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

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Wirbel^{liegt 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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Protokoll

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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Ergebnisse

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 nich...

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Diskussion

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, ...

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Materialien

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