Авторы: Jaydev K. Dave, Maureen E. Mc Donald, Praveen Mehrotra, Andrew R. Kohut, John R. Eisenbrey, and Flemming Forsberga
Вступление
Из нескольких методов визуализации, доступных сегодня для визуализации сердца, преимущества, связанные с УЗИ, включают визуализацию в режиме реального времени, визуализацию у постели больного (в месте оказания медицинской помощи), экономическую эффективность и визуализацию без использования ионизирующего излучения. Стоимость других методов визуализации сердца превышает стоимость 2D-эхокардиографии в 3,1–14,0 раза, тогда как стоимость катетеризации правого и левого сердца, часто выполняемой для получения диагностической информации, выше почти в 20 раз. Согласно последним данным Американской кардиологической ассоциации, около 92,1 миллиона американцев (более чем 1 из 3 американцев) страдают по крайней мере от одного типа сердечно-сосудистых заболеваний. Во всем мире сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смерти (около 31% всех мировых смертей).
Как динамический циклический насос, который способен реагировать и приспосабливаться к изменяющимся требованиям кровотока и условиям давления, измерение характеристик и функциональных параметров сердечной мышцы становится клинически значимым для оценки сердечной недостаточности и ишемии миокарда. Нарушения в податливости сердечной мышцы во время стадии наполнения сердечного цикла (диастолы) вызывают диастолическую дисфункцию и сердечную недостаточность с сохраненной фракцией выброса. Нарушения насосной способности сердца во время сокращения сердечной мышцы в сердечном цикле (систола) вызывают систолическую сердечную недостаточность, также известную как сердечная недостаточность со сниженной фракцией выброса.
Принимая во внимание преимущества, предоставляемые ультразвуковой визуализацией и бременем сердечно-сосудистых заболеваний, технологические достижения расширили роль ультразвука в визуализации сердца. Эта статья послужит обзором некоторых из этих последних технологических достижений в области ультразвукового исследования сердца, включая тканевую допплерографию, визуализацию деформации миокарда, контрастную эхокардиографию, трехмерную эхокардиографию, трехмерную объемную оценку кровотока.
Тканевая допплерография (TDI)
На протяжении более 50 лет, с тех пор как Сатомура в 1950-х годах впервые выполнил первые измерения движения, а также кровотока в сердце, в Японии, клиническое использование ультразвуковой визуализации значительно расширилось. В то время как ультразвуковые сканеры обнаруживали эхо-сигналы, рассеянные из крови, на основе эффекта Допплера, только в конце 1980-х годов концепция тканевой допплерографии (TDI) для эхокардиографии имела роль. Обычные доплеровские системы полагаются на фильтры верхних частот для извлечения высокочастотных сигналов низкой амплитуды, вызванных кровотоком, но путем инвертирования обработки сигналов TDI использует фильтры нижних частот, чтобы изолировать низкочастотные сигналы высокой амплитуды, связанные с движением миокарда, в в частности, продольный компонент сокращения миокарда.
Тканевая допплерография выполняются с использованием импульсной волны или цветового кодирования. TDI с импульсной волной напрямую измеряет мгновенную скорость ткани в пределах небольшого (1-5 мм) объема выборки, в то время как TDI с цветовой кодировкой позволяет проводить одновременный осмотр всего цветового блока, но требует пост-обработки. Оба эти режима основаны на импульсном принципе Допплера, но отличаются друг от друга в зависимости от размера области, из которой выполняются измерения скорости, а также от того, как вычисляются и отображаются результирующие значения. Консенсусные заявления от ряда эхокардиографических обществ по всему миру рекомендуют количественные оценки TDI для оценки систолической и диастолической функции левого желудочка (ЛЖ) и правого желудочка (ПЖ), давления наполнения ЛЖ и желудочковой диссинхронии, а также для мониторинга лечения пациентов.
В течение сердечного цикла импульсный сигнал TDI содержит три пика, соответствующих пиковым скоростям миокарда во время систолы (s ′, обозначающих сокращение миокарда), раннюю диастолу (e ′, обозначающую расслабление миокарда) и позднюю диастолу (а′, обозначающую активное сокращение предсердия) (Рис. 1). Кроме того, могут быть идентифицированы изоволюметрические пики сокращения и расслабления. Нормальные значения TDI импульсной волны для s ′, e ′ и a ′ можно найти в литературе. Количественные измерения TDI могут быть использованы для характеристики глобальной и региональной функции миокарда и могут обеспечить прогностические маркеры для ряда сердечных заболеваний, включая ишемическую болезнь сердца, сердечную недостаточность и болезни клапанов сердца.
