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Beurteilung intrakardialer Wirbel mit Echokardiographie-abgeleiteter Blutfleckenbildgebung mit hoher Bildrate bei Neugeborenen

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

Das vorliegende Protokoll verwendet die aus der Echokardiographie abgeleitete Blutflecken-Bildgebungstechnologie, um die intrakardiale Hämodynamik bei Neugeborenen zu visualisieren. Der klinische Nutzen dieser Technologie wird untersucht, der Rotationskörper innerhalb der linken Herzkammer (bekannt als Wirbel) wird erschlossen und seine Bedeutung für das Verständnis der Diastologie wird bestimmt.

Abstract

Der linke Ventrikel (LV) hat ein einzigartiges Muster der hämodynamischen Füllung. Während der Diastole bildet sich aufgrund der chiralen Geometrie des Herzens ein Rotationskörper oder Flüssigkeitsring, der als Wirbel bezeichnet wird. Es wird berichtet, dass ein Wirbel eine Rolle bei der Erhaltung der kinetischen Energie des Blutflusses spielt, der in den LV eintritt. Neuere Studien haben gezeigt, dass LV-Wirbel einen prognostischen Wert bei der Beschreibung der diastolischen Funktion im Ruhezustand bei Neugeborenen, Kindern und Erwachsenen haben und bei einer früheren subklinischen Intervention helfen können. Die Visualisierung und Charakterisierung des Wirbels ist jedoch noch wenig erforscht. Eine Reihe von bildgebenden Verfahren wurde zur Visualisierung und Beschreibung von intrakardialen Blutflussmustern und Wirbelringen verwendet. In diesem Artikel ist eine Technik von besonderem Interesse, die als Blood Speckle Imaging (BSI) bekannt ist. BSI wird von der Farbdoppler-Echokardiographie mit hoher Bildrate abgeleitet und bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Modalitäten. BSI ist nämlich ein kostengünstiges und nicht-invasives Hilfsmittel am Krankenbett, das nicht auf Kontrastmittel oder umfangreiche mathematische Annahmen angewiesen ist. Diese Arbeit stellt eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Anwendung der in unserem Labor verwendeten BSI-Methodik dar. Der klinische Nutzen von BSI befindet sich noch in einem frühen Stadium, hat sich aber in der pädiatrischen und neonatalen Population als vielversprechend für die Beschreibung der diastolischen Funktion bei volumenüberlasteten Herzen erwiesen. Ein sekundäres Ziel dieser Studie ist es daher, aktuelle und zukünftige klinische Arbeiten mit dieser bildgebenden Technologie zu diskutieren.

Introduction

Intrakardiale Blutflussmuster spielen eine Schlüsselrolle in der kardialen Entwicklung, beginnend mit der fetalen Morphogenese und während der gesamten Lebensspanne1. Hämodynamischer Scherstress spielt eine zentrale Rolle bei der Stimulation des Wachstums und der Architektur der Herzkammer durch die Aktivierung spezifischer Gene 2,3. Dies geschieht sowohl im intrauterinen Stadium als auch in den frühen Lebensphasen, was die Bedeutung des hämodynamischen Einflusses auf die frühe kardiale Entwicklung und die Übertragung ins Erwachsenenalter unterstreicht3.

Die Gesetze der Strömungsdynamik besagen, dass sich Blut, das an einer Gefäßwand entlang fließt, langsamer bewegt, wenn es der Wand am nächsten ist, und schneller, wenn es sich in der Mitte eines Gefäßes befindet, wo der Widerstand geringer ist. Dieses Phänomen kann in jedem großen Gefäß mit Pulswellen-Doppler als typischer Doppler-Geschwindigkeits-Zeit-Integral-Hüllkurve4 nachgewiesen werden. Wenn Blut in einen größeren Hohlraum wie das Herz eintritt, erhöht das Blut, das am weitesten von der Endokardoberfläche entfernt ist, seine Geschwindigkeit relativ zu dem Blut, das dieser Oberfläche am nächsten ist, und erzeugt einen rotierenden Flüssigkeitskörper, der als Wirbel bezeichnet wird. Einmal erzeugt, sind Wirbel selbstfahrende Strömungsstrukturen, die in der Regel die umgebende Flüssigkeit über Unterdruckgradienten ansaugen. So kann ein Wirbel ein größeres Blutvolumen bewegen als ein entsprechender gerader Flüssigkeitsstrahl, was zu einer höheren Herzeffizienz führt 4,5.

