4D Transösophageale Echokardiographie des linken Vorhofohrs: eine Studie über Form und Funktion mittels Volumen- und Vektorflussbildgebung

Abstract

Einführung: Der Anteil kryptogener kardioembolischer Schlaganfälle an allen ischämischen Schlaganfällen beträgt ca. 30-40%. Das linke Vorhofohr (LAA) wurde hierbei häufig als Quelle des thrombotischen Materials identifiziert, so dass die mechanischen Eigenschaften des LAA maßgebend bei der Entstehung von Vorhofthromben sind. Im Gegensatz zum linken Ventrikel (LV) oder Vorhof (LA) gibt es jedoch keine systematische Beschreibung seiner Mechanik oder des hieraus entstehenden Geschwindigkeitsvektorfeldes des Blutflusses. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, ebenjene mittels Echtzeitbildgebung zu analysieren und gemeinsame Strömungscharakteristika von Patienten im Vorhofflimmern (VHF) und im Sinusrhythums zu identifizieren und hieraus Risikofaktoren für die Entstehung von kryptogenen kardioembolischen Schlaganfällen zu identifizieren. Methoden: Echtzeitaufnahmen des LA werden mittels 2D und 4D Trans-Ösophagealer Echokardiographie mit und ohne i.v. Kontrastmittel angefertigt. Um die Strömungsvektorfelder sowie die Kontraktilität des LAA zu bestimmen, wird ein 2D und 4D-fähiger Echo-Particle-Image Velocimetrie (E-PIV) Algorithmus sowie ein semi-automatischer Volumensegmentierungsalgorithmus in MATLAB implementiert und validiert. Diese wurden in einer Pilotstudie mit 50 Patienten, hiervon N=7 gesund, N=22 mit kryptogenem kardiembolischen Schlaganfall in SR, N= 11 mit paroxysmalem VHF im SR und N= 10 mit VHF angewendet. Es wurden LAA-volumen und charakteristische Zeiten der LAA Kontration, sowie pw-Dopplergeschwindigkeiten bestimmt. Die 2D und 4D Vektorfelder wurden genutzt, um individuelle Partikeltajektorien im Vorhofohr zu erfassen und die kumulative Scherspannungsbelastung abzuschätzen. Ergebnisse: Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen maximalem und minimalem Vorhofohrvolumen gefunden werden (cumulative sum test p>0.1). Ebenso gab es eine lineare Beziehung zwischen LAA-Öffnungsfläche und dem Vorhofohrvolumen (cumulative sum test p>0.1) . Die LAA-Entleerungsfraktionen (LAA-EF) unterschieden sich nicht zwischen der gesunden Kohorte und der Schlaganfallkohorte (Mittelwert ± Standardabweichung: 63 ± 13% und 68 ± 14%, p>0.05), jedoch konnte eine signifikant kleinere LAA-EF für die pAF Kohorte festgestellt werden (39 ± 13%, p<0.01). Die Echo-PIV Methode lieferte valide Ergebnisse für die zu erwartenden Geschwindigkeiten in der Diastasephase des LAA. Es konnte gezeigt werden, dass die Auswaschung des LAA in der Diastase für die Schlaganfallpatienten signifikant kleiner war als bei der gesunden Kontrollgruppe. Die VHF und pVHF in SR Kohorten hatten die größten kumulative Scherbelastung. Schlussfolgerungen: Die Kontraktion des LAA folgt dem Frank-Starling Mechanismus und die Abschätzung des LAA-Volumes mittels LAA-Öffnungsfläche ist möglich. Neben einer verminderten Kontraktilität der VHF- und pVHF in SR-Patienten konnte eine erhöhte potentielle Thrombozytenaktivierung gezeigt werden. Eine verminderte Auswaschfraktion in LAA-Diastase ist ein möglicher Prediktor für das Risiko, einen kryptogenen kardiogenen Schlaganfall zu erleiden. Weitere Untersuchungen zur Bestätigen hiervon sind allerdings notwendig.

Background: Cryptogenic cardioembolic stroke (CCS) accounts for 30-40 % of all ischemic strokes with the left atrial appendage (LAA) as common source of cardiogenic thrombi. However, in contrast to the left atrium or ventricle, quantifiable descriptions of the LAA-mechanics and its vector flow features are still cryptic. The objective of this work is therefore to better describe the LAA mechanics and the resulting blood flow patterns in real time imaging in order to find common flow features in atrial fibrillation and sinus rhythm for the identification of risk factors for CCS. Methods: 2D and 4D Trans-esophageal echocardiography with and without contrast agent is used for real time imaging. In order to evaluate vector flow fields and estimate contractility by means of emptying fractions (EF), a 2D and 4D capable echo-particle image velocimetry (E-PIV) algorithm and a semi-automatic 3D volume segmentation method are implemented and validated in MATLAB. The methods are applied in a pilot study with four cohorts and a total of 50 patients: Healthy (N=7), paroxysmal AF in sinus rhythm (SR) (N=11), CCS (N=22), and atrial fibrillation (AF) (N=11). LAA volumes are estimated together with characteristic time scales for LAA contraction. Measurements of LAA pw-Doppler velocities and 2D/4D vector fields including particle tracks for the calculation of individual particle histories are also performed. Results: A linear relationship between maximum and minimum LAA volume could be found and the LAA orifice areas depend linearly on their respective LAA volume (cusum-test p>0.1). The LAA-EF for the CCS and healthy control group were similar (mean±std.-dev.: 63 ± 13% and 68 ± 14%, p>0.05), however, the paroxysmal AF LAA-EF was significantly smaller (39 ± 13%, p<0.01). The E-PIV method proved valid for velocities present at LAA diastasis. In diastasis the CCS group had significantly lower LAA wash-out than the healthy control group. In AF and pAF, the cumulated shear stresses of the measured particle tracks were larger than in the stroke and healthy patients. Conclusions: There is a Frank-Starling mechanism in the LAA and the assumption that LAA orifice area is related to LAA volume is valid. An impaired contractility of the LAA could be found in pAF and AF patients as expression of structurally altered LAA together with an increased potential for platelet activation. The wash-out fraction of the LAA in diastasis is postulated to be relevant for the increased risk for thrombus formation in CCS patients. This finding needs further verification.