Strain, strain rate og speckle tracking: Myokardie-deformation
Myokardie-deformation: strain, strain rate, speckle tracking
Som tidligere omtalt kan venstre ventrikels væg opdeles i tre lag: den indre foring (endokardiet), et tykt muskellag (myokardiet) og en ydre foring (epikardiet). Myokardiet er det tykke muskellag, hvor muskelfibrene er organiseret i flere lag, der vikler sig rundt om ventriklen med varierende orientering. Denne organisering gør det muligt for venstre ventrikel at trække sig sammen på en meget sofistikeret og effektiv måde (figur 1).
Myokardiefibre, der støder op til endokardiet, er orienteret i længderetningen (fra basis til apex) og giver en forkortelse i længderetningen (figur 1A), hvilket betyder, at basis trækkes mod apex.
Myokardiefibrene i det midterste lag (midtervæggen) er orienteret cirkulært omkring den korte akse. Sammentrækning i dette lag resulterer i radial forkortelse, hvilket betyder, at diameteren af det ventrikulære hulrum mindskes (figur 1B).
Muskelfibrene, der støder op til epikardiet, er orienteret ca. 60° i forhold til fibrene i midtervæggen. Sammentrækning i dette lag resulterer i en drejende (roterende) bevægelse af hele venstre ventrikel. De basale segmenter roterer med uret, og apex roterer mod uret. Denne roterende eller snoede sammentrækning kaldes cirkumferentiel forkortelse (figur 1C).
Venstre ventrikels funktion afhænger af et komplekst samspil mellem muskelfibrene i disse lag, som tilsammen skaber en meget effektiv pumpemekanisme.
Traditionelle metoder til undersøgelse af venstre ventrikels funktion – f. eks. ejektionsfraktion (EF), fraktioneret sortering (FS) osv. – belyser ikke regionale variationer i kontraktil funktion eller effektivitet af longitudinal, radial og cirkumferentiel sammentrækning. Metoder som ejektionsfraktion kan således give let opnåelige parametre, men giver ikke vigtig indsigt i venstre ventrikels mekanik.
Regionale forskelle i kontraktil funktion er yderst vigtige, især i forbindelse med (bekræftet eller mistænkt) myokardieiskæmi. Som et klart eksempel kan man betragte en patient med iskæmisk hjertesygdom, som har normal ejektionsfraktion, men nedsat kontraktil funktion i den nedre væg. Dette fund kaldes inferior wall motion abnormality, og det kan være tegn på myokardieinfarkt, hvilket ville have konsekvenser for behandlingen af denne patient, uanset ejektionsfraktionen. Derfor er det vigtigt at opdage og karakterisere abnormiteter i vægbevægelsen.
Der er udviklet metoder til kvantificering af den regionale myokardiefunktion. Disse metoder analyserer myokardiets bevægelse og deformation (ændring i form) under systole og diastole. Deformationsafbildning er blevet implementeret i klinisk praksis og anbefales nu i vid udstrækning. Dette kapitel diskuterer de teoretiske og praktiske aspekter af deformation (strain, strain rate) og myokardiebevægelse.
Myokardiebevægelse
Myokardiebevægelse handler om myokardiets bevægelse fra et punkt til et andet. Under bevægelsen har alt myokardiet inden for et bestemt område samme hastighed. Bevægelsen er karakteriseret ved to variabler: afstand og hastighed. Afstand angiver den afstand, myokardiet bevæger sig, og hastighed angiver bevægelsens hastighed.
