Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Beoordeling van intracardiale wervelingen met echocardiografie-afgeleide bloedspikkelbeeldvorming met hoge framesnelheid bij pasgeborenen

Published: December 22, 2023 doi: 10.3791/65189
Automatic Translation
1, 2, 3
1John Hunter Hospital, Department of Cardiology, University of Newcastle, 2John Hunter Children’s Hospital, Department of Neonatology, University of Newcastle, 3Institute of Sport and Health Sciences of Paris (IS3P - URP 3625), Université Paris Cité

ERRATUM NOTICE

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

  1. Plaats het echoapparaat naast het bedje van de patiënt en sluit een elektrocardiogram met drie afleidingen aan (zie Materiaaltabel).
  2. Voer de patiëntcode en relevante details, zoals lichaamslengte en gewicht, in en voer het echocardiogram uit volgens de eerder beschreven normen12.

2. Beeldacquisitie

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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).

  1. 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.
  2. 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.
  3. Noteer voor elke clip het aantal onafhankelijke, volledige ovaalvormige wervelingen die zich tijdens de hartcyclus vormen.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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, vandaar dat alternatieve beeldvormingsvlakken een variabele vortexmorfologie of positie kunnen vertonen. In een kleine analyse van 20 patiënten bleek dat de vortexpositie vergelijkbaar was. In het bijzonder was de vortex-sfericiteitsindex hoger in de vierkamerweergave in vergelijking met de driekamerweergave (Figuur 3). De huidige studie nam de driekamerweergave over voor vortexbeeldvorming, die in onze ervaring de meest reproduceerbare beelden opleverde.

Recent werk van ons laboratorium heeft de succesvolle klinische toepassing van echocardiografie-afgeleide BSI11 beschreven. Een populatie van 50 te vroeg geboren pasgeborenen kreeg een uitgebreid echocardiogram, inclusief BSI-beoordeling, naast traditionele klinische gegevens zoals bloeddruk en ademhalingsstatus. De haalbaarheid en betrouwbaarheid van zowel de acquisitie als de interpretatie van vortices bij pasgeborenen waren hoog en toonden aan dat vortices in detail konden worden beschreven op basis van de hierboven besproken methodologie. In het bijzonder werd een reeks waarden voor vortexgebied, positie, morfologie, aantal schijnbare wervels en timingkenmerken geïdentificeerd, naast traditionele cardiale structuur- en functieparameters. Bovendien werd de populatie onderverdeeld in kwartielen op basis van geïndexeerde LV-volumes en vertoonde significante verschillen tussen de hoge en lage kwartielgroepen voor verschillende belangrijke vortexparameters (tabel 1).

De analyses onthulden verschillende belangrijke associaties tussen de nieuwe BSI-vortexparameters en traditionele, van echocardiografie afgeleide parameters van diastolische functie en LV-morfologie. Er werd een sterke positieve correlatie gezien tussen het vortexoppervlak en de LV-einddiastolische dimensie (r = 0,50, p < 0,01), en er werd een omgekeerde correlatie gezien tussen de vortexduur en de Ee'-ratio - een surrogaatmaat voor LV-einddiastolische druk12 (r = -0,56, p < 0,01). Deze gegevens suggereren dat wervelingen een uniek inzicht kunnen geven in de diastolische functie van een neonatale populatie en extra ondersteuning kunnen bieden aan traditionele, gevestigde parameters.

De belangrijkste associaties die hierboven zijn beschreven tussen vortexgebied en LV-morfologie hebben geleid tot verder lopend werk aan de hypothese dat kinetische energie van intracardiale hemodynamica de vroege cardiale remodellering van de LV bij te vroeg geboren baby's kan beïnvloeden. Een grootschaliger prospectief onderzoek heeft tot nu toe aangetoond dat ten minste één op de vier zeer premature baby's tekenen van LV-hartremodellering vertoont op het moment van ontslag. Er is echter beperkte informatie beschikbaar over de onderliggende mechanismen. Voorlopige beoordelingen toonden aan dat wervelingen minder langwerpig waren op postnatale dag 7 na vroeggeboorte bij zuigelingen die later cardiale remodellering ontwikkelden, wat de hypothese ondersteunt dat intracardiale bloedstroompatronen een belangrijke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van het hart na vroeggeboorte15. Verdere studies zijn nodig om deze bevindingen te valideren en te onderzoeken of vroege en kortetermijninterventie deze route van abnormale cardiale ontwikkeling mogelijk kan voorkomen.

