Einflüsse von Geräteeinstellungen auf myokardiale Geschwindigkeitsprofile in der Gewebedopplerechokardiographie beim Pferd

Abstract

Die Gewebedopplerechokardiographie ist ein diagnostisches Verfahren zur Ermittlung der myokardialen Wandbewegungsgeschwindigkeit, basierend auf der Erfassung von Frequenzveränderungen der Ultraschallstrahlen infolge von Reflektionen an beweglichen Objekten. In der Humanmedizin stellt diese Methode bereits einen wertvollen diagnostischen Bestandteil der kardiologischen Untersuchung dar. Sie ermöglicht die Gewinnung bedeutsamer quantitativer Informationen über den regionalen Funktionszustand definierter Myokardareale und ist insbesondere bei der Identifikation subklinischer myokardialer Erkrankungen hilfreich. Seit dem Jahr 2005 wird die GDE auch in der Echokardiographie des Pferdes verwendet, jedoch gestaltet sich bis heute die Befundbeurteilung aufgrund der hohen Datenvariabilität teilweise als schwierig. In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse von Geräteeinstellungen auf das myokardiale Geschwindigkeitsprofil evaluiert. Hierzu wurden Einstellungsparameter wie die Höhe der Bildrate, die Größe des Sektorwinkels, der Einfluss der Kurvenglättung, die Größe der ROI und der Unterschied zwischen Spektral- und Farbgewebedoppler untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, eine Empfehlung für Geräteeinstellungen bei der Gewebedoppleruntersuchung des Pferdes zu geben, um die Reproduzierbarkeit der Datenerhebung zu erhöhen. Für die Evaluierung des Einflusses der Bildraten auf das myokardiale Geschwindigkeitsprofil wurden die Geschwindigkeitsmaxima bei 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 kHz, woraus Bildraten von 48-114 Bildern/s resultierten, gemessen. Die Erhöhung erfolgte durch Veränderung der Pulsrepititionsfrequenz in vier Stufen und des Sektorwinkels in zwei Stufen. Mit steigender Bildrate konnte bis zu einer Bildrate von 73 Bildern/s ein signifikanter Anstieg der Geschwindigkeitsmaxima ermittelt werden. Eine weitere Erhöhung durch Verkleinerung des Sektorwinkels führte vermutlich bedingt durch die Minimierung des Sichtwinkels und der damit einhergehenden Verminderung der akkuraten Positionierung des Schallkopfes zu keiner weiteren Verbesserung. Ein weiterer Erklärungsansatz ist, dass eine Bildrate von 73 Bildern/s bei einer Ruheherzfrequenz des Pferdes für eine exakte Kurvendarstellung ausreichend ist. Die Evaluierung der Größe der ROI (region of interest) in der FGD –Echokardiographie erfolgte hauptsächlich in Hinblick auf die Höhe der Datenvariabilität. Bei der ROI handelt es sich um eine Messsonde, die in eine repräsentative Unterregion des Myokards zur Datenakquisition gelegt wird. Innerhalb der ROI werden die Daten im Bereich jedes Pixels gemessen und anschließend gemittelt. Insgesamt wurden vier verschiedene ROI-Einstellungen von 3 x 3 bis 21 x 21 pixel gewählt und die Variationskoeffizienten der ermittelten Daten verglichen. Mit Anstieg der ROI wurde eine statistisch signifikante Senkung der Variationskoeffizienten verzeichnet, weshalb die Verwendung einer größeren ROI empfohlen werden sollte. Zusätzlich wurde der Einfluss der Kurvenglättung untersucht, einem Filterverfahren zur Reduzierung von Rauschartefakten. Bei einer Bildrate von 114 Bildern/s und einer ROI von 3 x 3 pixel wurde eine Datenerhebung mit ein- und ausgeschalteter Filterfunktion durchgeführt. Für alle myokardialen Herzphasen konnte eine signifikante Senkung der Geschwindigkeitsmaxima ermittelt werden. Zusätzlich ergab die Analyse der fehlenden Werte, dass eine eingeschaltete Kurvenglättung zu einem erhöhten Darstellungsverlust der isovolumischen Phasen führt, weshalb insgesamt von dem Einsatz der Kurvenglättung abgesehen werden sollte. Schließlich wurde ein Vergleich der beiden Gewebedopplervarianten, dem Farbgewebedoppler (FGD) und dem Spektralgewebedoppler (SGD) durchgeführt. Der SGD nutzt eine ROI, um eine genau definierte Myokardregion darzustellen. Das Geschwindigkeitsprofil wird mittels Fast-Fourier- Transformation sofort online mit einer hohen zeitlichen Auflösung ausgewertet. Der FGD ermöglicht im Unterschied zur ersten Methode durch Überlagerung der gesamten Myokardregion mittels eines Farbsektors die gleichzeitige Erfassung von Geschwindigkeitsinformationen für eine gesamte echokardiographische Schnittebene. Die Geschwindigkeitsprofile werden nachträglich mittels der Autokorrelationsmethode offline für jede beliebige Myokardregion innerhalb des Farbsektors rekonstruiert. In Übereinstimmung zu anderen veterinärmedizinischen Studien wurden durchgehend höhere Geschwindigkeitsmaxima für den SGD verglichen mit dem FGD ermittelt. Insgesamt kann jedoch keine abschließende Empfehlung für ein Verfahren gegeben werden, da beide für bestimmte Einsatzgebiete ihre Berechtigung besitzen. Aufgrund der im Rahmen dieser Studie gewonnenen Ergebnisse empfehlen wir für FGDUntersuchungen des Pferdes mit einer Ruheherzfrequenz eine Mindestbildrate von 73 Bildern/s und eine ROI, die ca. 2/3 des Myokards einschließt, zu verwenden. Die Kurvenglättung sollte wenn möglich ausgeschaltet bzw. der zeitliche Filter auf ein Minimum reduziert werden. Wird eine Minimierung der Datenvariabilität durch eine Standardisierung des Verfahrens erreicht, handelt es sich bei der Gewebedopplerechokardiographie um einen wertvollen Bestandteil der echokardiographischen Untersuchung mit hohem diagnostischem Potential.

