Ocena wirów wewnątrzsercowych za pomocą obrazowania plamek krwi pochodzącego z echokardiografii o wysokiej liczbie klatek na sekundę u noworodków

Podsumowanie

Obecny protokół wykorzystuje technologię obrazowania plamek krwi pochodzącą z echokardiografii do wizualizacji hemodynamiki wewnątrzsercowej u noworodków. Badana jest kliniczna użyteczność tej technologii, uzyskuje się dostęp do rotacyjnego ciała płynu w lewej komorze (znanego jako wir) i określa się jego znaczenie w zrozumieniu diastologii.

Streszczenie

Lewa komora (LV) ma unikalny wzór wypełnienia hemodynamicznego. Podczas rozkurczu ze względu na chiralną geometrię serca tworzy się ciało obrotowe lub pierścień płynu znany jako wir. Mówi się, że wir odgrywa rolę w zachowaniu energii kinetycznej przepływu krwi wchodzącej do LV. Ostatnie badania wykazały, że wiry LV mogą mieć wartość prognostyczną, opisując funkcję rozkurczową w spoczynku w populacjach noworodków, dzieci i dorosłych, a także mogą pomóc we wcześniejszej interwencji subklinicznej. Jednak wizualizacja i charakterystyka wiru pozostają w minimalnym stopniu zbadane. Do wizualizacji i opisywania wewnątrzsercowych wzorców przepływu krwi i pierścieni wirowych wykorzystano szereg metod obrazowania. W tym artykule szczególnie interesująca jest technika znana jako obrazowanie plamkowe krwi (BSI). BSI wywodzi się z kolorowej echokardiografii dopplerowskiej o wysokiej liczbie klatek na sekundę i zapewnia kilka zalet w porównaniu z innymi modalnościami. Mianowicie, BSI jest niedrogim i nieinwazyjnym narzędziem przyłóżkowym, które nie opiera się na środkach kontrastowych ani rozległych założeniach matematycznych. W pracy przedstawiono szczegółowe zastosowanie krok po kroku metodyki BSI stosowanej w naszym laboratorium. Kliniczna użyteczność BSI jest wciąż na wczesnym etapie, ale okazała się obiecująca w populacjach pediatrycznych i noworodków w opisie funkcji rozkurczowej w sercach przeciążonych objętościowo. Drugorzędnym celem tego badania jest zatem omówienie najnowszych i przyszłych prac klinicznych z wykorzystaniem tej technologii obrazowania.

Wprowadzenie

Wzorce przepływu krwi wewnątrz serca odgrywają kluczową rolę w rozwoju serca, począwszy od morfogenezy płodu i trwając przez całe życie¹. Hemodynamiczne naprężenie ścinające odgrywa kluczową rolę w stymulacji wzrostu i architektury komory serca poprzez aktywację określonych genów^2,3. Dzieje się tak zarówno na etapie wewnątrzmacicznym, jak i we wczesnych stadiach życia, co podkreśla znaczenie wpływu hemodynamicznego na wczesny rozwój serca i przeniesienie do dorosłości³.

Prawa dynamiki płynów mówią, że krew przepływająca wzdłuż ściany naczynia porusza się wolniej, gdy znajduje się najbliżej ściany i szybciej, gdy znajduje się w środku naczynia, gdzie opór jest niższy. Zjawisko to można zademonstrować w każdym dużym naczyniu z dopplerowskim dopplerowskim dopplerowskim dopplerowskim całkowaniem czasowym obwiedni⁴. Kiedy krew dostaje się do większej jamy, takiej jak serce, krew znajdująca się najdalej od powierzchni wsierdzia nadal zwiększa swoją prędkość w stosunku do krwi znajdującej się najbliżej tej powierzchni i tworzy rotacyjne ciało płynu, znane jako wir. Po utworzeniu wiry są samonapędzającymi się strukturami przepływowymi, które zazwyczaj wciągają otaczający płyn za pomocą gradientów podciśnienia. W ten sposób wir może przemieszczać większą objętość krwi niż równoważny prosty strumień płynu, co sprzyja większej wydolności serca^4,5.

Literatura sugeruje, że ewolucyjnym celem wirów jest oszczędzanie energii kinetycznej, minimalizacja naprężeń ścinających i maksymalizacja efektywności przepływu^4,5,6. W szczególności w przypadku serca obejmuje to magazynowanie energii hemodynamicznej w ruchu obrotowym, ułatwianie zamykania zastawki i propagację przepływu krwi w kierunku drogi odpływu, jak widać na Rysunek 1. Zmienione wzorce przepływu krwi wewnątrz serca są oczekiwane w sytuacjach patologicznych, takich jak stany przeciążenia objętościowego oraz w przypadkach ze sztucznymi zastawkami^7,8. Na tym więc polega prawdziwy potencjał diagnostyczny wirów jako wczesnych predyktorów wyników sercowo-naczyniowych u dorosłych.

Hemodynamika wewnątrzsercowa cieszy się coraz większym zainteresowaniem w literaturze zarówno w populacji dorosłych, jak i dzieci. Dostępnych jest kilka modalności jakościowej i ilościowej oceny hemodynamiki wewnątrzsercowej, które zostały kompleksowo podsumowane w niedawnym przeglądzie, ze szczególnym naciskiem na wir wewnątrzsercowy⁹. Jedną z bardzo obiecujących metod jest obrazowanie plamkowe krwi (BSI) pochodzące z echokardiografii, które oferuje możliwość nieinwazyjnego pomiaru szeregu jakościowych i ilościowych cech wiru, opisanych poniżej, przy stosunkowo niskich kosztach i doskonałej odtwarzalności¹⁰. BSI jest obecnie dostępny na rynku przy użyciu wysokiej klasy systemu ultrasonograficznego serca z sondą S12 lub S6 MHz. Funkcje śledzenia plamek są analogiczne do tych używanych w śledzeniu plamek tkanek w celu zbadania deformacji mięśnia sercowego^11,12,13. Ponieważ czerwone krwinki mają tendencję do szybszego poruszania się i z wyższą częstotliwością dopplerowską niż otaczająca tkanka, te dwa sygnały można rozdzielić, stosując filtr czasowy. BSI wykorzystuje algorytm najlepszego dopasowania do bezpośredniego ilościowego określania ruchu plamek krwi bez użycia środków kontrastowych. Pomiary prędkości krwi mogą być wizualizowane jako strzałki, strumienie lub linie ścieżek z lub bez leżących pod nimi kolorowych obrazów Dopplera i mogą podkreślać obszary złożonego przepływu¹⁰.

BSI okazał się mieć dobrą wykonalność i dokładność do ilościowego określania wzorców przepływu krwi wewnątrz serca, z doskonałą trafnością w porównaniu z referencyjnym instrumentem fantomowym i pulsacyjnym Dopplerem^7,10,11. BSI, choć wciąż jest bardzo nowatorskie, jest obiecującym narzędziem klinicznym do wczesnej diagnostyki różnych patofizjologii serca. Kliniczne zastosowanie obrazowania wirowego okazało się obiecujące u noworodków. W szczególności zachowanie wiru w lewej komorze (LV) może mieć długoterminowe implikacje dla przebudowy serca i predyspozycji do niewydolności serca.

Mechanizm łączący wiry z przebudową lewej komory jest nadal stosunkowo niezbadany, ale został niedawno zbadany w naszym laboratorium i jest przedmiotem trwających prac¹¹. Niniejszy artykuł metodologiczny ma na celu opisanie zastosowania BSI w badaniu wirów wewnątrzsercowych oraz omówienie praktycznych i klinicznych zastosowań wirów w ocenie funkcji rozkurczowej w różnych populacjach. Drugorzędnym celem jest omówienie klinicznego znaczenia BSI i przedstawienie niektórych prac wykonanych wcześniej u noworodków.

Protokół

Wszystkie procedury wykonywane w badaniach z udziałem ludzi były zgodne ze standardami etycznymi instytucjonalnego i/lub krajowego komitetu badawczego oraz z Deklaracją Helsińską z 1964 roku i jej późniejszymi poprawkami lub porównywalnymi standardami etycznymi. Uzyskano świadomą zgodę od wszystkich rodzin poszczególnych uczestników biorących udział w badaniu. Po przejęciu wszystkie obrazy i klipy wideo zostały pozbawione elementów pozwalających na identyfikację.

1. Przygotowanie pacjenta

1. Ustaw aparat ultrasonograficzny w pobliżu łóżeczka pacjenta i podłącz trójodprowadzeniowy elektrokardiogram (patrz Tabela Materiałów).
2. Wprowadź kod pacjenta i odpowiednie szczegóły, takie jak długość i masa ciała, a następnie wykonaj echokardiogram zgodnie z wcześniej opisanymi standardami¹².

2. Akwizycja obrazu

1. Specjalnie dla BSI, uzyskaj płytki widok LV w wierzchołkowym widoku czterokomorowym o wąskiej szerokości sektora, co pozwala na akwizycję z częstotliwością odświeżania w zakresie 400-600 Hz.
2. Otwórz kolorowe pudełko nad lewą jamą komorową, zwężone maksymalnie, aby obejmowało tylko obszar od zastawki mitralnej do wierzchołka wsierdzia i od granicy wsierdzia przegrody do granicy wsierdzia ściany bocznej.
3. Zwiększ przyrost koloru do punktu plamkowania i nieznacznie zmniejsz. Ustaw limit kolorowej skali prędkości dopplerowskiej na odpowiednią prędkość rozkurczową (20-30 cm/s u wcześniaków), aby maksymalnie wypełnić pole koloru wolniej poruszającym się napływem rozkurczowym.
4. Na panelu sterowania urządzenia na ekranie dotykowym (patrz Tabela materiałów) dotknij trybu BSI, aby wyświetlić kierunki przepływu wewnątrzsercowego i wiry w formacie kolorów RAW. Dostosuj położenie i rozmiar skrzynki BSI, aby uwzględnić obszar przepływu będący przedmiotem zainteresowania i zarejestrować co najmniej dwa cykle pracy serca.
5. Powtórz procedurę w widoku wierzchołkowym lewej osi LV lub w innych widokach, w których wymagana jest wewnątrzsercowa ocena hemodynamiczna (Rysunek 2 i Rysunek 3).

3. Analizy obrazów

UWAGA: Techniki analizy obrazu dla wiru LV zostały pokrótce opisane w poprzedniej pracy z naszego laboratorium¹¹. Protokół stosowany do oceny wirów wewnątrzsercowych jest następujący (Rysunek 3 i Rysunek 4).

1. Zapisz dwa cykle pracy serca od każdego pacjenta na nośniku zewnętrznym w formacie RAW DICOM i przenieś do stacji laboratoryjnej z zainstalowanym oprogramowaniem do przetwarzania obrazu (patrz tabela materiałów) w celu przeprowadzenia szczegółowych analiz w trybie offline.
2. W trybie offline zidentyfikuj najbardziej widoczny lub główny wir.
   UWAGA: Główny wir jest wizualizowany jako wydłużona, owalna, obracająca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara struktura znajdująca się w lewym górnym kwadrancie lewej komory w pobliżu przegrody, z maksymalnym obszarem wiru znajdującym się w późnym rozkurczu (podczas transmisyjnego załamka A) u wcześniaków (Wideo 1). Główny wir znajduje się zwykle podczas transmisyjnej fali E u starszych niemowląt i dzieci.
3. Zapisz liczbę niezależnych, kompletnych wirów o owalnym kształcie tworzących się w całym cyklu pracy serca dla każdego klipu.
4. Zmierz położenie głównego wiru względem znanych punktów orientacyjnych w obrębie LV. Aby określić głębokość wiru, za pomocą narzędzia do "pomiaru odległości" w oprogramowaniu do analizy, zmierz odległość pionową od oka wiru do środka pierścienia zastawki mitralnej. W przypadku pozycji poprzecznej wiru zmierz odległość poziomą od oka wirowego do granicy wsierdzia przegrody międzykomorowej.
5. Zmierz pionowe i poziome odległości od krawędzi do krawędzi głównego wiru w stosunku do długości i szerokości lewej wysokości, aby uzyskać kształt wiru.
   UWAGA: Umożliwia to również oszacowanie wskaźnika sferyczności wiru jako długości podzielonej przez szerokość.
6. Korzystając z narzędzia "śledzenie pomiaru" w oprogramowaniu do analizy, kliknij i prześledź najbardziej zewnętrzny pierścień wirowy w punkcie, w którym główny wir jest najbardziej widoczny, aby określić główny obszar wiru.
7. Aby ocenić szczytowy czas tworzenia się wiru (PVFT), zapisz ramkę serca, gdy wir pojawia się po raz pierwszy (zarysowane okrągłe pierścienie) w ramie serca, gdzie główny wir jest najbardziej widoczny, i oblicz liczbę ramek w stosunku do całkowitej liczby ramek w jednym cyklu pracy serca dla pacjenta.
8. Aby ocenić czas trwania wiru, zmierz ramki, z których wir pojawia się po raz pierwszy, gdy wir traci swoją okrągłą formację pierścieniową. Czas trwania wiru jest następnie obliczany jako liczba ramek w stosunku do całkowitej liczby ramek pacjenta w jednym cyklu pracy serca (Ryc. 5).

Wyniki

Pozyskiwanie klipów wiru jest porównywalne do standardowej metodologii powszechnie stosowanej przy uzyskiwaniu klipów kolorowego Dopplera. Pionierskie badania na dorosłych opisali wiry przy użyciu widoków koniuszkowych dwu-, trzy- i czterokomorowych¹⁴. Wir LV jest strukturą pierścieniową, która przemieszcza się od podstawy do koniuszka. BSI wizualizuje wewnętrzną średnicę pierścienia (Rycina 2). Pierścień wiru zazwyczaj nie jest symetryczny pod względem kształtu, dlat...

Dyskusja

Znaczenie wizualizacji i zrozumienia wiru wewnątrzsercowego
Istnieje wiele możliwych zastosowań klinicznych obrazowania wirowego pochodzącego z echokardiografii o dużej liczbie klatek na sekundę. Ich zdolność do dostarczania cennych informacji na temat dynamiki przepływu wewnątrzsercowego była przedmiotem zainteresowania ostatnich badań¹⁶. Co więcej, obrazowanie wirowe może pozwolić na wykrycie przedobjawowych zmian w architekturze i funkcji lewej komory u noworodków, co może...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Tomtec Imaging Systems GmbH	Phillips	GmbH Corporation	Narzędzie do przetwarzania obrazów ultrasonograficznych w trybie offline, służące do obliczania wszystkich pomiarów wirowych
Vivid E95	General Electrics	NA	Ultrasonografia serca Urządzenie do wykonywania obrazowania plamek krwi pochodzących z echokardiografii