Оцінювання структури і функції лівого шлуночка при серцево-судинних захворюваннях методом тривимірної ехокардіографії.

Я.М. Логвінов, Н.В. Поніч, О.А. Єпанчінцева, О.Й. Жарінов, Б.М. Тодуров.

• Київська міська клінічна лікарня «Київський міський центр серця»;
• Національна медична академія післядипломної освіти ім. П.Л. Шупика МОЗ України, м. Київ.

Серед сучасних технологій візуалізації серця найдоступнішим методом дослідження є ехокардіографія. Суттєвий прогрес ультразвукових методів візуалізації серця, а саме перехід від одновимірного (М-режиму) до двовимірного (2D – two dimension) зображення, впровадження імпульсно- та постійнохвильового допплерівського дослідження і кольорового картування, значно розширив діагностичні можливості ехокардіографії. Сучасне ультразвукове устаткування та програмне забезпечення дозволяють отримати високу якість зображення, що, в свою чергу, визначає нові можливості в оцінці анатомії серця, функції шлуночків, передсердь та клапанного апарату. Але в двовимірному, а тим паче одновимірному режимі неможливо отримати об’ємне зображення, що зумовлює певні обмеження та недоліки у визначенні показників структурно-функціонального стану серця [47, 68]. Крім того, не всім людям властива просторова уява. Отже, концепція тривимірного (3D) зображення є природною еволюцією ультразвукових методів дослідження.

Метод тривимірної ехокардіографії з’явився у 1970-х роках [85]. Спочатку для формування тривимірного зображення використовували його реконструкцію із серії двовимірних ехокардіографічних зрізів, отриманих у певні фази серцевого циклу. Зрізи збиралися окремо ротаційним, лінійним та віялоподібним методами сканування, поєднувалися на комп’ютері та за допомогою спеціального програмного забезпечення формувалися в об’ємне зображення. Зрозуміло, що цей процес був занадто тривалим і громіздким та істотно затягувався при поганій якості візуалізації. Для отримання якісної тривимірної реконструкції була необхідна тривала затримка дихання пацієнтом та застосування переважно черезстравохідного доступу. І головне те, що тривимірне зображення отримували не безпосередньо в даний час, а в режимі off-line [77]. Для подолання цих обмежень потрібно було вирішити питання, як швидко (протягом одного серцевого циклу або в режимі on-line) зібрати інформацію для тривимірної реконструкції. Тривимірну ехокардіографію у режимі реального часу (real-time 3D-echocardiography – RT3DE) було впроваджено на початку 1990-х років О.Т. von Ramm і співавторами [85]. Для формування об’ємного зображення вони застосували кардинально новий тип датчиків (трансд’юсерів), так звані матричні датчики, в яких ультразвукові елементи організовані на зразок решітки. Перші матричні датчики містили 256 активних елементів, тоді як сучасні використовують понад 3000 ультразвукових елементів [37].

Подальше покращання програмного забезпечення та вдосконалення датчиків дозволило налагодити випуск багатьма комерційними виробниками ультразвукових сканерів з опцією RT3DE. Зростаюча доступність RT3DE-технологій і легкість використання зумовили появу значної кількості досліджень з метою оцінки можливостей та переваг практичного застосування RT3DE. Створений нещодавно тривимірний матричний датчик для черезстравохідного дослідження забезпечив безпрецедентну якість зображення, що важливо для планування та оцінки результатів кардіохірургічних та інтервенційних втручань [35, 55, 59, 66].

