Assessment of long axis ventricular function in the fetal heart based on 2D grey scale image processing with a tissue tracking algorithm

Abstract

Tissue-Tracking Echocardiography is a new method for in vivo quantitative assessment of the myocardial contraction and relaxation on the basis of grey scale 2D digital loops. This method is based on the estimation of motion and deformation parameters due to tissue compression and expansion and traditionally employs for the calculation the so-called "Speckle Tracking" procedure. Speckles originate from the interference of ultrasound waves reflected by many individual scatterrers in an ultrasonic image. These many reflections (Speckles) interfere with one another and generate the speckle pattern. The tracking of the movement of a certain speckle pattern between subsequent frames delivers an analysis of how the tissue during the heart cycle behaves. (i.e. shortens or lengthens.) Since the determination of the contractile properties of the myocardium is in the detection and diagnosis of fetal well-being of fundamental interest, the evaluation of the fetal heart with the Tissue-Tracking algorithm was carried out. In this work it is examined, a) whether the motion parameters (Velocity and Displacement) and deformation qualities (Strain and Strain rate) of the fetal myocardium change in the course of the pregnancy and in dependence on the heart rate. Moreover; b) the feasibility of the Tissue-Tracking was examined and the repeatability analyzed. c) reference values for the global longitudinal peak velocity (V), strain (S), strain rate (SR) and Displacement (D) in the fetal heart were provided for the systole as well as for the diastole. d) the correlation between Ejection Fraction (EF) and S was examined. Two hundred-thirty cases were examined with the ultrasound system Acuson S 2000. Four chamber view (4Ch) 2D-cineloops were saved for off-line analysis. Subsequently the video clips were analyzed with the Velocity Vector Imaging software. Our results show, that a) normal fetuses exhibit a statistically significant increase in all motion parameters in both ventricles with increasing gestational age. In contrast the strength of the deformation parameters with advancing gestational age decreases and this effect is in the right ventricle (RV) more distinctive. The heart rate (HR) has a little to no effect on global systolic and diastolic V in both chambers, while global D decreased with increasing HR. The global systolic and diastolic SR were raised with rising HR. The HR has no effect on global S in RV. On the other hand in the left chamber (LV) the global S was raised with increasing HR. b) Ninety-three loops had to be excluded from 230 loops because of the absence of an expressive analysis. The remaining cases were able to be evaluated by one single loop in large part. In a few cases 2 loops were necessary for the analysis of both ventricles. c) There is no statistically significant difference between RV and LV reference values except the global diastolic V and SR, which were significantly higher in RV. d) EF and S are correlated with each other significantly. With increasing S the EF rises. This positive correlation is stronger in RV than in LV. From the results it can be concluded that the diversity in diastolic parameters between two ventricles are possible clues for the fact, that both ventricles own different relaxation patterns. Particularly the link between EF and S points out, that the chambers have their own typical contraction abilities. With these results a base has been established to utilize this method in the future to evaluate pathologic cardiac conditions or compromised fetuses, e.g. cases with cardiac defects, fetuses of diabetic mothers, IUGR would be conceivable. Here a prognostic value could be gained with this method perspectively i) before and after the intervention, ii) intrauterine and postnatal with regard to the success of surgical correction, to the normalisation of the fetal metabolic situation or to the time of the fetal decompensation. Tissue- Tracking offers the possibility to investigate the mechanics of the heart from a global perspective. With this approach it is possible to study apical regions of the chambers which are not accessible with Doppler dependent techniques. In this study we have investigated normal pregnancies with the Tissue-Tracking method. We evaluated the heart function in the dependence on different ventricles, on the HR and on the gestational age. The technical limitation of the current investigation possibilities did not allow to resolve myocardial short-living mechanical events (e.g. E- and A-waves) but the current temporal resolution still provides an insight into the overall cardiac function. Advances in technology in terms of an improved Tracking-Algorithm, a better spatial resolution and data acquisition with higher frame rates will enhance the feasibility and repeatability of the technique in the future.

