Der Einsatz der 3D-Echokardiographie bei der chirurgischen Planung der Mitralklappe in der Kinderkardiologie

Zusammenfassung

Die 3D-Echokardiographie der Mitralklappe in der Kinderkardiologie führt zu vollständigen anatomischen Rekonstruktionen, die zu einer verbesserten chirurgischen Behandlung beitragen. Hier skizzieren wir ein Protokoll für die 3D-Erfassung und Nachbearbeitung der Mitralklappe in der Kinderkardiologie.

Zusammenfassung

Die Mitralklappenerkrankung in der Kinderkardiologie ist komplex und kann eine Kombination aus ringförmigen, Segel-, Chordae tendineae- und papillären Muskelanomalien beinhalten. Die transthorakale zweidimensionale Echokardiographie (2DE) ist nach wie vor das primäre diagnostische Bildgebungsverfahren, das bei der Planung von Kinderoperationen eingesetzt wird. Da es sich bei der Mitralklappe jedoch um eine dreidimensionale (3D) Struktur handelt, ist die Hinzufügung einer 3D-Echokardiographie (3DE) zur besseren Definition der Mechanismen der Stenose und/oder Regurgitation von Vorteil. Die transthorakale 3DE-Technologie hat sich mit den Fortschritten in der Sondentechnologie und den Ultraschallscannern verbessert und erzeugt Bilder mit guter räumlicher Auflösung und angemessener zeitlicher Auflösung. Insbesondere die Hinzufügung von pädiatrischen 3D-Schallköpfen mit höheren Frequenzen und kleinerem Platzbedarf sorgt für eine bessere 3DE-Bildgebung bei Kindern. Die verbesserte Effizienz der 3DE-Erfassung und -Analyse ermöglicht eine einfachere Integration der 3D-Beurteilung der Mitralklappe durch den Sonographen, den Kardiologen und den Chirurgen in die Mitralklappenbeurteilung. Möglich wurde diese Verbesserung auch durch die Optimierung der Nachbearbeitungssoftware.

In diesem Methodenpapier soll die transthorakale 3DE-Beurteilung der Mitralklappe bei Kindern und ihre Verwendung bei der chirurgischen Planung der pädiatrischen Mitralklappenerkrankung beschrieben werden. Zunächst beginnt die 3DE-Beurteilung mit der Auswahl der richtigen Sonde und dem Blick auf die Mitralklappe. Dann sollte die geeignete Datenerfassungsmethode basierend auf dem einzelnen Patienten ausgewählt werden. Als nächstes ist die Optimierung des Datensatzes entscheidend, um die räumliche und zeitliche Auflösung richtig auszubalancieren. Während des Live-Scannens oder nach der Erfassung kann der Datensatz mit innovativen Werkzeugen zugeschnitten werden, die es dem Benutzer ermöglichen, schnell eine unendliche Anzahl von Schnittebenen oder volumetrischen Rekonstruktionen zu erhalten. Der Kardiologe und der Chirurg können die Mitralklappe im Gesicht betrachten; Auf diese Weise kann seine Morphologie genau rekonstruiert werden, um die medizinische oder chirurgische Planung zu unterstützen. Abschließend wird ein Überblick über einige klinische Anwendungen vorgeschlagen, wobei Beispiele für das pädiatrische Mitralklappenmanagement vorgestellt werden.

Einleitung

Der Mitralklappenapparat ist eine komplexe Struktur, die aus dem Mitralklappenring, den Segeln, den Chordae tendineae und den linksventrikulären Papillarmuskeln^{besteht 1,2}. Die pädiatrische Mitralklappenerkrankung besteht aus einer Vielzahl morphologischer Anomalien, die mit angeborenen und erworbenen Herzanomalien einhergehen³. Die Beschreibung der Morphologie der Mitralklappenerkrankung und die ihr zugrundeliegenden Mechanismen sind wichtige Parameter für die Operationsplanung⁴. Dies erfordert den Einsatz präziser diagnostischer Bildgebungsmodalitäten. Die Echokardiographie hat sich als eine der primären diagnostischen Techniken bei der pädiatrischen Mitralklappenerkrankung etabliert⁵. Insbesondere die zweidimensionale (2D) Echokardiographie bei pädiatrischen Mitralklappenerkrankungen ist nach wie vor die am weitesten verbreitete diagnostische Methode. Aufgrund der Natur der 2D-Bildgebung müssen der Sonograph, der Kardiologe und der Chirurg diese komplexe 3D-Struktur jedoch gedanklich rekonstruieren, um die pathologischen Mechanismen zu bestimmen.