Клінічне використання тривимірної ехокардіографії

Накопичений до цього часу досвід дозволяє окреслити такі сфери клінічного застосування тривимірної ехокардіографії: визначення об’ємів та форми камер серця, насосної функції серця та маси міокарда [7, 12, 23, 27, 30, 36, 38, 56, 57, 61, 65, 68, 69, 76]; неінвазивна візуалізація клапанного апарату серця та дослідження його функції [28, 55, 59, 63, 72, 73, 87]; оцінка морфології вроджених вад серця [34, 55]; дослідження регіонарної скоротливості міокарда лівого шлуночка (ЛШ) для об’єктивної діагностики ішемічної хвороби серця (ІХС) [23, 41, 51, 54, 56, 64, 71] та виявлення асинхронності скорочення серцевого м’яза [1–6, 8, 9–11, 13–15, 19–21, 24, 25, 29, 31, 39, 41, 42, 50, 52, 60, 62, 79–83, 86, 88–92]; використання тривимірного кольорового допплерівського методу для вивчення анатомічних пошкоджень, шунтів і фістул та визначення їх впливу на внутрішньосерцеву гемодинаміку [34, 58, 75]; оцінка перфузії міокарда ЛШ та об’ємних утворень у порожнинах серця за допомогою контраст-підсиленої 3D-ехокардіографії [17, 18]. Втім, слід зазначити, що найчастішою підставою для проведення ехокардіографічного дослідження у дорослих пацієнтів є оцінка розмірів і функції ЛШ, і в цьому тривимірна ехокардіографія має ряд суттєвих переваг.

Оцінка глобальної систолічної функції лівого шлуночка

Об’єми порожнини ЛШ та фракція викиду (ФВ) є важливими прогностичними предикторами та критеріями вибору оптимального лікування пацієнтів з ураженнями міокарда ЛШ. Проте, оцінювання цих показників з допомогою 2D-ехокардіографії (за методами Тейхольца або Сімпсона) має ряд недоліків та технічних обмежень у пацієнтів із сегментарними розладами, аневризмою ЛШ та асиметричним ремоделюванням шлуночків. Такими обмеженнями є, зокрема, необхідність геометричних припущень при вирахуванні об’ємів ЛШ; недостатня візуалізація верхівки ЛШ при неадекватному виведенні зображення з апікального доступу; нерідко – неможливість отримання якісного зображення всіх стінок та/або сегментів міокарда ЛШ, що залежить як від субоптимальної візуалізації серця, так і від навичок дослідника [47]. Про неточність оцінки об’єму ЛШ за допомогою 2D-ехокардіографії свідчить порівняння результатів вимірювання з даними, отриманими методами однофотонної емісійної комп’ютерної томографії та магнітнорезонансної томографії (MРТ) [7, 38, 52, 57, 76]. Визначення кінцево-діастолічного (КДО) і кінцевосистолічного (КСО) об’ємів та оцінювання як глобальної, так і сегментарної скоротливої здатності міокарда здійснюється шляхом напівавтоматичного обведення ендокардіальної поверхні ЛШ на його тривимірному зображенні, зареєстрованому за допомогою RT3DE в різні фази серцевого циклу, та шляхом подальшого автоматичного обчислення локальних сегментарних та фазових шлуночкових об’ємів [37].

У дослідженні Y. Matsumura та співавторів була здійснена оцінка точності RT3DE для вимірювання об’ємів та ФВ ЛШ у пацієнтів з порушеннями локальної скоротливості міокарда внаслідок ураження вінцевих артерій та порівняння результатів вимірювань з даними кількісної однофотонної емісійної комп’ютерної томографії [7]. Дані RT3DE добре корелювали з результатами радіонуклідного методу при вимірюванні як КСО, так і КДО (відповідно r=0,97, середнє відхилення 3,4 мл і r=0,98, середнє відхилення 2,0 мл), тоді як при двовимірній ехокардіографії об’єми ЛШ були оцінені недостатньо точно (відповідно r=0,98, середнє відхилення 21,1 мл; r=0,98, середнє відхилення 15,6 мл). ФВ ЛШ, отримана за допомогою RT3DE, краще відповідає результатам радіонуклідної діагностики, ніж ФВ ЛШ, підрахована біплановим методом (відповідно, r=0,92, середнє відхилення 0,2 % і r=0,89, середнє відхилення 2,7 %).