Myokardiebevægelse og -hastighed kan måles med pulserende vævsdoppler (se Pulserende bølgedoppler). Vævsdoppler giver mulighed for at tage prøver af specifikke områder eller strukturer. Dette gøres ved at placere prøvevolumenet (SV) i interesseområdet. Dette gøres rutinemæssigt for at måle hastigheden af mitral annulus, som under systolen bevæger sig mod apex og derefter trækker sig tilbage til sin startposition. Mitral annulus-hastighed bruges til at studere længdesammentrækning; under systole bevæger basen og dermed mitral annulus sig mod apex, og under diastole sker den modsatte bevægelse. Mitral annulus-hastigheden er et vigtigt mål for den globale longitudinale systoliske funktion. Figur 2 viser måling af mitral annulus-hastighed med pulserende vævsdoppler.
Vævsdoppler i farver kan også bruges til at studere regionale hastigheder. Det har den fordel, at man kan studere større områder af myokardiet samtidig, hvilket dog sker på bekostning af en lavere tidsmæssig opløsning.
Ulemper ved at bruge bevægelse som markør for funktion
Den største ulempe ved at bruge bevægelse som et mål for regional kontraktil funktion er, at alt myokardiet er forbundet med hinanden. Bevægelse i et område påvirkes direkte af bevægelse i tilstødende områder. Det betyder, at selv nekrotisk myokardie (f.eks. på grund af myokardieinfarkt) kan bevæge sig under systole og diastole (levedygtigt og kontraherende myokardie omkring den nekrotiske zone vil trække og skubbe det døde myokardie, så det viser en bevægelse). Det følger heraf, at måling af bevægelse i et enkelt punkt kan være meget misvisende, da bevægelsen i et punkt afhænger af bevægelserne i det omgivende myokardium.
Løsningen er at bruge deformation som et mål for funktion. Begrundelsen for at måle deformation er, at dødt myokardium ikke vil deformere (ændre form) under systole og diastole, uanset bevægelser i det omgivende myokardium. Måling af deformation har vist sig at være bedre end måling af bevægelse.
Tæthed og tæthedsgrad: Mål for deformation
Strain defineres som forkortelse eller forlængelse af myokardiet. Forkortelse sker, når myokardiet trækker sig sammen, og forlængelse sker, når myokardiet slapper af (strækker sig ud). Disse to deformationer kan studeres ved hjælp af ekkokardiografi. Hovedformålet er at afgøre, om myokardiets bevægelse er normal ved at måle graden af deformation (strain) og den hastighed, hvormed det sker (strainrate).
Strain og strainhastighed bør være relativt ens i hele myokardiet, da alle regioner bør deformeres omtrent lige meget i løbet af hjertecyklussen. Undersøgelse af strain og strain rate kan identificere regionale forskelle i deformation, hvilket indikerer patologi. Desuden kan det belyse den samlede myokardie-deformation, som er en indikator for den globale funktion.
Stamme: Graden af deformation
Strain er graden af deformation, dvs. hvor meget myokardiet er deformeret. Den beregnes ved at måle omfanget af forkortelse eller forlængelse i løbet af hjertecyklussen. Formlen for strain er som følger:
Strain = (L-L0)/L0-100
L0 = indledende myokardielængde; L = endelig længde.
Konstanten 100 omdanner strain til procent (%).
Hvis den oprindelige længde af det målte område er 10 mm, og den endelige længde er 12 mm, vil strain være 20 % (positiv strain). Hvis den oprindelige længde er 10 mm, og den endelige længde er 7 mm, vil strain være -30% (negativ strain). Sammentrækning (forkortelse) giver negativ belastning, og afslapning (forlængelse) giver positiv belastning (figur 3).
Strain kan måles i alle deformationsretninger; det er muligt at undersøge longitudinal, radial og perifer strain.
Strain rate: deformationens hastighed
Strain rate er deformationens hastighed, dvs. deformation pr. tidsenhed (sekunder). Det kan matematisk bevises, at deformation pr. tidsenhed svarer til forskellen i hastighed inden for et område divideret med områdets længde, som følger:
Forvrængningshastighed = (V1 -V2) / d
I henhold til ovenstående formel kan belastningshastighed opnås ved at måle hastigheden (ved hjælp af pulserende vævsdoppler) i to punkter i myokardiet og afstanden mellem punkterne (figur 4).