Mit der Fähigkeit, anatomisch korrekte Ansichten und eine unendliche Anzahl von Schnittebenen zu erzeugen, hat die dreidimensionale (3D) Echokardiographie die Möglichkeit, die Mitralklappenbildgebung zu verbessern. Der Wert der 3D-Echokardiographie zeigt sich in ihrer Fähigkeit, spezifische Informationen über die Form und Dynamik des Rings, den Jakobsmuschelprolaps und die Zone der Segelkoaptation zu liefern ^6,7. Während sich die transösophageale 3D-Echokardiographie (TEE) als die genaueste Ultraschallmethode zur Identifizierung der Mitralklappenpathologie bei Erwachsenen erwiesen^{hat 8}, ist die transthorakale 3D-Echokardiographie (TTE) bei Kindern aufgrund eines besseren akustischen Fensters besser durchführbar. Die 3D-TTE hat sich bei der Unterscheidung einfacher und komplexer Mitralklappenläsionen und der Notwendigkeit eines chirurgischen Eingriffs als sehr genau erwiesen⁹. Darüber hinaus ermöglicht die Erfassung eines volumetrischen 3D-Datensatzes Chirurgen und Kardiologen die Zusammenarbeit bei der Nachbearbeitung, was die Operationsplanung weiter verbessert.

Die 3D-TTE-Technologie hat sich mit Fortschritten in der Sondentechnologie, der Ultraschallverarbeitungsleistung und der Nachbearbeitungseffizienz weiter verbessert. Die aktuellen 3D-Matrixsonden können nun einen vollständigen Volumen-Single-Beat-Datensatz mit einer Volumenrate von ca. 25 Volumina pro Sekunde^{erfassen 10}. Es ist möglich, die Volumenrate eines Single-Beat-Datensatzes je nach Ultraschallhersteller, Sondentechnologie und Volumenoptimierung weiter auf über 25 Volumina pro Sekunde zu erhöhen. Wenn jedoch die EKG-gesteuerte (Subvolumen) Vollvolumenmethode verwendet wird, kann sich diese Zahl mehr als verdoppeln, was zu Volumenraten führt, die bei Kindern benötigt werden. Die höheren Herzfrequenzen bei Kindern im Vergleich zu Erwachsenen erfordern eine höhere zeitliche 3D-Auflösung für die diagnostische Genauigkeit. Darüber hinaus ermöglichte die Entwicklung einer spezifischen pädiatrischen 3D-Sondentechnologie eine höhere Abtastfrequenz, die eine bessere räumliche Auflösung ermöglichte, was angesichts der geringen Größe der Mitralklappe und ihrer Vorrichtung entscheidend ist¹¹. Trotz all dieser technologischen Verbesserungen ist es den Anbietern gelungen, Sonden mit Fußabdrücken herzustellen, die an die Anatomie von Kleinkindern angepasst sind, um ein optimales akustisches Fenster zu gewährleisten. Schließlich ermöglichen neue Nachbearbeitungsfunktionen, wie z. B. ein schnelles Zuschneidewerkzeug, eine effiziente Nachbearbeitung.

In dieser Arbeit beschreiben wir die Technik zur 3D-TTE-Beurteilung der Mitralklappe bei Kindern, die auf jedes Ultraschallsystem mit 3D-TTE-Anwendung angewendet werden kann. Darüber hinaus wird die Nachbearbeitung der 3D-Daten und deren Nutzen für die Operationsplanung überprüft. Abschließend werden wir einige klinische Anwendungen der 3D-Bildgebung bei Kindern diskutieren und einige Beispiele einbeziehen.