В іншому дослідженні порівнювали точність та відтворюваність результатів вимірювання об’ємів та ФВ ЛШ, отриманих з допомогою RT3DE, із стандартними біплановими вимірюваннями, використовуючи МРТ як референтний метод [38]. Вимірювання, здійснені методом RT3DE, добре корелювали з результатами МРТ (відповідно r=0,96, 0,97 i 0,93 для КДО, КСО та ФВ) з невеликим середнім відхиленням (17 мл, 16 мл, 6,4 %). Біпланові вимірювання гірше корелювали з результатами МРТ (r=0,89, 0,92, 0,86 відповідно для КДО, КСО, ФВ), з більшим середнім відхиленням (29 мл, 24 мл, 9,5 %). Відтворюваність та повторюваність результатів вимірювання показників систолічної функції ЛШ, отриманих за допомогою RT3DE, були значно кращими, порівняно з результатами 2D-ехокардіографії.

Оцінка маси міокарда лівого шлуночка

Збільшення маси міокарда ЛШ є незалежним предиктором несприятливих серцево-судинних подій [84]. На відміну від звичайних ехокардіографічних методів дослідження (М-режим та 2D-візуалізація), тривимірна ехокардіографія, здійснена з використанням сучасного програмного забезпечення, дозволяє легко та точно виміряти масу міокарда ЛШ. Це відбувається завдяки подоланню обмежень, притаманних традиційній ехокардіографії, які виникають при визначенні об’ємів порожнини ЛШ. Маса міокарда ЛШ визначається шляхом напівавтоматичного обведення його ендо- та епікардіальної меж з подальшим автоматичним вирахуванням об’єму та маси міокарда. Низкою досліджень встановлено, що RT3DE дозволяє швидко та з доброю відтворюваністю визначати масу міокарда ЛШ, причому отримані показники краще корелюють з даними МРТ, ніж дані звичайної ехокардіографії [16, 33, 56]. В одному з досліджень проводили порівняння результатів визначення маси міокарда ЛШ у хворих з гіпертрофією міокарда ЛШ, отриманих за допомогою 2D-ехокардіографії, RT3DE та МРТ [33]. Дані, отримані за допомогою RT3DE, чітко корелювали з результатами МРТ (r=0,95), тоді як вимірювання маси міокарда ЛШ методом 2D-ехокардіографії характеризувалося слабшою кореляцією (r=0,70). В іншій роботі, в якій порівнювали результати визначення маси міокарда ЛШ у хворих з ІХС та дилатаційною кардіоміопатією методами 2D-ехокардіографії, RT3DE та МРТ, дійшли подібних висновків: результати RT3DE краще корелювали з результатами МРТ, ніж показники 2D-ехокардіографії (відповідно r=0,96 та r=0,79) [16]. Крім того, відтворюваність результатів RT3DE була кращою, ніж 2D-ехокардіографії: варіабельність показників маси міокарда між дослідниками була значно меншою при застосуванні RT3DE (12,5 %), ніж 2D-ехокардіографії (24,1 %).

Незважаючи на те, що МРТ є стандартом у вимірюванні маси міокарда ЛШ, з огляду на вартість, трудоємкість, а також неможливість застосування y пацієнтів з кардіостимуляторами цей метод не може застосовуватися рутинно, із скринінговою метою. Натомість, RT3DE є більш доступним методом, без будь-якого ризику опромінення та впливу на пацієнта потужного магнітного поля, і за необхідності може застосовуватися неодноразово.

Отже, напівавтоматичне обведення ендо- та епікардіальної поверхні ЛШ у тривимірному режимі найбільш придатне для клінічного використання і дозволяє швидко та, на відміну від 2D-ехокардіографії, точно оцінити об’єми ЛШ, ФВ та масу міокарда ЛШ.

Дослідження сегментарної скоротливості лівого шлуночка та перфузії міокардa

Подібно до двовимірного методу, при використанні 3D-ехокардіографії оцінка кінетики стінок ЛШ базується на сегментарному підході за чотирибальною системою. Але тривимірна реконструкція дозволяє візуалізувати ЛШ більш повно та зареєструвати скорочення всіх сегментів міокарда протягом одного серцевого циклу, що більш інформативно, порівняно зі стандартною (16-17-сегментарною) схемою регіонарної скоротливості ЛШ при двовимірній ехокардіографії [23, 51, 71]. Тривимірна ехокардіографія є особливо перспективним методом дослідження у хворих з аневризмою ЛШ. Вона допомагає не лише виміряти об’єми та ФВ ЛШ із зміненою геометрією, а також визначити локалізацію та об’єм самої аневризми, що має особливе значення в кардіохірургії [40, 50].