Strain rate er et mål for deformationshastigheden mellem to målepunkter. Som for strain indikerer en negativ værdi sammentrækning, og en positiv værdi indikerer afslapning.
Ved at kortlægge strainhastigheden i mange dele af myokardiet er det samtidig muligt at afgøre, om strain og strainhastighed er ens i alle dele, hvilket er forventet. Pulserende vævsdoppler beregner både belastning og belastningshastighed samtidigt.
For at beregne strain og strain rate ved hjælp af vævsdoppler bruges en billedhastighed på 100 FPS. Fordelen ved vævsdoppler er, at den tidsmæssige opløsning er meget høj, og at metoden er velegnet til måling af longitudinal strain. Desværre er vævsdoppler vinkelafhængig (forkert insonationsvinkel fører til en undervurdering af belastningshastigheden), og desuden kan radial og cirkumferentiel belastning ikke undersøges. Disse mangler er blevet overvundet ved hjælp af speckle tracking, som diskuteres i det følgende.
Speckle-sporing
Speckle er betegnelsen for de strukturer, som myokardiet viser på ultralydsbilledet. Hvis man kigger nøje på figur 7, kan man se, at myokardiet ikke producerer et homogent signal, men at der ses et mønster af variationer i ekkosignalet. Disse strukturer kaldes pletter, og de opstår på grund af ultralydsbølgernes interaktion (refleksioner, spredning, interferens) med vævet.
Speckle-sporing
Specklerne bevæger sig under systolen og diastolen, og det er muligt at analysere hastigheden og afstanden af deres bevægelser. Dette kaldes speckle tracking, og denne metode har i vid udstrækning erstattet vævsdoppler til måling af strain og strain rate. Figur 9 illustrerer, hvordan sporer spores i det todimensionelle plan. Strain defineres som ændringen i afstanden mellem to speckle-punkter divideret med den oprindelige afstand:
S = (L1-L0) / L0
L0 = oprindelig afstand mellem punkterne.
L1 = ny afstand mellem punkterne.
Speckle-tracking er udelukkende baseret på ultralydsbilledet, og der kræves ingen Doppler-målinger. Det gør speckle-tracking mere pålidelig, da den ikke er følsom over for insonationsvinklen. Speckle tracking giver dog en lavere tidsmæssig opløsning, hvilket gør metoden dårligere i forbindelse med takykardi (præcisionen reduceres ved høj hjertefrekvens), og når man studerer speckles, der er placeret langt væk (fra transduceren). Desuden er speckle tracking ringere til laterale bevægelser, hvilket skyldes, at ultralyd har en lavere lateral opløsning sammenlignet med aksial opløsning.
Speckle tracking bruger 40 til 80 FPS (billeder pr. sekund), og der kan være behov for op til 100 FPS under takykardi. Speckle tracking kan bruges til alle brandkamre, selvom målinger i højre atrium og højre ventrikel generelt er mindre præcise på grund af vanskeligheder med at identificere speckles.
Global og regional belastning
Moderne ultralydssystemer beregner både regional og global belastning. Regional belastning er den belastning, der beregnes i hvert segment. Global belastning er gennemsnittet af alle individuelle segmenter.
Med speckle tracking kan strain og strain rate beregnes for bevægelser i longitudinal, radial og perifer retning. I det apikale ildkammerbillede (A4C) er den longitudinale belastning vigtigst. Longitudinal strain er en robust markør for hjertets funktion og korrelerer godt med f.eks. ejektionsfraktion (EF). Den langsgående deformation afhænger primært af subendokardiale muskelfibre, da disse er orienteret i den langsgående retning. Cirkumferentiel deformation (bedst analyseret i PSAX) afspejler primært epikardiale fibre. Longitudinal strain falder ved sygdomme som hypertension, diabetes og kardiomyopati.