Protokoll

Dieses Protokoll folgt den Richtlinien der Ethikkommission für die Humanforschung unserer Institution.

HINWEIS: Für die Implementierung dieses Protokolls wird ein General Electric (GE) Vivid E95 oder Philips Epiq 7C Ultraschallsystem verwendet. Beim GE Vivid E95-System hat der Benutzer die Wahl zwischen der 4Vc-D (Sonde für Erwachsene) oder 6Vc-D (Sonde für Kinder). Beim Philips Epiq 7C hat der Benutzer die Wahl zwischen der X5-1 (Sonde für Erwachsene) oder X7-2 (Sonde für Kinder). Siehe Abbildung 1.

1. Einrichtung des Patienten und Auswahl der Sonde

1. Positionieren Sie den Patienten nach Möglichkeit in einer linken lateralen Dekubitusposition. Siehe Abbildung 1, Schritt A.
2. Wählen Sie die geeignete 3D-Matrizensonde für Kinder oder Erwachsene aus, basierend auf der Patientengröße und der Qualität des Bildgebungsfensters. Bei der Mehrzahl der pädiatrischen Patienten unter zehn Jahren kann bei der Bildgebung aus einem parasternalen Bildgebungsfenster aufgrund der Nähe der Mitralklappe eine Hochfrequenzsonde (pädiatrisch) verwendet werden. Ab einem Alter von zehn Jahren kann die Verwendung einer pädiatrischen Sonde versucht werden, aber bei älteren Kindern ist die Sonde für Erwachsene bei hervorragender Bildqualität idealer. Siehe Abbildung 1, Schritt B.
   HINWEIS: Wenn der Benutzer nur Zugang zu einer 3D-Matrixsonde für Erwachsene hat, erhöhen Sie bei kleineren pädiatrischen Patienten die Scanfrequenz, um eine optimale räumliche Auflösung zu erzielen.

2. Sondenpositionierung und 2D-Bildoptimierung

1. Tragen Sie eine großzügige Menge Gel auf die ausgewählte 3D-Matrixsonde auf.
   HINWEIS: Das optimale Bildgebungsfenster für die 3D-Mitralbeurteilung ist eine modifizierte niedrige parasternale Längsachsenansicht. Aus dieser Sicht befindet sich der Mitralklappenapparat in unmittelbarer Nähe der Sonde und die Mitralklappensegel sind relativ senkrecht zum Ultraschallstrahl. Darüber hinaus ermöglicht eine niedrige parasternale Längsachsenansicht eine vollständige Visualisierung des gesamten Mitralklappenapparates. Siehe Abbildung 1, Schritt C.
2. Um eine modifizierte Ansicht der unteren parasternalen Längsachse zu erhalten, positionieren Sie die Sonde auf der Brust in einer standardmäßigen parasternalen Längsachsen-Echokardiographieansicht.
   1. Schieben Sie die Sonde seitlich auf den Brustkorb, bis die Mitralklappensegel senkrecht zum Ultraschallstrahl stehen und das 2D-Bildgebungsfenster optimal ist (diese Position befindet sich zwischen dem Standard-Parasternalfenster und dem Standard-apikalen Fenster).
      HINWEIS: Wenn der Patient nicht über eine optimale modifizierte niedrige parasternale Ansicht verfügt, ermöglicht ein standardmäßiges parasternales Fenster und ein apikales Fenster in Kombination eine vollständige Visualisierung der Mitralklappenanatomie.
   2. Zentrieren Sie die Mitralklappe im Ultraschallbereich, indem Sie die Sonde bewegen. Beim Schaukeln der Sonde wird die Längsachse der Sonde entlang eines festen Punktes bewegt, während der Insonationswinkel von 90 Grad weg geändert wird. Zentrieren Sie in der 3D-Bildgebung den interessierenden Bereich im Ultraschallbereich, um ein schmaleres Volumen und damit eine bessere zeitliche Auflösung zu ermöglichen.