Gewebe-Tracking Echokardiographie ist eine neue Methode der in-vivo quantitativen Beurteilung der myokardialen Kontraktion und Relaxation anhand von 2D-Graustufenbildern. Diese Methode basiert auf einer Gewebekompression und Gewebeexpansion und setzt für die Kalkulation der Bewegungs- und Deformationsparametern das sogenannte "Speckle Tracking" Verfahren ein. Speckles stammen aus der Interferenz von Ultraschallwellen, die von vielen einzelnen Streuzentren in einem Ultraschallbild reflektiert werden. Diese vielen Reflexionen (Speckles) überlagern sich und erzeugen die Specklemuster. Die Verfolgung der Bewegung eines bestimmten Specklemusters zwischen hintereinanderfolgenden Bildern liefert eine Analyse, die zeigt, wie sich das Gewebe während des Herzzykluses verhält. Da die Bestimmung der kontraktilen Eigenschaften des Myokardiums in der Feststellung des fetalen Wohlbefindens von fundamentalem Interesse ist, wurde die Evaluation des fetalen Herzens mit dem Gewebe-Tracking Algorithmus durchgeführt. In dieser Arbeit wurden die folgenden Fragestellungen bearbeitet; a) die Bewegungsparameter (Geschwindigkeit und Displacement) und Deformationseigenschaften (Strain und Strain Rate) des fetalen Myokardiums im Laufe der Schwangerschaft und in Abhängigkeit der Herzfrequenz b) die intrauterine Durchführbarkeit der Gewebe- Tracking Methode und die Wiederholbarkeit c) Referenzwerte für die globalen longitudinalen Spitzengeschwindigkeiten (V), Deformation (S), Deformationsrate (SR) und Displacement (D) im fetalen Herzen sowohl in der Systole als auch in der Diastole d) der Zusammenhang zwischen Ejektionsfraktion (EF) und Deformation (S) Zweihundertdreißig Feten wurden mit dem Ultraschallsystem Acuson S 2000 untersucht. Vierkammerblick (4KB) 2D-Cineloop Aufnahmen wurden für die Offline Analyse gespeichert. Anschliessend wurden die Videoclips mit der Velocity Vector Imaging Software analysiert. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: a) normale Feten mit zunehmendem Gestationsalter weisen in beiden Herzkammern eine statistisch signifikante Zunahme in allen Bewegungsparametern auf. Dagegen nimmt die Stärke der Deformationsparameter mit fortschreitendem Schwangerschaftsalter ab, wobei dieser Effekt im rechten Ventrikel (RV) ausgeprägter ist. Die Herzfrequenz (HF) hat wenig bis gar keine messbare Auswirkung auf die globalen systolischen und diastolischen Spitzengeschwindigkeiten V in beiden Kammern, während das globale Displacement mit zunehmender HF abnahm. Die globalen systolischen und diastolischen Deformationsraten (SR) wurden mit steigender HF erhöht. Die HF hat im RV keine Auswirkung auf die globale Deformation. In der linken Kammer (LV) hingegen wurde die globale Deformation mit zunehmender HF erhöht. b) Von 230 Loops mussten 93 Loops wegen des Fehlens einer aussagekräftigen Bildgebung ausgeschlossen werden. Die verbliebenen Fälle konnten zum grössten Teil anhand von einem einzigen Loop evaluiert werden. In wenigen Fällen waren 2 Loops zur Analyse beider Ventrikel notwendig. c) Es gibt keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen RV und LV Referenzwerten ausser den globalen diastolischen Geschwindigkeiten (V) und Deformationsraten (SR), die in RV signifikant höher waren. d) Die Ejektionsfraktion (EF) und Deformation (S) sind miteinander signifikant korreliert. Mit zunehmender S steigt die EF. Diese positive Korrelation ist im RV stärker als im LV. Aus den Ergebnissen lässt sich folgern, dass die unterschiedliche Variabilität in der Diastole zwischen beiden Ventrikeln mögliche Anhaltspunkte dafür sind, dass die Ventrikel unterschiedliche Relaxationsmuster besitzen. Besonders der Zusammenhang zwischen EF und S lässt darauf hinweisen, dass die Kammer ihre eigenen charakteristischen Kontraktionsfähigkeiten haben. Mit diesen Ergebnissen wurden in dieser Dissertation erstmalig die Grundlagenkenntnisse und Normwerte geschaffen, um in Zukunft diese Methode auch bei Schwangerschaftspathologien einzusetzen. Denkbar wären z.B. Untersuchungen zur Veränderung der Parameter bei kongenitalen Herzfehlern, Feten von Diabetikerinnen und wachstumsretardierten Feten. Hier könnte perspektivisch mit dieser Methode i) vor und nach der Intervention, ii) intrauterin und postnatal eine prognostische Wertigkeit im Hinblick auf einen operativen Korrekturerfolg, auf die Normalisierung der Stoffwechsellage oder auf den Zeitpunkt der fetalen Dekompensation gewonnen werden. Gewebe-Tracking bietet die Möglichkeit, die Mechanik des Herzens aus einer globalen Perspektive zu bewerten. Mit diesem Ansatz ist es möglich, apikale Regionen der Kammern, die mit Doppler-Techniken nicht zugänglich sind, zu untersuchen. In der vorliegenden Studie wurden Normalschwangere untersucht. Mit der Tissue- Tracking Methode wurde die Herzfunktion in der Abhängigkeit von beiden Ventrikeln, von der Herzfrequenz und von dem Gestationsalter untersucht. Die technische Limitation der momentanen Untersuchungsmöglichkeiten liess keine Darstellung der myokardialen kurzlebigen mechanischen Vorgängen (z.B. E- und A-Welle) zu, dennoch gibt die zeitliche Auflösung der technischen Darstellbarkeit einen Einblick in die allgemeine Herzfunktion. Der technologische Fortschritt im Sinne eines verbesserten Tracking-Algorithmus, einer besseren Auflösung der Bilder und Aufnahmemöglichkeiten und der digitalen Videoclips mit höheren Bildraten wird die Durchführbarkeit und Wiederholbarkeit der Methode in Zukunft verbessern.