Die Literatur legt nahe, dass der evolutionäre Zweck von Wirbeln darin besteht, kinetische Energie zu erhalten, Scherspannungen zu minimieren und die Strömungseffizienz zu maximieren 4,5,6. Speziell für das Herz umfasst dies die Speicherung hämodynamischer Energie in einer Drehbewegung, die Erleichterung des Klappenverschlusses und die Ausbreitung des Blutflusses in Richtung des Ausflusstrakts, wie in Abbildung 1 zu sehen. Veränderte intrakardiale Blutflussmuster sind in pathologischen Situationen wie volumenüberlasteten Zuständen und bei künstlichen Klappen zu erwarten 7,8. Darin liegt also das wahre diagnostische Potenzial von Wirbeln als frühe Prädiktoren für kardiovaskuläre Ergebnisse bei Erwachsenen.

Die intrakardiale Hämodynamik hat in der Literatur sowohl bei Erwachsenen als auch bei Kindern zunehmend an Interesse gewonnen. Für die qualitative und quantitative Beurteilung der intrakardialen Hämodynamik stehen mehrere Modalitäten zur Verfügung, die in einer kürzlich erschienenen Übersichtsarbeit umfassend zusammengefasst wurden, wobei der Schwerpunkt auf dem intrakardialen Wirbelliegt 9. Eine vielversprechende Modalität ist die aus der Echokardiographie gewonnene Blutfleckenbildgebung (BSI), die die Möglichkeit bietet, eine Reihe von qualitativen und quantitativen Wirbelmerkmalen, die unten beschrieben werden, zu relativ geringen Kosten und mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit nichtinvasiv zu messen10. BSI ist derzeit mit einem High-End-Herzultraschallsystem mit einer S12- oder S6-MHz-Sonde kommerziell erhältlich. Die Speckle-Tracking-Merkmale sind analog zu denen, die beim Gewebe-Speckle-Tracking zur Untersuchung der Myokarddeformation verwendet werden 11,12,13. Da sich rote Blutkörperchen tendenziell schneller und mit einer höheren Dopplerfrequenz bewegen als das umgebende Gewebe, können die beiden Signale durch Anwendung eines Zeitfilters getrennt werden. BSI verwendet einen Best-Match-Algorithmus, um die Bewegung von Blutsprenkeln direkt und ohne Kontrastmittel zu quantifizieren. Die Blutgeschwindigkeitsmessungen können als Pfeile, Stromlinien oder Pfadlinien mit oder ohne zugrunde liegende Farbdopplerbilder visualisiert werden und können Bereiche mit komplexem Fluss10 hervorheben.

Es hat sich gezeigt, dass BSI eine gute Durchführbarkeit und Genauigkeit für die Quantifizierung von intrakardialen Blutflussmustern aufweist, mit ausgezeichneter Validität im Vergleich zu einem Referenzphantominstrument und einem gepulsten Doppler 7,10,11. Obwohl BSI noch sehr neuartig ist, ist es ein vielversprechendes klinisches Werkzeug für die Frühdiagnose verschiedener kardialer Pathophysiologien. Die klinische Anwendung der Vortex-Bildgebung hat sich bei Neugeborenen als vielversprechend erwiesen. Insbesondere das Verhalten eines Wirbels im linken Ventrikel (LV) kann langfristige Auswirkungen auf den kardialen Umbau und die Prädisposition für Herzinsuffizienz haben.

Der Mechanismus, der Wirbel mit linksventrikulärem Remodeling verbindet, ist noch relativ unerforscht, wurde aber kürzlich in unserem Labor untersucht und ist Gegenstand laufender Arbeiten11. Dieser Artikel zur Methodik zielt darauf ab, den Einsatz von BSI bei der Erforschung intrakardialer Wirbel zu beschreiben und den praktischen und klinischen Einsatz von Wirbeln bei der Beurteilung der diastolischen Funktion in verschiedenen Populationen zu diskutieren. Ein weiteres Ziel ist es, die klinische Relevanz von BSI zu diskutieren und einige der bisher an Neugeborenen durchgeführten Arbeiten vorzustellen.

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Protocol

Alle Verfahren, die in Studien mit menschlichen Teilnehmern durchgeführt wurden, entsprachen den ethischen Standards des institutionellen und/oder nationalen Forschungsausschusses und der Erklärung von Helsinki von 1964 und ihren späteren Änderungen oder vergleichbaren ethischen Standards. Die Einverständniserklärung wurde von allen Familien der einzelnen Teilnehmer, die in die Studie einbezogen wurden, eingeholt. Alle Bilder und Videoclips wurden nach der Übernahme anonymisiert.

