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

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 hele^levensduur. 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 stroming^{markeren 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.

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. Voorbe…

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, v…

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 invlo…

Materials

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