De toepassing van BSI bij het karakteriseren van intracardiale hemodynamica is ook onderzocht in andere cardiale oriëntatiepunten waar unieke stromingspatronen aanwezig zijn (Figuur 6). Voorlopige beoordelingen van bi-cavale instroompatronen worden uitgevoerd in het rechter atrium (video 2) en de hemodynamica van het rechterventrikeluitstroomkanaal tijdens diastole (video 3). Deze pilotstudies hebben tot doel patronen van veneuze terugstroom bij pasgeborenen met verschillende niveaus van ademhalingsondersteuning verder te beschrijven en meer inzicht te krijgen in de onderlinge relaties tussen ademhalingsveranderingen en diastolische functie.

Figure 1
Figuur 1: Linkerventrikel intracardiale hemodynamica. Deze afbeelding toont visueel intracardiale bloedstroompatronen en vortexvorming binnen de LV. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Linkerventrikel vortex ring. Dit schema demonstreert de vortexring gezien vanuit een apicale driekamerweergave met behulp van tweedimensionale kleuren-Doppler- en spikkeltrackingbeeldvorming. Bij gebruik van de apicale driekamerweergave is de hoofdvortex (Smain 3-kamer) kleiner dan de vierkamerweergave (Smain 4-kamer). De hoofdvortex is meestal groter in vergelijking met secundaire vortexen (Ssec). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Bloedspikkel beeldvorming-afgeleide wervelingen in de apicale aanzichten. Dit is een vergelijking van BSI-afgeleide wervels die zijn aangetoond met behulp van de apicale vierkamerweergave (links) en de apicale driekamerweergave (rechts). De grafieken geven de verschillende vormen en locaties van de wervels in de twee apicale vensters weer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Beoordeling van de vortexmorfologie. Dit diagram demonstreert de handmatige methoden die in ons laboratorium worden gebruikt om vortexmorfologieparameters te verkrijgen uit de apicale vierkamerweergave. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Beoordeling van de kenmerken van de vortextiming. Deze figuur toont de methoden die worden gebruikt om vortextimingkenmerken te verkrijgen, zoals vortexduur en piekvortexvormingstijd. De verticale rode lijn geeft aan in welk stadium van de hartcyclus een vortexgebeurtenis plaatsvindt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Bloedspikkels volgen in andere hartkamers. Deze figuur toont de intracardiale hemodynamica in andere hartkamers. In de rechterventrikel (RV) is de hoofdvortex een met de klok mee draaiende structuur die langs het septum rolt met zijn maximale oppervlakte net voor de longklep en slagader (PA). In het rechter atrium (RA) wordt een hoofdvortex gevormd door de vermenging van instroom via de inferieure vena cava (IVC) en superieure vena cava (SVC) nabij de inferieure rand van de zijwand en met rotatie tegen de klok in, en soms een tweede rotatie met de klok mee nabij het RA-aanhangsel. Het linker atrium (LA) heeft beperkte gebieden waar de stroom van de vier longaders zich niet direct vermengt, en wervelingen kunnen moeilijk te vangen zijn. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

LVEDVi Laagste kwartiel LVEDVi Hoogste kwartiel
Ejectiefractie (%) 67(5) 69(5)
Longitudinale rek (%) 20.3(1.6) 23.5(2.7)*
MV VTI (cm) 6.4(1.9) 9.6(2.8)**
EA-verhouding 0.69(0.12) 0.84(0.10**
Ee'-verhouding 13.3(2.9) 19.7(8.0)*
IVRT (ms) 54(8) 44(8)**
Plaats
Vortex diepte 0.58(0.10) 0.56(0.07)
Vortex transversale positie 0.29(0.07) 0.37(0.15)**
Meetkunde
Vortex gebied (cm2) 0.44(0.28) 0.57(0.21)
Vortexgebied geïndexeerd naar LV-gebied 0.20(0.12 0.18(0.05)
Tijd eigenschappen
Vortex starttijd (% van RR) 88(5) 76(8)**
Piek vortexvormingstijd (% van RR) 91(2) 82(8)**
Vortexduur (% van RR) 16(4) 11(2)**