1. Vorbereitung des Patienten

  1. Stellen Sie das Ultraschallgerät neben dem Patientenbett auf und schließen Sie ein Drei-Kanal-Elektrokardiogramm an (siehe Materialtabelle).
  2. Geben Sie den Patientencode und relevante Details wie Körperlänge und Gewicht ein und führen Sie das Echokardiogramm gemäß den zuvor beschriebenen Standards12 durch.

2. Bildaufnahme

  1. Speziell für BSI erhalten Sie eine flache Ansicht des LV in der apikalen Vierkammeransicht mit einer schmalen Sektorbreite, die eine Aufnahmebildrate zwischen 400 und 600 Hz ermöglicht.
  2. Öffnen Sie einen Farbkasten über der linken Herzhöhle, der maximal schmal ist, um nur den Bereich von der Mitralklappe bis zur Endokardspitze und von der Endokardgrenze der Septumwand bis zur Endokardgrenze der Seitenwand einzuschließen.
  3. Erhöhen Sie den Farbzuwachs bis zur Sprenkelung und reduzieren Sie ihn leicht. Stellen Sie die Grenze der Farb-Doppler-Geschwindigkeitsskala auf die entsprechende diastolische Geschwindigkeit (20-30 cm/s bei Frühgeborenen) ein, um das Farbfeld maximal mit dem sich langsamer bewegenden diastolischen Zufluss zu füllen.
  4. Tippen Sie auf dem Touchscreen-Bedienfeld des Geräts (siehe Materialtabelle) auf den BSI-Modus , um die intrakardialen Flussrichtungen und Wirbel im RAW-Farbformat anzuzeigen. Passen Sie die Position und Größe der BSI-Box an, um die gewünschte Flussregion einzubeziehen, und zeichnen Sie mindestens zwei Herzzyklen auf.
  5. Wiederholen Sie den Vorgang in der apikalen LV-Langachsenansicht oder in anderen Ansichten, in denen eine intrakardiale hämodynamische Beurteilung erforderlich ist (Abbildung 2 und Abbildung 3).

3. Bildanalysen

ANMERKUNG: Die Bildanalysetechniken für den LV-Wirbel wurden in früheren Arbeiten aus unserem Labor11 kurz beschrieben. Das Protokoll, das zur Beurteilung der intrakardialen Wirbel verwendet wird, lautet wie folgt (Abbildung 3 und Abbildung 4).

  1. Speichern Sie zwei Herzzyklen von jedem Patienten auf externen Medien im RAW-DICOM-Format und übertragen Sie sie an eine Laborstation mit installierter Bildverarbeitungssoftware (siehe Materialtabelle) für detaillierte Offline-Analysen.
  2. Sobald Sie offline sind, identifizieren Sie den prominentesten oder Hauptwirbel.
    HINWEIS: Der Hauptwirbel wird als längliche, ovale, gegen den Uhrzeigersinn rotierende Struktur visualisiert, die sich im oberen linken Quadranten des linken Ventrikels in der Nähe des Septums befindet, wobei die maximale Wirbelfläche in der späten Diastole (während der transmitralen A-Welle) bei Frühgeborenen zu finden ist (Video 1). Der Hauptwirbel findet sich in der Regel während der transmitralen E-Welle bei älteren Säuglingen und Kindern.
  3. Notieren Sie die Anzahl der unabhängigen, vollständigen ovalen Wirbel, die sich während des Herzzyklus für jeden Clip bilden.
  4. Messen Sie die Position des Hauptwirbels relativ zu bekannten Landmarken innerhalb des LV. Um die Wirbeltiefe zu bestimmen, messen Sie mit dem Tool "Abstandsmessung" der Analysesoftware den vertikalen Abstand vom Wirbelauge bis zur Mitte des Mitralklappenringes. Messen Sie für die Vortex-Querposition den horizontalen Abstand vom Wirbelauge zum endokardialen Rand des interventrikulären Septums.
  5. Messen Sie die vertikalen und horizontalen Kantenabstände des Hauptwirbels relativ zur LV-Länge und -Breite, um die Wirbelform zu erhalten.
    HINWEIS: Dies ermöglicht auch die Schätzung des Wirbelsphärizitätsindex als Länge dividiert durch Breite.
  6. Klicken Sie mit dem Werkzeug "Tracing-Messung" in der Analysesoftware auf den äußersten Wirbelring an der Stelle, an der der Hauptwirbel am stärksten ausgeprägt ist, und zeichnen Sie ihn nach, um die Hauptwirbelfläche zu bestimmen.
  7. Um die Peak Vortex Formation Time (PVFT) zu beurteilen, zeichnen Sie den Herzrahmen auf, wenn der Wirbel zum ersten Mal auftritt (kreisförmige Ringe sind abgegrenzt), wo der Hauptwirbel am stärksten ausgeprägt ist, und berechnen Sie die Anzahl der Bilder im Verhältnis zur Gesamtzahl der Bilder in einem Herzzyklus für den Patienten.
  8. Um die Wirbeldauer zu beurteilen, messen Sie die Frames, aus denen der Wirbel zum ersten Mal erscheint, wenn der Wirbel seine kreisförmige Ringbildung verliert. Die Vortex-Dauer wird dann als Anzahl der Frames im Verhältnis zur Gesamtzahl der Frames des Patienten in einem Herzzyklus berechnet (Abbildung 5).

