Ultrarask ultralyd gir nye muligheter i vurderingen av blodstrøm og myokardfunksjon og har potensial til å revolusjonere klinisk ekkokardiografi. Metoden gjør det mulig å detektere ekko fra de enkelte blodcellene og gir dermed mer detaljert fremstilling av blodets strømminger i hjertet. Teknologien som beskrives her er utviklet av ultralydgruppen ved NTNU i Trondheim. Vårt mål er at metodene skal bidra til forbedret hjertediagnostikk og ny hemodynamisk kunnskap.
Tekst: Siri Ann Nyrnes, Barnekardiolog St.Olav Hospital/Postdoktor NTNU - Trondheim
Utspring og samarbeid
Samarbeidet mellom ingeniører ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), klinikere ved St. Olavs hospital og norsk industri har tidligere gitt flere viktige bidrag i den teknologiske utviklingen av hjerteultralyd. -Barnekardiologer ved Barne- og Ungdomsklinikken ved St. Olavs hospital, Ålesund sykehus og ved The Hospital for Sick Children, Toronto, Canada (SickKids) har de siste årene utviklet, validert og prøvd ut ulike former for ultrarask ultralyd. Vi utvider nå også utprøvingen til fosterets hjerte og sirkulasjon i samarbeid med Nasjonalt senter for foster-medisin ved St. Olavs Hospital.
Ultrarask ultralyd – hva er det?
I det siste tiåret har betydelige teknologiske fremskritt drevet frem utviklingen av det som ofte kalles «ultrafast» eller «high-framerate» ultralyd, i denne artikkelen oversatt til «ultrarask» ultralyd. Ved å bruke ufokuserte ultralydpulser, er det mulig å dekke en full bildesektor med hver puls. Dette muliggjør bildefrekvens tilsvarende puls-utsendingshastigheten, og man kan ta flere tusen bilder per sekund (med vår metode omkring 5000 bilder/sekund). Ved konvensjonell ultralyd tas typisk mellom 25-100 bilder/sekund. På denne måten kan man fange og avbilde raske hendelser slik som hvordan blodet strømmer i hjertet. På Figur 1, i høyre øvre panel, sees den nye teknikken kalt «Blood Speckle Tracking» (BST) som viser detaljer i blodstrømmen. En mer detaljert framstilling av blodstrømmen, kan gjøre det lettere å oppdage endringer i sykdom. For eksempel kan detaljert informasjon om blodstrøm i hjertets kamre gi innsikt i hjertefunksjonen, og det er vist at endring i blodstrømsmønsteret i venstre hjertekammer er en tidlig markør for redusert hjertefunksjon. Ultrarask ultralyd kan også benyttes til å måle stivhet i hjertemuskelen, som igjen er proporsjonal med grad av fibrose i hjertemuskelen. Metoden gir altså mulighet for både -forbedret avbildning av blodstrøm og vev i hjertet.
Figur 1: Blood Speckle Tracking (BST)
Øvre panel: Ultralydbilde av hjertet til nyfødt.
LV = venstre hjertekammer.
RV = høyre hjertekammer.
Ao= Aorta (hovedpulsåre).
Bildet viser farge-Doppler avbildning til venstre, BST til høyre hvor man ser at blodet passerer gjennom en åpning mellom hjertekamrene og lager en virvel i høyre hjertekammer.
Nedre panel: Intraventrikulær trykkforskjell langs den avbildede strømningsbanen fra mitralklaff til apex, vist til venstre (frisk kontroll). Maksimal intraventrikulær trykkforskjell (IVPD) i tidlig diastole er merket med den blå pilen til høyre. Verdiene hentes ut av analyseprogrammet vi bruker.
«Blood Speckle Tracking» Detaljert visualisering av blodstrøm
De konvensjonelle Dopplermetodene har begrensninger, blant annet at de kun måler blodstrømshastigheten langs ultralydstrålen. I ultralydbildet vises da blodets retning kun med en rød/blå fargekoding (farge-Doppler, Figur 1, venstre øvre panel). Slike blodstrømsbilder må tolkes, og vil ikke vise faktisk retning av blodstrømmen. Komplekse blodstrømninger med for eksempel virveldannelser som den man ser til høyre i Figur 1 vil ikke komme fram. BST måler derimot også blodstrømmen på tvers av ultralydstrålen. Metoden baserer seg på sporing av flekker (speckles), som er ekkogene punkter som finnes i alle ultralydopptak. Specklemønsteret i blodet følger blodets detaljerte bevegelse, og retningen og hastigheten til blodstrømmen kan dermed måles ved å spore speckle-mønsterets bevegelse i ultralydbildet. I samarbeid med SickKids, Toronto, har vi brukt BST for å vurdere normale og unormale strømningsmønstre hos friske barn sammenlignet med barn som har hjertesykdom (Tabell 1). 1-5
Tabell 1: Problemstillinger hvor Blood Speckle Tracking kan være nyttig. Eksemplene er hovedsakelig basert på publiserte data. For single ventrikler pågår analyser enda. Dette er ingen fullstendig oversikt, men gir innblikk i noen tilstander hvor metoden kan gi ekstra informasjon.