Tabel 1: Vergelijking tussen zuigelingen met de laagste versus hoogste kwartielen van geïndexeerde LV-volumes. De gegevens worden weergegeven als gemiddelden + standaarddeviatie (SD). **p < 0,01, *p < 0,05. Afkortingen: IVRT = isovolumische relaxatietijd; LVEDVi = linkerventrikel einddiastolisch volume geïndexeerd naar gewicht; MV = mitralisklep. De tabel is hergebruikt van referentie11.

Video 1: Schermafbeeldingen van de LV vortex-video. Klik hier om deze video te downloaden.

Video 2: Schermafbeeldingen van de bi-caval inflow vortex video. Klik hier om deze video te downloaden.

Video 3: Schermafbeeldingen van de vortex van het rechterventrikeluitstroomkanaal. Klik hier om deze video te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 invloed kunnen zijn op cardiale remodellering op lange termijn tot in devolwassenheid15. Dit kan op zijn beurt de nauwkeurigheid en prognostische resultaten van vervolgbehandelingen en operaties verhogen. Het gebruik van BSI bij het visualiseren van intracardiale wervelingen heeft onlangs enige aandacht gekregen in de literatuur, maar blijft grotendeels onontgonnen. Afgezien van het werk in het huidige laboratorium bij te vroeg geboren pasgeborenen, hebben andere klinische publicaties aangetoond dat echocardiografie-afgeleide BSI haalbaar en klinisch relevant is bij zuigelingen met een aangeboren hartaandoening 7,17, kleppathologie18 en zelfs bij rechterventrikelpathologie19.

Het nut van vortexbeeldvorming bij het beoordelen van de diastolische functie
De diastolische functie van de LV beschrijft het vermogen om zich met bloed te vullen en een slagvolume voor te bereiden op ejectie. Er is grote vooruitgang geboekt in het begrijpen van de diastolische functie bij patiënten met hartfalen met behouden ejectiefractie (HFpEF), vooral met betrekking tot pathofysiologie, diagnose en prognose met echocardiografie20,21. De diastolische functie van het hart omvat een actief biochemisch proces van myocardiale ontspanning, waarbij de actine- en myosine-bruggen loskomen en de spanning in de myocardspiervezels begint af te nemen. Wanneer de mitralisklep opengaat, komt het bloed de LV binnen door zuigkracht die wordt gecreëerd door de elastische terugslag van myocardiale vezels die naar hun oorspronkelijke lengte bewegen (herstelkrachten). Dit verlaagt de druk in de LV-holte en creëert een drukgradiënt tussen het atrium en het ventrikel. De laatste fase van de diastolische functie wordt gegenereerd door atriale contractie, die de LA-druk boven de LV-druk verhoogt en de uiteindelijke LV-einddiastolische druk en het volume vaststelt vóór het sluiten van de mitralisklep en het begin van de contractie22.

Vanuit hemodynamisch oogpunt omvat LV-diastole de doorgang van een kolom zuurstofrijk bloed van de boezems naar het ventrikel ter voorbereiding op ejectie. De positie van het LV-uitstroomkanaal grenzend aan de mitralisannulus betekent dat bloed basaal tot apicaal het ventrikel binnenkomt en het ventrikel apicaal tot basaal verlaat. Recente ontwikkelingen in het begrip van intracardiale hemodynamica suggereren dat deze omleiding van de bloedstroom die optreedt bij de overgang van linkerventrikelvulling naar ejectie een specifieke rotatierichting volgt om schuifkrachten op het myocardium te minimaliseren en kinetische energie van de bewegende bloedkolom te behouden, vandaar de vorming van een intraventriculaire vortex 4,5 (Figuur 1).