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Representative Results

Die Erfassung von Vortex-Clips ist vergleichbar mit der Standardmethodik, die universell zur Gewinnung von Farb-Doppler-Clips verwendet wird. Bahnbrechende Studien an Erwachsenen haben Wirbel unter Verwendung der apikalen Zwei-, Drei- und Vierkammeransichten beschrieben14. Der LV-Wirbel ist eine ringförmige Struktur, die sich von der Basis bis zum Scheitelpunkt bewegt. BSI visualisiert den Innendurchmesser des Rings (Abbildung 2). Ein Wirbelring ist in der Regel nicht symmetrisch geformt, daher können alternative Abbildungsebenen eine variable Wirbelmorphologie oder -position aufweisen. In einer kleinen Analyse von 20 Patienten wurde festgestellt, dass die Wirbelposition vergleichbar war. Insbesondere war der Wirbelsphärizitätsindex in der Vier-Kammer-Ansicht höher als in der Drei-Kammer-Ansicht (Abbildung 3). In der vorliegenden Studie wurde die Drei-Kammer-Ansicht für die Wirbelbildgebung verwendet, die unserer Erfahrung nach die reproduzierbarsten Bilder lieferte.

Jüngste Arbeiten aus unserem Labor haben die erfolgreiche klinische Anwendung von aus der Echokardiographie gewonnenem BSI11 beschrieben. Eine Population von 50 Frühgeborenen erhielt ein umfassendes Echokardiogramm, das neben traditionellen klinischen Daten wie Blutdruck und Atemstatus auch eine BSI-Bewertung umfasste. Die Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit sowohl der Erfassung als auch der Interpretation von Wirbeln bei Neugeborenen waren hoch und zeigten, dass Wirbel auf der Grundlage der oben diskutierten Methodik detailliert beschrieben werden konnten. Insbesondere wurde eine Reihe von Werten für die Wirbelfläche, die Position, die Morphologie, die Anzahl der scheinbaren Wirbel und die Timing-Eigenschaften sowie die traditionellen Struktur- und Funktionsparameter des Herzens identifiziert. Darüber hinaus wurde die Population auf der Grundlage indizierter LV-Volumina in Quartile unterteilt und zeigte signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen des oberen und unteren Quartils für verschiedene wichtige Wirbelparameter (Tabelle 1).

Die Analysen zeigten mehrere Schlüsselassoziationen zwischen den neuen BSI-Wirbelparametern und den traditionellen, aus der Echokardiographie abgeleiteten Parametern der diastolischen Funktion und der LV-Morphologie. Es zeigte sich eine starke positive Korrelation zwischen der Wirbelfläche und der enddiastolischen Dimension des LV (r = 0,50, p < 0,01), und es wurde eine inverse Korrelation zwischen der Vortexdauer und dem Ee'-Verhältnis beobachtet - ein Surrogatmaß für den enddiastolischen Druckdes LV 12 (r = -0,56, p < 0,01). Diese Daten deuten darauf hin, dass Wirbel einen einzigartigen Einblick in die diastolische Funktion einer neonatalen Population geben und traditionelle, gut etablierte Parameter zusätzlich unterstützen können.