Tissue Doppler Imaging (TDI) is a research tool for assessment of myocardial wall motion velocity, based on measurement of frequency shift as a result of reflection by moveable objects. In human medicine this method is already a valuable diagnostic tool in the cardiac examination. This ultrasound technique allows quantification of regional myocardial function and has been shown to be more sensitive than conventional echocardiography in detecting sub clinic abnormalities of myocardial function. Since 2005 TDI is used in equine echocardiography, but its use is limited in clinical interpretation due to high variability of some variables. In the present study the influence of instrument adjustment to myocardial velocity shape was evaluated. For this, effects of adjustment parameters like frame rate, sector angle, shape smoothing, size of ROI and differences between colour TDI and pulsed-wave TDI were reviewed. The goal of our study was to formulate preliminary recommendations for instrument adjustment of echocardiographic assessment in horses by TDI to increase the reproducibility of data acquisition. Influence of frame rate on measurement of myocardial velocity was evaluated by 1.0, 1.5, 2.0 and 2.5 kHz, resulted in 48-114 pictures per second. The enhancement was acquired using a modification of pulse repetition frequency in four steps and a differentiation of sector angle in two steps. A significant increase of myocardial velocity with an increased frame rate of 73 pictures per second was determined. Further enhancement by reduction of the sector angle doesn’t result in significant alterations. Probabley caused by a decrease view angle wich is attended by minimisation of an accurate positioning of the probe. Another potential factor which explains that a frame rate of 73 pictures per second is adequate for exact curve construction is in the low heart rate of the horse. The effect of ROI size on the variability was investigated for colour TDI. The ROI represents the area over which the DTI data is averaged in order to generate the myocardial velocity curve. A coefficient of variation was calculated to determine variability for four different ROI sizes (3 x 3 to 21 x 21 pixels). A statistically significant decrease of variability with increasing ROI-size was determined. Another aim of this study was to evaluate the effect of temporal smoothing on the results of velocity measurements. At a frame rate of 114 pictures per second and a ROI with 3 x 3 pixels data acquisition was performed with and without filtering. As can be seen, the use of filtering resulted in a significant alteration of the retrieved velocity information. In addition the filtering resulted in an increase of missing values, especially in the isovolumic phases. Hence, in order to ensure an optimal signal-tonoise ratio temporal filtering should be used with caution. At last, a comparison between colour-coded (CTD) and spectral tissue Doppler (STD) measurements was conducted. STD detects the frequency shift with a high temporal resolution of myocardial velocity by using the Fast Fourier analyses in a given myocardial location. The CTD appreciates Doppler shift using phase shift analysis with an autocorrelation technique and allowed an offline analysis over a greater myocardial area. In compliance with other veterinary studies, peak velocities were significantly higher for SGD than FGD. These methods should not be used interchangeably, and different reference rages for each method should be used. In conclusion with the results of this study we suggest to use CTD with a frame rate of at least 73 pictures per second and a ROI, which is large enough to cover one-third of myocardial thickness, in horses with resting heart rates. Smoothing by filtering should be use with caution, and if possible filtering should be deactivated. If we achieve a standardisation of the method to minimize the variation of data, it would be a precious tool in echocardiographic examination with a high diagnostic potential.