(IVPD=intraventrikulær trykkforskjell)
Kvantitative mål fra blodstrøms-feltet
I tillegg til det rent visuelle, kan man også hente ut kvantitative mål fra blodstrømsfeltet. Vi kan måle energitap2, grad av virveldannelse («vortisitet»)1, blodstrømmens kompleksitet («vector complexity»)4 og intraventrikulære trykkforskjeller.3 Disse kvantitative strømningsparametere kan gi verdifulle tillegg i klinikken. For eksempel er evaluering av venstre ventrikkels diastoliske funksjon i pediatrisk kardiologi svært utfordrende. Vår metode kan estimere intraventrikulær trykkforskjell i tidlig diastole (Figur 1, nedre panel). Dette -muliggjør vurdering av hjertekammerets evne til å skape sug, noe som er avgjørende for fylningen av venstre -hjerte-kammer.3
Estimering av hjertemuskelens elastisitet (stivhet)
Ultrarask ultralyd kan også utnyttes til å estimere vevets elastisitet/stivhet. Mekaniske bølger i hjertemuskelen kan oppstå fra eksternt påførte krefter eller naturlige mekaniske hendelser i kroppen. Lukking av hjerteklaffene skaper for eksempel slike mekaniske bølger som forplanter seg i hjertemuskelen. Måling av forplantningshastighetene til disse bølgene kan brukes til å estimere myokardstivhet.6 Myokardfibrose oppstår sekundært til belastning eller skade i hjertemuskelen, og måles i dag med MR, eller med vevsprøve (histologi). Muligheten til å gjøre dette med ultralyd vil være ett stort fremskritt. Vi har samlet data i flere ulike grupper av medfødte hjertefeil, og er i gang med analysene.
Innovasjon
Blood Speckle Imaging (BSI, basert på vår BST-teknologi), har blitt kommersialisert av GE Vingmed Ultrasound (BSI 2.0 on Vivid Ultra Edition – YouTube). Metoden er tilgjengelig på deres kliniske skannere, som har stor global markedsandel innen kardiovaskulær ultralyd. Som et resultat av denne innovasjonen har GE Woman’s Health Ultrasound (Østerrike) også innledet et samarbeid med vår gruppe for å kommersialisere tilsvarende verktøy for fosterdiagnostikk. De kvantitative blodstrømsmålene er ennå ikke tilgjengelige for alle. I pågående studier bruker vi et egenutviklet analyseprogram med manuell analyse. Men vi jobber aktivt for å gjøre også de kvantitative blodstrøms-målene tilgjengelige i kliniske skannere.
Referanser
1. Nyrnes SA, Fadnes S, Wigen MS, Mertens L, Lovstakken L. Blood Speckle-Tracking Based on High-Frame Rate Ultrasound Imaging in Pediatric Cardiology. J Am Soc Echocardiogr 2020;33(4):493-503.e5. (In eng). DOI: 10.1016/j.echo.2019.11.003.
2. Mawad W, Løvstakken L, Fadnes S, et al. Right Ventricular Flow Dynamics in Dilated Right Ventricles: Energy Loss Estimation Based on Blood Speckle Tracking Echocardiography-A Pilot Study in Children. Ultrasound Med Biol 2021;47(6):1514-1527. (In eng). DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2021.02.004.
3. Sørensen K, Fadnes S, Mertens L, et al. Assessment of Early Diastolic Intraventricular Pressure Difference in Children by Blood Speckle-Tracking Echocardiography. J Am Soc Echocardiogr 2023;36(5):523-532.e3. (In eng). DOI: 10.1016/j.echo.2022.12.025.
4. Mawad W, Fadnes S, Løvstakken L, Henry M, Mertens L, Nyrnes SA. Pulmonary Hypertension in Children is Associated With Abnormal Flow Patterns in the Main Pulmonary Artery as Demonstrated by Blood Speckle Tracking. CJC Pediatric and Congenital Heart Disease 2022;1(5):213-218. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cjcpc.2022.09.001.
5. Henry M, Fadnes S, Lovstakken L, Mawad W, Mertens L, Nyrnes S. Bicuspid aortic valve flow dynamics using blood speckle tracking in children. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging 2021;22(Supplement_1). DOI: 10.1093/ehjci/jeaa356.184.
6. Salles S, Espeland T, Molares A, et al. 3D Myocardial Mechanical Wave Measurements: Toward In Vivo 3D Myocardial Elasticity Mapping. JACC Cardiovascular imaging 2020 (In eng). DOI: 10.1016/j.jcmg.2020.05.037.