Die oben beschriebenen Schlüsselassoziationen zwischen der Wirbelfläche und der LV-Morphologie haben zu weiteren laufenden Arbeiten an der Hypothese geführt, dass kinetische Energie aus der intrakardialen Hämodynamik den frühen kardialen Umbau des LV bei Frühgeborenen beeinflussen kann. Eine größer angelegte prospektive Studie hat bisher gezeigt, dass mindestens jedes vierte Frühgeborene zum Zeitpunkt der Entlassung Anzeichen eines LV-Herzumbaus zeigt. Zu den zugrundeliegenden Mechanismen liegen jedoch nur begrenzte Informationen vor. Vorläufige Untersuchungen ergaben, dass die Wirbel am postnatalen Tag 7 nach der Frühgeburt bei Säuglingen, die später ein kardiales Remodeling entwickelten, weniger verlängert waren, was die Hypothese unterstützt, dass intrakardiale Blutflussmuster eine wichtige Rolle bei der kardialen Entwicklung nach einer Frühgeburt spielen könnten15. Weitere Studien sind erforderlich, um diese Ergebnisse zu validieren und zu untersuchen, ob eine frühzeitige und kurzfristige Intervention diesen Weg der abnormalen Herzentwicklung möglicherweise verhindern kann.

Die Anwendung von BSI bei der Charakterisierung der intrakardialen Hämodynamik wurde auch an anderen kardialen Landmarken untersucht, bei denen einzigartige Flussmuster vorhanden sind (Abbildung 6). Vorläufige Beurteilungen der bikavalen Zuflussmuster werden im rechten Vorhof (Video 2) und der Hämodynamik des rechtsventrikulären Ausflusstrakts während der Diastole (Video 3) durchgeführt. Diese Pilotstudien zielen darauf ab, die Muster des venösen Rückflusses bei Neugeborenen mit unterschiedlicher Atemunterstützung weiter zu beschreiben und weitere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen respiratorischen Veränderungen und diastolischer Funktion zu gewinnen.

Figure 1
Abbildung 1: Linksventrikuläre intrakardiale Hämodynamik. Diese Abbildung zeigt visuell intrakardiale Blutflussmuster und Wirbelbildung innerhalb des LV. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Linksventrikulärer Wirbelring. Dieses Schema zeigt den Wirbelring aus einer apikalen Dreikammeransicht mit zweidimensionaler Farbdoppler- und Speckle-Tracking-Bildgebung. Bei Verwendung der apikalen Drei-Kammer-Ansicht ist der Hauptwirbel (Smain 3-Kammer) kleiner als die Vier-Kammer-Ansicht (Smain 4-Kammer). Der Hauptwirbel ist in der Regel größer, wenn man ihn mit sekundären Wirbeln (Ssec) vergleicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Aus der Bildgebung von Blutflecken abgeleitete Wirbel in den apikalen Ansichten. Dies ist ein Vergleich von BSI-abgeleiteten Wirbeln, die mit der apikalen Vierkammeransicht (links) und der apikalen Dreikammeransicht (rechts) demonstriert wurden. Die Diagramme stellen die unterschiedlichen Formen und Positionen der Wirbel in den beiden apikalen Fenstern dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Beurteilung der Wirbelmorphologie. Dieses Diagramm zeigt die manuellen Methoden, die in unserem Labor verwendet werden, um die Parameter der Wirbelmorphologie aus der apikalen Vierkammeransicht zu erhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Bewertung der Vortex-Timing-Eigenschaften. Diese Abbildung zeigt die Methoden, die verwendet werden, um Vortex-Timing-Eigenschaften wie Wirbeldauer und maximale Wirbelbildungszeit zu erhalten. Die vertikale rote Linie zeigt an, in welchem Stadium des Herzzyklus ein Wirbelereignis auftritt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Blutflecken-Tracking in anderen Herzkammern. Diese Abbildung zeigt die intrakardiale Hämodynamik in anderen Herzkammern. Im rechten Ventrikel (RV) ist der Hauptwirbel eine im Uhrzeigersinn rotierende Struktur, die sich entlang der Nasenscheidewand mit ihrer maximalen Fläche kurz vor der Pulmonalklappe und der Arterie (PA) rollt. Im rechten Vorhof (RA) bildet sich ein Hauptwirbel durch die Vermischung des Zuflusses über die untere Hohlvene (IVC) und die obere Hohlvene (SVC) in der Nähe des unteren Randes der Seitenwand und mit Drehung gegen den Uhrzeigersinn und manchmal einer zweiten Drehung im Uhrzeigersinn in der Nähe des RA-Anhängsels. Der linke Vorhof (LA) hat begrenzte Bereiche, in denen sich der Fluss der vier Lungenvenen nicht direkt vermischt, und Wirbel können schwer zu erfassen sein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