Для діагностики ІХС у пацієнтів з підозрою на ураження вінцевих артерій та оцінки прогнозу в пацієнтів з раніше діагностованою ІХС використовують стрес-ехокардіографію з добутаміном. Використання двовимірної візуалізації серця з цією метою характеризується суттєвими обмеженнями. Секторальні зображення всіх сегментів ЛШ повинні бути отримані більш ніж з одного доступу швидко та якісно, з подальшим порівнянням їх скоротливості на кожному етапі обстеження. З огляду на це, в клінічній практиці поширеним є візуальний аналіз ендокардіальної екскурсії та систолічного потовщення стінки, що містить елемент суб’єктивної оцінки та вимагає спеціальної підготовки. Проведення добутамінової стрес-ехокардіографії з використанням RT3DE дозволяє швидко та якісно отримати необхідні зображення ЛШ з одного (апікального) доступу і точно аналізувати скоротливість міокарда. При цьому суттєво скорочується тривалість дослідження [54]. Чутливість, специфічність та діагностична точність стрес-ехокардіографії з добутаміном у режимі RT3DE при міокардіальній ішемії становили відповідно 86; 80 і 82 %, порівняно з однофотонною емісійною комп’ютерною томографією з талієм-201 у 56 пацієнтів.

Поєднання RT3DE із введенням контрастних речовин дозволило оцінювати міокардіальну перфузію. Ультразвукова візуалізація дефектів накопичення контрастних речовин у міокарді дозволяє встановити локалізацію та поширеність зон ішемії або рубцевих змін, а також встановити взаємозв’язок цих зон з ураженням відповідних вінцевих артерій [17].

Оцінка асинхронності шлуночків серця

Функція ЛШ визначається не лише станом контрактильного резерву міокарда та умовами після- і переднавантаження. Суттєву роль відіграє також стан електромеханічного сполучення у міокарді, який, зокрема, визначає синхронність скорочення його стінок [13]. Під асинхронністю серця розуміють некоординоване скорочення і/або розслаблення його камер або сегментів міокарда усередині однієї камери. Розрізняють передсердно-шлуночкову, міжшлуночкову, міжпередсердну й внутрішньошлуночкову асинхронність. Залежно від фази серцевого циклу виділяють систолічну та діастолічну асинхронність [9, 21, 53].

В останні десятиліття вивчення синхронності роботи міокарда ЛШ привертає пильну увагу дослідників і лікарів. Було показано, що розбалансованість кінетики міокарда відіграє ключову роль у прогресуванні патологічного ремоделювання серця: індукції асиметричної гіпертрофії міокарда шлуночків, порушенні регіонарної перфузії, зміні електрофізіологічних властивостей, структурній дезорганізації та метаболічній перебудові міокарда [4, 25]. Це веде до систолічної та діастолічної дисфункції шлуночків, посилення мітральної та трикуспідальної недостатності, електричної нестабільності міокарда [3, 5, 13]. Але найкраще визначена роль асинхронності міокарда в патогенезі серцевої недостатності у хворих із систолічною дисфункцією ЛШ. Відтак, виявлення асинхронності має найбільше практичне значення при вирішенні питання про застосування ресинхронізуючої терапії у пацієнтів з застійною серцевою недостатністю [10, 11, 31, 88]. Втім, патологічна гетерогенність електро-механічного зв’язку в міокарді і, як наслідок, систолічна й діастолічна асинхронність виявлені також при низці інших захворювань і станів. Це, зокрема, серцева недостатність зі збереженою ФВ, ІХС, артеріальна гіпертензія, ідіопатична та індукована правошлуночковою стимуляцією блокада лівої ніжки пучка Гіса, цукровий діабет, синдром подовженого інтервалу QT, гіпертрофічна кардіоміопатія [2, 32, 41, 45, 60, 64, 79, 82, 84, 89, 91]. На підставі результатів клінічних досліджень асинхронність міокарда визначена як незалежний фактор ризику несприятливого прогнозу у пацієнтів з ІХС і серцевою недостатністю [1, 8, 19, 92].