3. 3D Methode zur Volumenerfassung

1. Aktivieren Sie zunächst die 3D-Taste an der Ultraschallkonsole (von einigen Anbietern auch als 4D bezeichnet), um eine Anzeige in voller Lautstärke aufzurufen. Die Anzeige des vollen Volumens sollte als vollständiges Volumen in Echtzeit beginnen.
   HINWEIS: Der 3D-Zoom kann auch verwendet werden, um einen 3D-Datensatz der Mitralklappe zu erhalten, wird jedoch mit seinem begrenzten Interessenbereich nicht empfohlen, da die Einbeziehung umgebender Strukturen für die chirurgische Behandlung wichtig sein kann.
2. Wenn der Patient kooperativ ist und in der Lage ist, den Atem anzuhalten, verwenden Sie eine EKG-gesteuerte Vollvolumenerfassung (siehe Abbildung 1, Schritt E). Wählen Sie die Anzahl der Sub-Volumes (Herzschläge), die für die Erfassung verwendet werden sollen. Bei den meisten Ultraschallgeräten kann die Anzahl der Subvolumina zwischen 2 und 6 eingestellt werden (siehe Abbildung 1, Schritt H). Die höhere Anzahl von Subvolumen, die während der Aufnahme verwendet werden, führt zu einer höheren Volumenrate (erhöhte zeitliche Auflösung), kann jedoch zu Stichartefakten führen, die mit der Atmung oder Bewegung zusammenhängen, wenn die Subvolumina zusammengefügt werden.
3. Wenn der Patient unkooperativ ist oder nicht in der Lage ist, den Atem anzuhalten, eliminiert die Echtzeit-3D-Erfassung des gesamten Volumens das Potenzial für "Stich"-Artefakte (siehe Abbildung 1, Schritt F). Die reduzierte zeitliche Auflösung ist jedoch bei Kindern nicht ideal und erfordert, dass der Benutzer entweder die Volumengröße (Region of Interest) oder die räumliche Auflösung opfert, um dies zu kompensieren (beides wird im nächsten Schritt erläutert).

4. 3D Volumenoptimierung (siehe Abbildung 1, Schritt G)

1. Optimieren Sie die Größe des gesamten Volumens, um nach Möglichkeit alle Mitralklappenanulus, Sehnen, Papillenmuskeln und Aortenklappe einzubeziehen.
   HINWEIS: Mit der EKG-gesteuerten Erfassung kann ein größeres Datenvolumen erfasst werden, da die Lautstärkerate über die Unterlautstärken erhöht wird.
   1. Für die Echtzeiterfassung ist ein kleineres Datenvolumen erforderlich, um eine angemessene Bildrate aufrechtzuerhalten. Dazu wird die Höhenebene verengt und in einer parasternalen kurzen Achse abgebildet, um eine vollständige Visualisierung der Mitralklappensegel und des Anulus zu ermöglichen (siehe Abbildung 2).
2. Optimieren Sie das 3D-Signal-Rausch-Verhältnis (Qualität der Bilder), indem Sie die Dichte der Ultraschalllinie nach Möglichkeit erhöhen. Eine Erhöhung der Dichte der Ultraschallleitung führt zu einer Abnahme der Volumenrate. Verschiedene Anbieter haben eine unterschiedliche Terminologie für diese Funktion. Optimieren Sie beim GE Vivid E95 Ultraschallsystem die Liniendichte mit dem Drehregler "Bildrate ". Optimieren Sie beim Philips Epiq 7C Ultraschallsystem die Liniendichte mit der Touchscreen-Taste für die Bildqualität .
   1. Erhöhen Sie mit der EKG-gesteuerten Erfassung die Dichte der 3D-Volumenlinie, da durch die Verwendung von Subvolumina eine gute Volumenrate erhalten bleibt.
   2. Mit der Echtzeiterfassung können Sie die Dichte der 3D-Volumenlinie mit einer akzeptablen Volumenrate für die Herzfrequenz des Patienten ausgleichen.
3. Stellen Sie die 3D-Verstärkungseinstellungen höher als die 2D-Verstärkungseinstellungen ein, um Aussetzer in den Mitralklappensegel zu minimieren. Die Verstärkung kann während der Nachbearbeitung verringert werden, um das zugeschnittene Bild bei Bedarf weiter zu optimieren.