LVEDVi Unterstes Quartil LVEDVi Höchstes Quartil
Ejektionsfraktion (%) 67(5) 69(5)
Längsdehnung (%) 20.3(1.6) 23.5(2.7)*
MV VTI (cm) 6.4(1.9) 9.6(2.8)**
EA-Verhältnis 0.69(0.12) 0.84(0.10**
Ee'-Verhältnis 13.3(2.9) 19.7(8.0)*
IVRT (ms) 54(8) 44(8)**
Ort
Wirbeltiefe 0.58(0.10) 0.56(0.07)
Wirbel-Querlage 0.29(0.07) 0.37(0.15)**
Geometrie
Wirbelfläche (2 cm) 0.44(0.28) 0.57(0.21)
Wirbelfläche indiziert mit LV-Bereich 0.20(0.12 0.18(0.05)
Zeit-Eigenschaften
Vortex-Startzeit (% des RR) 88(5) 76(8)**
Maximale Wirbelbildungszeit (% der RR) 91(2) 82(8)**
Vortex-Dauer (% der RR) 16(4) 11(2)**

Tabelle 1: Vergleich zwischen Säuglingen mit dem niedrigsten und dem höchsten Quartil der indizierten LV-Volumina. Die Daten werden als Mittelwert + Standardabweichung (SD) dargestellt. **p < 0,01, *p < 0,05. Abkürzungen: IVRT = isovolumische Relaxationszeit; LVEDVi = linksventrikuläres enddiastolisches Volumen, indexiert nach Gewicht; MV = Mitralklappe. Die Tabelle wird aus Referenz11 wiederverwendet.

Video 1: Screenshots aus dem LV-Vortex-Video. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 2: Screenshots aus dem Video des Bi-Caval-Zuflusswirbels. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Video 3: Screenshots aus dem Video des rechtsventrikulären Ausflusstrakts. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

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Discussion

Die Bedeutung der Visualisierung und des Verständnisses des intrakardialen Wirbels
Es gibt viele mögliche klinische Anwendungen der aus der Hochbildrate der Echokardiographie abgeleiteten Vortex-Bildgebung. Ihre Fähigkeit, wertvolle Einblicke in die intrakardiale Flussdynamik zu geben, war Gegenstand neuerer Studien16. Darüber hinaus kann die Wirbelbildgebung die Detektion präsymptomatischer Veränderungen in der LV-Architektur und -Funktion bei Neugeborenen ermöglichen, die einen Einfluss auf den langfristigen kardialen Umbau bis ins Erwachsenenalter haben können15. Dies wiederum kann die Genauigkeit und die prognostischen Ergebnisse von Folgebehandlungen und Operationen erhöhen. Die Verwendung von BSI zur Visualisierung intrakardialer Wirbel hat in jüngster Zeit in der Literatur an Bedeutung gewonnen, ist aber noch weitgehend unerforscht. Abgesehen von den Arbeiten im vorliegenden Labor an Frühgeborenen haben andere klinische Publikationen gezeigt, dass die aus der Echokardiographie abgeleitete BSI bei Säuglingen mit angeborenen Herzfehlern 7,17, Herzklappenpathologie18 und sogar in rechtsventrikulärer Pathologie19 machbar und klinisch relevant ist.

Der Nutzen der Vortex-Bildgebung bei der Beurteilung der diastolischen Funktion
Die diastolische Funktion des LV beschreibt seine Fähigkeit, sich mit Blut zu füllen und ein Schlagvolumen für den Auswurf vorzubereiten. Es gab große Fortschritte beim Verständnis der diastolischen Funktion bei Patienten mit Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (HFpEF), insbesondere in Bezug auf Pathophysiologie, Diagnose und Prognose mit Echokardiographie 20,21. Die diastolische Funktion des Herzens beinhaltet einen aktiven biochemischen Prozess der myokardialen Entspannung, bei dem sich die Aktin- und Myosin-Querbrücken lösen und die Spannung in den Myokardmuskelfasern abzunehmen beginnt. Wenn sich die Mitralklappe öffnet, gelangt das Blut durch einen Sog in das LV, der durch den elastischen Rückstoß der Myokardfasern entsteht, die sich in Richtung ihrer ursprünglichen Länge bewegen (Rückstellkräfte). Dadurch sinkt der LV-Kavitätendruck und es entsteht ein Druckgefälle zwischen Vorhof und Herzkammer. Die letzte Phase der diastolischen Funktion wird durch Vorhofkontraktion erzeugt, die den LA-Druck über den LV-Druck erhöht und den enddiastolischen LV-Enddruck und das enddiastolische Volumen vor dem Schließen der Mitralklappe und dem Beginn der Kontraktion22 festlegt.