З огляду на діагностичне і прогностичне значення асинхронності міокарда, для її виявлення необхідно використовувати точні, валідні, відтворювані та доступні методи діагностики, насамперед – ехокардіографічне дослідження [6, 9, 10, 14]. Найпоширенішими є методи тканинної допплерографії та RT3DE. Перший з цих методів, який дозволяє оцінювати регіонарну міокардіальну швидкість або деформацію міокарда, ще донедавна вважався «золотим стандартом» в оцінці асинхронності міокарда [56]. Його переваги – висока часова роздільна здатність, можливість розмежування пасивного зсуву сегментів від активного систолічного скорочення при оцінці деформації тканини. Водночас, тканинна допплерографія має низку технічних недоліків: обмежена просторова роздільна здатність і неможливість одночасної візуалізації сегментів у різних площинах; нездатність надійної реєстрації руху апікальних сегментів; оцінка тільки поздовжнього зсуву міокарда, без урахування радіального й циркулярного зсувів; кутова залежність тканинного допплера, що суттєво спотворює точність вимірювань; значна чутливість амплітудних і часових характеристик сигналу до положення контрольного об’єму [6, 22, 24, 29]. Велика кількість та відсутність уніфікованих критеріїв діагностики асинхронності є причиною нелогічних і, часом, суперечливих висновків із проведених досліджень. Більше того, у нещодавно здійсненому проспективному багатоцентровому дослідженні PROSPECT показники асинхронності міокарда, оцінені методом тканинного допплера, були недостатньо чутливими і специфічними для вирішення завдань відбору пацієнтів із серцевою недостатністю для ресинхронізуючої терапії. Крім того, була показана низька відтворюваність отриманих результатів [20].

З огляду на це, існує потреба у більш простих, наочних і відтворюваних методах кількісного аналізу внутрішньошлуночкової асинхронності міокарда.

Тривимірна ехокардіографія в режимі реального часу – відносно новий і дуже перспективний підхід для діагностики асинхронності міокарда ЛШ. По суті, лівошлуночкова асинхронність – тривимірний феномен, і тому RT3DE є унікальним і потужним засобом для оцінки асинхронності. Вимірювання глобальних об’ємів ЛШ за допомогою RT3DE дає можливість отримати точні та достовірні дані [7, 23, 38]. Результатом удосконалення в останні роки технічного та програмного забезпечення стало значне поліпшення тривимірної просторової і часової роздільної здатності [62]. Це дало змогу швидко і без спотворень реєструвати у тривимірному режимі динаміку функціонування усього ЛШ і його сегментів, порівнювати часові інтервали руху всіх сегментів міокарда, оптимізувати напівавтоматичне розпізнавання контурів міокарда ЛШ.

Тривимірна модель ЛШ розбивається на 17 стандартних сегментарних об’ємів. Для кожного сегментарного об’єму можливо отримати криву «час – об’єм» протягом серцевого циклу та визначити час, необхідний для досягнення найменшого систолічного об’єму (Tmsv) [42, 62]. Якщо всі сегменти досягають свого мінімального систолічного об’єму одночасно, то ЛШ скорочується синхронно. В іншому випадку наявна внутрішньошлуночкова асинхронність. У більшості досліджень з використанням RT3DE для визначення ступеня асинхронності функціонування ЛШ застосовували систолічний індекс асинхронності (СІА), який розраховують як стандартне відхилення (дисперсія) Tmsv для 16 сегментів ЛШ (виключається верхівка) з корекцією на довжину інтервалу RR одного кардіоциклу [39, 42, 62]. Чим більше значення індексу, тим більше виражена асинхронність міокарда. Встановлено, що функція сегментів ЛШ у здорових добровольців і пацієнтів із збереженою систолічною функцією ЛШ характеризується високим ступенем синхронності, з показником СІА відповідно (3,5±1,8) і (4,5±2,4) % [42]. В іншому дослідженні в осіб без ознак і симптомів серцево-судинних захворювань, з нормальною ЕКГ і нормальними показниками біпланової ехокардіографії також показана синхронність роботи міокарда, значення СІА становило (1,59±0,99) % [83]. З погіршенням систолічної функції ЛШ значення СІА зростає, незалежно від тривалості комплексу QRS. При незначній дисфункції ЛШ показник СІА становив (5,40±0,83) %, при помірній дисфункції ЛШ – (10,0±2,0) %, при значній дисфункції ЛШ – (15,6±1,0) %; Р<0,001 [42]. Діагностичним критерієм асинхронності міокарда є СІА, що перевищує суму середнього значення і двох стандартних відхилень, обчислену у здорових осіб групи контролю [62]. Після імплантації бівентрикулярного стимулятора спостерігається суттєве зменшення СІА паралельно зі зменшенням КСО та збільшенням ФВ ЛШ [42, 62, 90]. Значення СІА понад 10 % дозволяє передбачити ефективність ресинхронізуючої терапії у пацієнтів із серцевою недостатністю ішемічного і неішемічного генезу з чутливістю 93 % і специфічністю 91 % [62]. Оцінка асинхронності міокарда за допомогою цієї методики характеризується високою відтворюваністю і повторюваністю результатів [42, 50, 62, 78].