5. Speichern der 3D-Volumenerfassung (siehe Abbildung 1, Schritt I)

1. Wenn Sie eine EKG-gesteuerte Erfassung verwenden, bitten Sie den Patienten, den Atem anzuhalten und still zu bleiben. Aktivieren Sie dann die Anzahl der ausgewählten Sub-Volumes (Herzschläge). Warten Sie mindestens so lange, wie Sie die Anzahl der Beats ausgewählt haben, bevor Sie Store drücken (je mehr Sub-Volumes ausgewählt sind, desto länger dauert der Speichervorgang)
   1. Stellen Sie sicher, dass keine "Stich"-Artefakte vorhanden sind und die gesamte Mitralklappe im 3D-Volumen sichtbar ist, bevor Sie das endgültige Volumen speichern.
2. Wenn Sie die Echtzeiterfassung verwenden, speichern Sie das endgültige Volumen, sobald alle Optimierungen abgeschlossen sind.

6. 3D Farbdoppler-Erfassung

1. Separat erhalten Sie eine 3D-Volumenerfassung mit Farbdoppler, indem Sie den Farbdoppler hinzufügen und die Schritte 3-5 des Protokolls befolgen. Optimieren Sie die Größe des Farbdopplerkastens so schmal wie möglich und beziehen Sie dabei den gesamten Mitralklappenring mit ein. Stellen Sie die Farbdoppler-Geschwindigkeitsskala zwischen 60-80 cm/s ein.
2. Verwenden Sie die EKG-gesteuerte Erfassung, um eine angemessene Volumenrate aufrechtzuerhalten. Führen Sie Schritt 5.1 aus, um das 3D-Farbdopplervolumen zu speichern.
   HINWEIS: Das Hinzufügen von Farbdopplern zu einem 3D-Volumen reduziert die zeitliche Auflösung erheblich, was die Machbarkeit bei Kindern erschwert.

7. Nachbearbeitung und Zuschneiden der Mitralklappe

HINWEIS: Die Nachbearbeitung und das Zuschneiden der Mitralklappe können direkt am Ultraschallgerät durchgeführt werden, um sofortige Ergebnisse zu erzielen. Es gibt jedoch auch dedizierte GE-Software (EchoPAC) und Philips-Software (QLAB), die die gleichen Funktionen von einer Prüfstation aus bieten. Darüber hinaus bietet TomTec eine universelle Software für die Nachbearbeitung und das Zuschneiden von 3D-Datensätzen beider Hersteller.

1. Laden Sie das gespeicherte 3D-Volumen der Mitralklappe in eine 3-teilige multiplanare Darstellung (2D-Querebene, 2D-Höhenebene und 3D-Rekonstruktion) und aktivieren Sie das Schnellzuschnittswerkzeug. Das Schnellzuschneidewerkzeug erfordert zwei Klicks und ermöglicht es dem Benutzer, in jeder Ebene zuzuschneiden.
   HINWEIS: Verschiedene Anbieter haben unterschiedliche Terminologien für das Schnellzuschnittstool. Auf dem GE Vivid E95 Ultraschallsystem ist dieses Zuschneidewerkzeug mit "2 Click Crop" beschriftet. Auf dem Philips Epiq 7C Ultraschallsystem ist dieses Zuschneidewerkzeug mit "Quick Vue" beschriftet.
2. Um eine Ansicht der Mitralklappe aus dem linken Vorhof (Ansicht des Chirurgen) zu erhalten, führen Sie die folgenden Schritte aus (siehe Abbildung 3, Schritt E).
   1. Positionieren Sie den ersten Curser von der 2D-Seitenebene (niedrige parasternale Längsachse in diesem Protokoll) im linken Vorhof, direkt über dem Mitralring. Nachdem die erste Position eingestellt ist, ziehen Sie den Curser über die Mitralklappe in Richtung Ventrikelseite und richten Sie die Schnittlinie parallel zum Mitralklappenanulus aus. Positionieren Sie den zweiten Curser innerhalb des linken Ventrikels, stellen Sie sicher, dass die Mitralklappensegel in Ihren Schnittlinien erfasst sind, und stellen Sie diesen Punkt ein (siehe Abbildung 3 Schritt B).
   2. Die empfohlene Anzeigeausrichtung für die Mitralklappe en face ist anterior^{up 12}. Drehen Sie mit dem Trackball das 3D-Mitralventil, um die Aortenklappe am oberen Bildschirmrand zu positionieren.
3. Um eine Ansicht der Mitralklappe aus dem linken Ventrikel zu erhalten, drehen Sie einfach das im vorherigen Schritt zugeschnittene Bild um 180 Grad (bei einigen Anbietersystemen gibt es eine Flip-Crop-Funktion, die dies schnell bewerkstelligt) (siehe Abbildung 3, Schritt F).
   1. Schneiden Sie das Farbdoppler-3D-Volumen der Mitralklappe in der gleichen Ausrichtung wie in Schritt 7.3 zu.
4. Verschaffen Sie sich einen Blick auf den Subvalvarapparat der Mitralklappe einschließlich der Chordae, Tendineae und Papillarmuskeln.
   1. Positionieren Sie den ersten Curser von der 2D-Seitenebene (niedrige parasternale Längsachse in diesem Protokoll) in der Mitte des linken Ventrikels. Nachdem Sie die erste Position festgelegt haben, ziehen Sie den Cursor in Richtung der hinteren Wand des linken Ventrikels und richten Sie die Schnittlinien parallel zur Längsachse des linken Ventrikels aus. Positionieren Sie den zweiten Cursor unterhalb der hinteren Wand und setzen Sie diesen Punkt (siehe Abbildung 4).
5. Optimieren Sie die 3D-Verstärkungs- und Kompressionseinstellungen.
   1. Optimieren Sie die 3D-Gain-Einstellungen auf die niedrigste Einstellung und sorgen Sie gleichzeitig für minimale bis gar keine Aussetzer des Mitralklappensegels.
   2. Optimieren Sie die 3D-Komprimierungseinstellungen, um einen breiteren oder engeren Bereich von Farbtönen einzubeziehen. Die 3D-Komprimierung kann die 3D-Tiefenwahrnehmung verbessern. Beim Philips Epiq 7 System erfolgt die Einstellung der 3D-Kompression durch Drehen des Kompressionsknopfes . Beim GE Vivid E95-System erfolgt die Einstellung der 3D-Kompression durch Drehen des Gain-Reglers im aktiven Modus .
6. Speichern Sie die optimierten, zugeschnittenen 3D-Ansichten der Mitralklappe als separate Cine-Loop-Clips.

Ergebnisse

Ein qualitativ hochwertiger 3D-Datensatz der Mitralklappe in der pädiatrischen Echokardiographie hat eine optimale Volumenrate, die für die Beurteilung der Segelbewegung geeignet ist, und eine hervorragende räumliche Auflösung, die eine überlegene axiale Auflösung verwendet. Um den Erfolg der Protokolle der 3D-EKG-gesteuerten Erfassung zu beurteilen, bestimmen Sie zunächst, ob ein signifikantes "Stich"-Artefakt vorhanden ist. Wenn kein Artefakt vorhanden ist und die Erfassung mit ...

Diskussion

Für den Operateur/Sonographen ist die 3D-Echokardiographie oft mit mehreren Herausforderungen verbunden. Erstens gibt es naturgemäß erhebliche Unterschiede in der Patientengröße, der Herzfrequenz und der Zusammenarbeit während einer pädiatrischen Echokardiographie-Untersuchung. Diese Parameter machen es schwierig, 3D-spezifische Protokolle zu haben, und machen daher den 3D-Erfassungsoperator abhängig. Oft konzentriert sich die Ausbildung von Sonographen in erster Linie auf die 2D...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
4Vc-D probe	General Electric		Ultraspound probe (GE)
6Vc-D probe	General Electric		Ultraspound probe (GE)
Epiq 7C	Philips		Ultrasound system
Vivid E95	General Electric		Ultrasound system
X5-1	Philips		Ultraspound probe (Philips)
X7-2	Philips		Ultraspound probe (Philips)