Aus hämodynamischer Sicht beinhaltet die LV-Diastole den Durchgang einer sauerstoffreichen Blutsäule aus den Vorhöfen in den Ventrikel zur Vorbereitung des Auswurfs. Die Lage des LV-Ausflusstraktes neben dem Mitralanulus bedeutet, dass das Blut basal bis apikal in den Ventrikel eintritt und den Ventrikel apikal bis basal verlässt. Jüngste Fortschritte im Verständnis der intrakardialen Hämodynamik deuten darauf hin, dass diese Umlenkung des Blutflusses, die beim Übergang von der linksventrikulären Füllung zum Auswurf stattfindet, einer bestimmten Rotationsrichtung folgt, um die Scherkräfte auf das Myokard zu minimieren und die kinetische Energie der sich bewegenden Blutsäule zu erhalten, daher die Bildung eines intraventrikulären Wirbels 4,5 (Abbildung 1).

Die Leitlinien für die Diastologie wurden von der American Society of Echocardiography und der European Association of Cardiovascular Imaging12 zusammengefasst. Es gibt mehrere Einschränkungen bei der Standard-Doppler- und zweidimensionalen abgeleiteten Beurteilung der diastolischen Funktion. Dazu gehören unter anderem die Herzfrequenz, die Abhängigkeit vom Dopplerwinkel, die Signalqualität und die Schwierigkeit, die diastolische Dysfunktion anhand mehrerer Parameter zu bewerten, die oft nicht übereinstimmen. So wird die Einführung des intrakardialen Wirbels ermöglicht, einen winkel- und herzfrequenzunabhängigen Parameter vorzuschlagen, der das Potenzial für einen detaillierten Einblick in die Relaxation und Füllung des LV aus einer einzigen Primärmessung bietet.

Wie die aktuellen Ergebnisse zeigen, liefert die Visualisierung des Wirbels mehrere Parameter, die einen Einblick in die diastolische Herzfunktion ermöglichen. Insbesondere wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Wirbelfläche/-form und der LV-Morphologie sowie die Relevanz des Vortex-Timings für die Vorhersage des enddiastolischen LV-Drucks gezeigt. Darüber hinaus werden auch Variationen in der Wirbelposition basierend auf der verwendeten Bildgebungsebene beobachtet (Abbildung 3) sowie Positionsunterschiede bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern in Arbeiten anderer Autoren (d. h. Wirbel, der in volumenüberlasteten Fällen und Patienten mit Herzklappenpathologie näher am interventrikulären Septum positioniert ist 7,12). Die Anzahl der Wirbel, die in der LV beobachtet werden, könnte theoretisch mit der LV-Architektur zusammenhängen, hat aber noch keine statistische Signifikanz in dieser Arbeit und der Arbeit anderer gezeigt. Schließlich kann die Vortex-Bildgebung zu komplexeren numerischen Messungen führen, wie z. B. Wirbel, Energieverlust und gespeicherte kinetische Energie, was einen gewissen prognostischen Wert bei der Untersuchung von angeborenen Herzkranzerkrankungen, wie z. B. bikuspiden Aortenklappen, gezeigt hat18. Die klinische Anwendung von BSI kann praktikable zusätzliche Informationen zum herkömmlichen Farbdoppler liefern und dazu beitragen, die Visualisierung abnormaler hämodynamischer Muster bei Pathologien wie Shunts, Klappeninsuffizienz und Stenose zu verbessern17.