Рисунок 1: Цветные допплеровские кривые отображаются слева после обработки изображения. a ′ = поздняя диастолическая скорость и s ′ = систолическая скорость; пик после s ′ и перед e ′ соответствует пику в фазе изоволюмической релаксации, а пик после a ′ и перед s ′ соответствует пику в фазе изоволюмического сокращения).
Ограничения
При использовании импульсного TDI только один объем выборки может быть обработан за один раз, что делает процедуру трудоемкой. Хотя цветовое кодирование TDI быстрее, поскольку позволяет сравнивать несколько сегментов миокарда одновременно, он требует постобработки для компенсации изменений угла и гораздо более подвержен угловым ошибкам. Скорости TDI, полученные при углах, превышающих 20 ° (т.е. угол падения, превышающий 20 °), не являются надежными.
Оценка деформации миокарда
Оценка деформации миокарда – это метод ультразвукового исследования сердца для оценки деформации миокарда или дробного изменения длины сегмента миокарда. За последние несколько десятилетий интересы в оценке параметров, в частности деформации и эластичности, связанных с деформацией миокарда, развивались от методов, использующих имплантированные маркеры сердца, до методов оценки деформации на основе неинвазивной визуализации с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии (КТ) или УЗИ. Интерес к визуализации деформаций проистекает из способности понимать региональную и глобальную сердечную механику и оценивать раннюю субклиническую дисфункцию ЛЖ, которая не может быть адекватно описана более стандартными параметрами, такими как фракция выброса ЛЖ. Деформация миокарда является результатом сокращения и расслабления волокон сердечной мышцы в продольном, окружном и радиальном направлениях в течение сердечного цикла. Поэтому измерения деформаций миокарда, как правило, производятся вдоль этих трех осей, что приводит к продольной деформации, окружной деформации и радиальной деформации относительно определенного момента в сердечном цикле. В отличие от скорости миокарда, деформация менее подвержена влиянию соседних областей и условиям нагрузки. Для оценки напряжения, связанного с деформациями миокарда, используются две ультразвуковые методики: TDI, как обсуждалось в предыдущем разделе, и эхокардиография с отслеживанием спеклов (STE Speckle Tracking Echo).
Speckle Tracking Echo
Позволяет оценить смещение области интереса и, следовательно, предоставить оценку деформации и ее скорости (Рис. 2). Этот метод, однако, ограничен возможностью движения спекл через плоскость и поэтому является наиболее надежным для продольной и окружной (а не радиальной) деформации. Проблема перемещения в плоскости может быть преодолена с помощью 3D STE, которая позволяет одновременно измерять глобальные и региональные продольные, круговые и радиальные деформации. Как 2D, так и 3D STE, однако, требуют такого качества изображения, чтобы морфологические детали миокарда можно было отслеживать от одного кадра к другому. Наконец, 3D STE иногда ограничивается не оптимальным временным и пространственным разрешением, но усовершенствования в технологиях ультразвукового датчика и формирования луча продолжаются для преодоления этих проблем.
Рисунок 2: Продольная деформация с помощью 2D эхокардиографии с отслеживанием спеклов показана на верхушечной четырехкамерной проекции слева вверху. Карта «яблочко», показывающая индивидуальные значения продольной деформации для всех сегментов миокарда с наложением цвета и глобальной продольной деформацией, показана в правом верхнем углу. Кривые продольной деформации для желудочковых сегментов в 4D виде показаны внизу.
Контрастная эхокардиография
Хотя эхокардиография является наиболее часто используемым методом визуализации для оценки структуры и функции сердца, приблизительно 20% этих исследований могут быть неоптимальными. Субоптимальное качество изображения послужило катализатором для разработки коммерческих контрастных ультразвуковых агентов на основе микропузырьков, которые способствуют улучшению взаимодействия тканей с кровью. Коммерческие контрастные агенты были специально сконструированы таким образом, чтобы микропузырьки были достаточно маленькими (<8 мкм), и проходили через капилляры в легких и достигали левой части сердца.
По сравнению с мышцами, жидкость, такая как кровь, обычно выглядит безэховой (то есть черной) на ультразвуковом изображении, поскольку эритроциты не рассеивают ультразвуковые импульсы так сильно, как ткань. Однако, когда ультразвук взаимодействует с микропузырьками, он заставляет их колебаться (то есть сжиматься и расширяться), тем самым увеличивая обратное рассеяние ультразвукового луча. Обратное рассеяние усиливает эхогенность области, заполненной кровью, что облегчает визуализацию таких целей, как стенки ЛЖ (Рис. 3). Окрашивание ЛЖ дает возможность более точной количественной оценки размера ЛЖ и систолической функции путем оценки объемов камеры и ФВ. Измерения объема с 2D и 3D КЭ умеренно согласуются с МРТ. Надежность измерений функции ЛЖ особенно важна для людей, нуждающихся в серийном тестировании, таких как те, кто получает кардиотоксическую химиотерапию.
