Kardiale Ultraschall-Elastographie zur Bestimmung der linksventrikulären Wandspannung vor und nach transfemoralem Aortenklappenersatz

Abstract

Introduction

Heart failure is associated with a high mortality and morbidity rate, which imposes a huge financial burden on the health system1. Among patients with heart failure, about 50 % show normal systolic function while their diastolic function is impaired2. Diastolic function is commonly measured with echocardiography by estimation of left ventricular diastolic filling pressures. While this is only an indirect estimate of a tissue’s mechanical properties, cardiac ultrasound-elastography (USE) was recently introduced to measure the fundamental mechanism that enables ventricular dilatation: namely, relaxation of muscle tissue that leads to sufficient reduction of myocardial tension (shear modulus) within the filling phase. As cardiac function is determined by the alteration of myocardial elasticity during the cardiac cycle, measurement of myocardial elasticity changes with USE may support the diagnosis of relaxation abnormalities.

Materials and Methods

USE examination was performed on 103 subjects, grouped into healthy young volunteers (n = 20, 20 - 45 years), healthy older individuals (n = 23, > 45 years), patients suffering from diastolic dysfunction (DD) (n = 39) and patients with both DD and severe aortic valve stenosis (n = 21), who were examined both before and one week after valve replacement. Swinging of the patient’s heart was externally induced via low-frequency acoustic vibrations produced by a loudspeaker, which was built into the medical examination table. Myocardial elasticity changes were assessed by evaluating the delay between wave amplitude alteration and cardiac wall motion for the measurement of elasticity alteration particularly during relaxation (τR). Cardiac tissue motion and shear wave amplitude alteration were analysed in the infero-lateral wall of the heart by M-mode echocardiography.

Results

On average, wave amplitudes changed between systole and diastole by a factor of 1.75 ± 0.41. The change in wave amplitude preceded wall motion. Among healthy young volunteers τR was 82 ± 13 ms, which is significantly longer (p = 0,021) than in all other groups. However, no statistical discrepancy of τR was detected between patients with DD or those who suffer additionally from severe aortic stenosis, and healthy older individuals (> 45 years). A negative correlation between the subjects’ age and the parameter τR was observed (p = 0,002).

Conclusion

As shear wave amplitudes increase and decrease throughout the cardiac cycle, and are measured by USE, it is possible to determine the systolic and diastolic phase of the heart. The elastic time-intervals provide sufficient information to specify that myocardial elasticity changes occur ahead of actual heart motion during systole and diastole. Although the feasibility of USE has been proven in this study, at this point of development, this method does not seem capable of identifying differences between patients with DD and age-matched controls. Therefore, cardiac USE should be further developed towards a quantitative, spatially resolved elastography modality.

Einleitung Herzinsuffizienz ist mit einer hohen Mortalität und Morbidität assoziiert und stellt eine große finanzielle Belastung für das Gesundheitssystem dar1. Nur bei 50 % aller Herzinsuffizienz-Patienten lässt sich eine erniedrigte linksventrikuläre Ejektionsfraktion feststellen. Bei allen anderen Patienten sind Anomalien der diastolischen Funktion für das Herzversagen verantwortlich2. Während die Echokardiografie als klinischer Standard nur eine indirekte Charakterisierung der diastolischen Funktion über die Abschätzung der ventrikulären Füllungsdrücke ermöglicht, erlaubt die kardiale Ultraschallelastographie (USE) direkten Fokus auf den grundlegenden Mechanismus der Dilatation des linken Ventrikels in der Diastole zu legen; die Relaxation von Muskelgewebe, die unmittelbar zu einer Abnahme von Ventrikelsteifigkeit im Myokard führt3. Weil die Funktion des Herzens maßgeblich durch Änderungen der Gewebeelastizität bestimmt wird, könnte die Messung dieser Veränderungen über die Bestimmung der Scherwellenamplitude mithilfe der USE die Diagnose der diastolischen Dysfunktion unterstützen, vereinfachen und ausbauen. Materialien und Methoden 103 Patienten und Probanden wurden in der Klinik mit Schwerpunkt Kardiologie der Charité –Berlin am Campus Mitte in die dieser Arbeit zugrundeliegende Studie, 21 davon prospektiv, eingeschlossen. Diese wurden unterteilt in junge, gesunde Kontrollen (n = 20, ≤ 45 Jahre), ältere gesunde Kontrollen (n = 23, > 45 Jahre), Patienten mit diastolischer Dysfunktion (DD) (n = 39) und Patienten, die zusätzlich noch eine hochgradige Aortenklappenstenose aufwiesen (n = 21), welche vor und eine Woche nach transfemoralem Aortenklappenersatz untersucht wurden. Durch eine extern angelegte Vibrationsquelle wurde das Herz in Schwingung versetzt. Änderungen der Gewebeelastizität wurden mithilfe M-Mode gestützter USE der inferolateralen Herzwand durch Bestimmung der Zeitspanne, die von Änderung der Scherwellenamplitude bis zur Gewebebewegung vergeht (τ), gemessen. Im Fokus stand das diastolische Zeitintervall (τR), welches Hinweise auf eine bestehende DD geben soll. Ergebnisse Die Scherwellenamplituden während der Diastole waren im Vergleich zu den systolischen Amplituden im Durchschnitt um den Faktor 1.75 ± 0.41 erhöht. Bei allen Untersuchungen wurde die Änderung der Vibrationsamplitude zeitlich vor dem Beginn der Gewebebewegung beobachtet. Für die junge, gesunde Kontrollgruppe ergab sich ein signifikant höherer τR-Wert von 82 ± 13 ms (p = 0,021) im Vergleich zu allen anderen Gruppen. Allerdings ließ sich kein statistisch relevanter Unterschied zwischen Patienten mit DD zu Aortenstenose-Patienten mit DD sowie zu gesunden, älteren Probanden (≥ 45 Jahre) bezüglich τR feststellen. Zudem zeigte sich eine signifikante Abnahme des Parameters τR mit dem Alter der Patienten (p = 0,002). Zusammenfassung Die einzelnen Phasen des kardialen Zyklus konnten mittels USE gezeigt werden. Die elastographischen Zeitintervalle zeigen, dass der Gewebebewegung immer eine Änderung der Elastizität vorausgeht. Somit ist die prinzipielle Durchführbarkeit dieser Technik demonstriert worden. Allerdings scheint die USE auf der Grundlage von Scherwellenamplituden zum jetzigen Zeitpunkt unfähig zu sein, Unterschiede zwischen Patienten mit DD und gesunden Probanden aufzuzeigen. Aus diesem Grund sollte auf diesem Gebiet künftig weiter geforscht werden, um die USE zu einer quantitativen, ortsaufgelösten Methode zu entwickeln.