Bildgebung und Analyse des intrakardialen Wirbels: Vor- und Nachteile
Wie bereits beschrieben, können intrakardiale Blutflussmuster mit Hilfe der kardialen Magnetresonanztomographie (MRT) sowie der aus der Echokardiographie abgeleiteten Particle Imaging Velocimetry, Vector Flow Mapping und BSI6 visualisiert werden. Bei Neugeborenen bietet BSI aufgrund seiner nicht-invasiven Natur und der Anwendung am Krankenbett die größten Vorteile. Da die Bildauflösung und die Durchdringung des Ultraschallstrahls in umgekehrtem Verhältnis zueinander stehen, ermöglicht die sehr kleine Körperoberfläche eines Neugeborenen die Nutzung einer hohen Auflösung, ohne sie für die Eindringtiefe zu opfern. Da BSI jedoch hohe Bildraten und Auflösungen erfordert, um intrakardiale Wirbel zu erfassen, kann diese Technologie derzeit nicht bei größeren Patienten, wie z. B. Erwachsenen, durchgeführt werden, bei denen die höheren Penetrationsanforderungen die Auflösung beeinträchtigen. Bisher war die größte Anzahl von Patienten, bei denen BSI erfolgreich angewendet wurde, in einer Population von Kindern mit einem medianen Alter von 7 Jahren und einer Körperoberfläche von bis zu 1,22 m27.

Eine weitere Einschränkung der BSI-Bildgebung ist ihre Abhängigkeit von qualitativ hochwertigen zweidimensionalen Bildern, um Wirbel genau abzuschätzen. Derzeit ist BSI in der dreidimensionalen Echokardiographie nicht verfügbar, was die Visualisierung dieser komplexen dreidimensionalen Struktur einschränkt. Darüber hinaus erleidet BSI aufgrund seiner begrenzten Eindringtiefe einen erheblichen Verlust des Signal-Rausch-Verhältnisses. In der Praxis bedeutet dies, dass ein verunsichertes Neugeborenes, das sich während der Untersuchungszeit bewegt, und eine Körperstruktur, die eine optimierte und definierte Vier-Kammer-Sicht auf den LV ausschließt, mit dieser Technologie erhebliche Hindernisse darstellen können. Methoden zur Beruhigung des Neugeborenen während der Untersuchung (z. B. unter Verwendung von Saccharose) und andere Techniken zur Optimierung der LV-Bildqualität in der Vier-Kammer-Ansicht (z. B. Positionierung des Neugeborenen und Operateurtechniken) sollten ohne weiteres implementiert werden.

Schließlich beschränkte sich diese Studie kommerziell auf die Wirbeleigenschaften der Technologie der Wahl (d. h. aus der Echokardiographie abgeleitete BSI). Während die klinische Relevanz und Reproduzierbarkeit dieser Messungen in der Literatur an Bedeutung gewinnt, muss noch weiter validiert werden, was diese Marker bei verschiedenen Pathologien bedeuten und wie sie im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren abschneiden. Zum Beispiel können die Wirbelarchitektur, die Positionierung und das Timing bei angeborenen Herzfehlern sehr nützlich sein, während die kinetischen Energieparameter, die mit BSI noch nicht verfügbar sind, in langfristigen Serienstudien des kardialen Umbaus gute Dienste leisten können.

Zukünftige Richtungen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass BSI als kostengünstiges, nicht-invasives und wertvolles Instrument zur Beurteilung der intrakardialen Hämodynamik und insbesondere von Wirbeln schnell Anerkennung findet. Die Arbeiten des vorliegenden Labors haben seine Reproduzierbarkeit verifiziert und seinen klinischen und praktischen Nutzen als ergänzendes Instrument zur Beurteilung der Herzfunktion und des Umbaus nach Frühgeburten nachgewiesen8. In Zukunft muss der hypothetische Zusammenhang zwischen intrakardialen Scherkräften auf das Myokard und dem anschließenden kardialen Umbau, der an verschiedenen Punkten der frühen Lebensentwicklung beobachtet wird, weiter untersucht werden. Bisher wurden nur architektonische und zeitliche Eigenschaften von Wirbeln untersucht. Wie bereits angedeutet, kann die Erfassung energetischer Parameter wie der kinetischen Rotationsenergie und der Wirbeltizität weitere Einblicke in den Mechanismus liefern, der Strömungsmuster und ungünstiges kardiales Remodeling miteinander verbindet. Klinisch kann dies in der Folge dazu führen, dass bei Risikopatienten zeitnahe Interventionen durchgeführt werden können.

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Disclosures

Die Autoren haben keine Offenlegungen oder Interessenkonflikte zu deklarieren.

Acknowledgments

Wir möchten uns bei der Neugeborenen-Intensivstation des John Hunter Hospitals dafür bedanken, dass sie unsere laufende Arbeit zusammen mit den Eltern unserer sehr kleinen und wertvollen Teilnehmer durchgeführt hat.

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

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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 

Beurteilung intrakardialer Wirbel mit Echokardiographie-abgeleiteter Blutfleckenbildgebung mit hoher Bildrate bei Neugeborenen
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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).

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