Рисунок 3: Границы эндокарда плохо визуализируются без контраста (вверху слева). Контрастные микропузырьки помутняют левый желудочек, улучшая очертания границ эндокарда (вверху справа). Папиллярная мышца (белая стрелка), нормальная внутрисердечная структура, очерчена контрастом. Контраст обеспечивает четкую визуализацию апикального тромба (стрелка; внизу слева) и апикальной опухоли (внизу справа). Наличие сосудистого канала и усиление контрастом помогают дифференцировать апикальную опухоль от апикального тромба.
3D эхокардиография
Трехмерная (3D) эхокардиография представляет собой значительный прогресс в области ультразвукового исследования сердца и стала признанным инструментом для оценки структуры и функции сердца. «Трехмерная эхокардиография в реальном времени» (в которой датчик остается неподвижным) стала возможной в начале 1990-х годов с разработкой датчиков с матрицей (которые содержат до 3000 пьезоэлементов) и развитием технологии параллельной обработки. В то время как трехмерная эхокардиография ограничена более низким пространственным и временным разрешением по сравнению с двухмерной эхокардиографией и специфичными для 3D артефактами, этот метод позволяет рассматривать структуры и патологию сердца с уникальных, «похожих на жизнь» перспектив, которые в противном случае были бы невозможны.
Методы трехмерной эхокардиографии
В современных системах трехмерной эхокардиографии в реальном времени пирамидальный или объемный набор данных получают с использованием трансторакального или трансэзофагеального датчика с поддержкой 3D. Размер объема обозначается боковой (азимут) и высотной плоскостями и глубиной сбора. Сюда входят различные режимы:
- режим узкого угла (приблизительно 30 × 60 градусов),
- режим масштабирования или увеличения (приблизительно 30 × 30 градусов)
- «полный объем» или широкоугольный режим (приблизительно 90 × 90 градусов).
Трехмерная эхокардиография также может быть интегрирована с цветным допплером во всех трех режимах. Из-за уменьшенного временного разрешения 3D-изображений с увеличением размера объема и / или добавлением цветного допплера, временное разрешение может быть улучшено (> 30 Гц) с помощью электрокардиографического режима «multi-beat», при котором несколько субобъемов из нескольких сердечных циклов объединяются, чтобы создать единый объемный набор данных.
Трехмерные изображения эхокардиографии могут отображаться в нескольких форматах после получения изображения (Рис. 4). Наиболее часто используемый метод отображения – это «рендеринг объема», при котором отдельные воксели улучшаются, чтобы создать восприятие глубины для зрителя. Эти изображения могут быть обрезаны и ориентированы в представления, которые лучше всего показывают область интереса и их пространственное отношение к окружающим структурам. «Многоплоскостная реконструкция» – это метод томографической визуализации, при котором из двумерного набора данных одновременно визуализируются несколько 2D-видов (сагиттальная, корональная и поперечная плоскости). Наконец, «рендеринг поверхности» – это сгенерированное компьютером твердотельное или каркасное изображение поверхности трехмерной структуры, которое обычно создается с помощью ручного или полуавтоматического отслеживания структуры, такой как митральный клапан.
Рисунок 4: Панель a (вверху): объемная визуализация, показывающая провод в левом желудочке во время транскатетерной замены аортального клапана (слева); рендеринг поверхности каркаса, наложенный на многоплоскостные двухмерные изображения левого желудочка (посередине); и визуализация цвета левого желудочка с цветовой кодировкой, где каждый цвет представляет отдельный желудочковый сегмент (справа). Панель b (внизу): объемная визуализация митрального клапана, изображающая выпадение митрального клапана в задней части (слева); визуализация поверхности митрального клапана с градациями цвета, представляющими степень выпадения относительно кольцевой плоскости (посередине); и объемная визуализация с цветным допплером, изображающая тяжелую митральную регургитацию из-за пролапса митрального клапана (справа).
Заключение
С учетом достижений, суммированных в вышеприведенном обзоре, связанных с тканевой допплерографией, деформационной визуализацией, контрастной эхокардиографией, трехмерной эхокардиографией, ультразвуковая визуализация быстро меняет область визуализации сердца. Преимущества, предлагаемые ультразвуковой визуализацией в сочетании с шагами по стандартизации ультразвуковых маркеров, будут играть важную роль в решении вопросов здравоохранения, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
