular vortex formation. Journal of Cardiology. 74 (5), 403-411 (2019).
- Cantinotti, M., et al. Intracardiac flow visualization using high-frame rate blood speckle tracking echocardiography: Illustrations from infants with congenital heart disease. Echocardiography. 38 (4), 707-715 (2021).
- Henry, M., et al. Bicuspid aortic valve flow dynamics using blood speckle tracking in children. European Heart Journal-Cardiovascular Imaging. 22, 356(2021).
- Mawad, W., et al. Right ventricular flow dynamics in dilated right ventricles: energy loss estimation based on blood speckle tracking echocardiography-a pilot study in children. Ultrasound in Medicine & Biology. 47 (6), 1514-1527 (2021).
- Kass, D. A., Bronzwaer, J. G. F., Paulus, W. J. What mechanisms underlie diastolic dysfunction in heart failure. Circulation Research. 94 (12), 1533-1542 (2004).
- Nagueh, S. F. Left ventricular diastolic function: understanding pathophysiology, diagnosis, and prognosis with echocardiography. JACC. Cardiovasc Imaging. 13, 228-244 (2020).
- Carroll, J. D., Lang, R. M., Neumann, A. L., Borow, K. M., Rajfer, S. I. The differential effects of positive inotropic and vasodilator therapy on diastolic properties in patients with congestive cardiomyopathy. Circulation. 74 (4), 815-825 (1986).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
Erratum
Formal Correction: Erratum: Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns
Posted by JoVE Editors on 2/22/2024. Citeable Link.
An erratum was issued for: Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns. The Authors section was updated. The affiliation for author Damien Vitiello has been updated to: Institute of Sport and Health Sciences of Paris (IS3P - URP 3625), Université Paris Cité