Diastologierichtlijnen zijn samengevat door de American Society of Echocardiography en de European Association of Cardiovascular Imaging12. Er zijn verschillende beperkingen met standaard Doppler en tweedimensionale afgeleide beoordeling van de diastolische functie. Deze omvatten, maar zijn niet beperkt tot, hartslag, Doppler-hoekafhankelijkheid, signaalkwaliteit en de moeilijkheid om diastolische disfunctie te beoordelen met behulp van meerdere parameters, die vaak niet op één lijn liggen. Zo wordt de propositie van een hoek- en hartslagonafhankelijke parameter, met het potentieel voor gedetailleerd inzicht in de ontspanning en vulling van de LV afgeleid van een enkele primaire meting, mogelijk gemaakt met de introductie van de intracardiale vortex.

Zoals blijkt uit de huidige resultaten, levert visualisatie van de vortex verschillende parameters op, waardoor enig inzicht in de diastolische hartfunctie mogelijk is. In het bijzonder is een significant verband aangetoond tussen vortexgebied/vorm en LV-morfologie, evenals de relevantie van vortextiming bij het voorspellen van LV-einddiastolische druk. Daarnaast worden ook variaties in vortexpositie op basis van het gebruikte beeldvormingsvlak gezien (Figuur 3), evenals positionele verschillen bij kinderen met een aangeboren hartaandoening in werk van andere auteurs (d.w.z. vortex dichter bij het interventriculaire septum geplaatst in gevallen met overbelasting van het volume en patiënten met kleppathologie 7,12). Het aantal wervels dat in de LV wordt gezien, kan theoretisch verband houden met de LV-architectuur, maar moet nog statistische significantie aantonen in dit werk en het werk van anderen. Ten slotte kan vortexbeeldvorming aanleiding geven tot complexere numerieke metingen, zoals vorticiteit, energieverlies en opgeslagen kinetische energie, die enige prognostische waarde hebben aangetoond bij het bestuderen van aangeboren klepaandoeningen, zoals bicuspidalis-aortakleppen18. De klinische toepassing van BSI kan haalbare aanvullende informatie opleveren voor conventionele kleurendoppler, waardoor de visualisatie van abnormale hemodynamische patronen in pathologieën zoals shunts, klepinsufficiëntie en stenose wordtverbeterd.

Beeldvorming en analyse van de intracardiale vortex: voor- en nadelen
Zoals eerder beschreven, kunnen intracardiale bloedstroompatronen worden gevisualiseerd met behulp van cardiale magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), evenals echocardiografie-afgeleide deeltjesbeeldvormingssnelheid, vectorstroommapping en BSI6. Bij pasgeborenen heeft BSI de grootste voordelen vanwege het niet-invasieve karakter en de toepassing aan het bed. Bovendien, aangezien beeldresolutie en penetratie van ultrasone stralen omgekeerd evenredig zijn, maakt het zeer kleine lichaamsoppervlak van een pasgeborene het mogelijk om een hoge resolutie te gebruiken zonder deze op te offeren voor penetratiediepte. Omgekeerd, aangezien BSI hoge framesnelheden en resolutie vereist om intracardiale wervelingen op te vangen, kan deze technologie momenteel niet worden uitgevoerd bij grotere patiënten, zoals volwassenen, waar de hogere penetratievereisten de resolutie in gevaar brengen. Tot nu toe was het grootste aantal patiënten bij wie BSI met succes werd toegepast in een populatie van kinderen met een mediane leeftijd van 7 jaar en een lichaamsoppervlak tot 1,22m27.