Результати досліджень з прямого порівняння СІА міокарда та деяких показників тканинної допплерографії були суперечливими: від тісного до слабкого кореляційного зв’язку [15, 50, 78]. Вказані розбіжності можна пояснити, по-перше, кутовою залежністю та високою чутливістю амплітудних і часових характеристик сегментарної кривої тканинного допплера до положення контрольного об’єму, по-друге, тим фактом, що ці дві методики вимірюють різні параметри руху міокарда. Перевага тривимірної ехокардіографії у режимі реального часу при аналізі асинхронності роботи міокарда визначається можливістю оцінки руху міокарда в усіх напрямках: радіальному, поздовжньому, циркулярному. Показник СІА був тісно пов’язаний з параметрами асинхронності, отриманими з допомогою фазового аналізу зображень міокардіальної перфузії при проведені однофотонної емісійної комп’ютерної томографії серця [52].

Нещодавно з’явилася цілком нова методика аналізу синхронності роботи міокарда. Розробка нового програмного забезпечення та використання тривимірного матричного датчика дозволили поєднати можливості тканинної допплерографії та тривимірної візуалізації серця. Нова методика отримала назву «трипланової тканинної допплерографії». Цей метод дозволяє оцінювати регіонарну міокардіальну швидкість або деформацію міокарда ЛШ одночасно в трьох стандартних апікальних проекціях серця протягом одного серцевого циклу [47, 80]. Придатність методу для практичного застосування та здатність прогнозувати ефективність ресинхронізуючої терапії показані в низці нещодавно закінчених досліджень [80, 81].

Розробка нових ультразвукових сканерів та досягнення комп’ютерних технологій дозволили удосконалити методики 3D-ехокардіографії та створити ефективний, придатний для вирішення клінічних задач діагностичний метод, який дає можливість відповісти на багато запитань щодо оцінки структури та функції ЛШ. Як показано, аналіз морфофункціональних змін камер серця, зокрема ЛШ, заснований на використанні сучасних алгоритмів тривимірної реконструкції ехокардіографічних зображень, є більш точним і досконалим порівняно з традиційними методиками 2D-ехокардіографії. Тому у багатьох ситуаціях звичайне 2D-ехокардіографічне дослідження доцільно доповнити даними 3D-візуалізації у пацієнтів із специфічною патологією, при якій доведена можливість RT3DE забезпечити важливу діагностичну інформацію.

Подальший прогрес в удосконаленні датчиків та програмного забезпечення, а саме зменшення розмірів матричних датчиків, поліпшення якості візуалізації, просторової та часової роздільної здатності, скорочення часу обробки та кількісного аналізу зображення, сприятимуть ширшому використанню 3D-ехокардіографії для вирішення суперечливих клінічних питань. Створення нового програмного забезпечення дозволить у перспективі поєднати часову роздільну здатність 3D-ехокардіографії з просторовою візуалізацією, притаманною магнітнорезонансній або комп’ютерній томографії.

Література

Укркардіо