Een andere beperking van BSI-beeldvorming is de afhankelijkheid van tweedimensionale beelden van hoge kwaliteit om wervelingen nauwkeurig te schatten. Momenteel is BSI niet beschikbaar in driedimensionale echocardiografie, wat de visualisatie van deze complexe driedimensionale structuur beperkt. Bovendien lijdt BSI een aanzienlijk verlies aan signaal-ruisverhouding vanwege de beperkte penetratiediepte. In de praktijk betekent dit dat een onrustige pasgeborene die beweegt tijdens het onderzoek en een lichaamsstructuur die een geoptimaliseerd en gedefinieerd vierkamerzicht op de LV uitsluit, aanzienlijke obstakels kunnen vormen met deze technologie. Methoden om de pasgeborene tijdens het onderzoek te kalmeren (bijvoorbeeld met behulp van sucrose) en andere technieken voor het optimaliseren van de LV-beeldkwaliteit in de vierkamerweergave (bijvoorbeeld positionering van de pasgeborene en operatortechnieken) moeten gemakkelijk kunnen worden geïmplementeerd.

Ten slotte was deze studie commercieel beperkt tot de vortexkenmerken van de technologie van keuze (d.w.z. echocardiografie-afgeleide BSI). Hoewel de klinische relevantie en reproduceerbaarheid van deze metingen steeds meer ingang vindt in de literatuur, is er nog steeds behoefte om verder te valideren wat deze markers betekenen in verschillende pathologieën en hoe ze zich verhouden tot andere beeldvormingsmodaliteiten. Vortexarchitectuur, positionering en timing kunnen bijvoorbeeld zeer nuttig zijn bij aangeboren hartafwijkingen, terwijl de kinetische energieparameters, die nog niet beschikbaar zijn met BSI, goed van pas kunnen komen in seriële langetermijnstudies van cardiale remodellering.

Toekomstige richtingen
Samenvattend wordt BSI snel erkend als een goedkoop, niet-invasief en waardevol hulpmiddel voor het beoordelen van intracardiale hemodynamica en, meer specifiek, wervelingen. Werk van het huidige laboratorium heeft de reproduceerbaarheid ervan geverifieerd en het klinische en praktische nut ervan aangetoond als een aanvullend hulpmiddel voor het beoordelen van de hartfunctie en remodellering na vroeggeboorte. In de toekomst vereist het veronderstelde verband tussen intracardiale schuifkrachten op het myocardium en de daaropvolgende cardiale remodellering die op verschillende punten van de ontwikkeling van het vroege leven wordt gezien, verdere aandacht. Tot nu toe zijn alleen architecturale en temporele kenmerken van wervelingen onderzocht. Zoals eerder vermeld, kan het verwerven van energetische parameters zoals rotatiekinetische energie en vorticiteit echter meer inzicht geven in het mechanisme dat stromingspatronen en ongunstige cardiale remodellering met elkaar verbindt. Klinisch kan dit het vervolgens mogelijk maken om tijdiger interventies uit te voeren bij risicopatiënten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen openbaarmakingen of belangenconflicten te melden.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tomtec Imaging Systems GmbH Phillips GmbH Corporation Offline ultrasound image processing tool, used for calculating all vortex measurements
Vivid E95 General Electrics NA Cardiac Ultrasound device used to capture Echocardiography-derived Blood Speckle Imaging

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Mele, D., et al. Intracardiac flow analysis: techniques and potential clinical applications. Journal of the American Society of Echocardiography. 32 (3), 319-332 (2019).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kheradvar, A., et al. Diagnostic and prognostic significance of cardiovascular vortex formation. Journal of Cardiology. 74 (5), 403-411 (2019).
  17. 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).
  18. Henry, M., et al. Bicuspid aortic valve flow dynamics using blood speckle tracking in children. European Heart Journal-Cardiovascular Imaging. 22, 356 (2021).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Nagueh, S. F. Left ventricular diastolic function: understanding pathophysiology, diagnosis, and prognosis with echocardiography. JACC. Cardiovasc Imaging. 13, 228-244 (2020).
  22. 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).

Tags

Deze maand in JoVE nummer 202

Erratum

Formal Correction: Erratum: Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns
Posted by JoVE Editors on 02/22/2024. 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 

Beoordeling van intracardiale wervelingen met echocardiografie-afgeleide bloedspikkelbeeldvorming met hoge framesnelheid bij pasgeborenen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Crendal, E., De Waal, K., Vitiello,… More

Crendal, E., De Waal, K., Vitiello, D. Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns. J. Vis. Exp. (202), e65189, doi:10.3791/65189 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter