МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Кардиология:
Кардиология
Основы кардиологии
Аритмии сердца
Артериальная гипертензия - гипертония
ВСД. Нейроциркуляторная дистония
Детская кардиология
Сердечная недостаточность
Инфаркт миокарда
Ишемическая болезнь сердца
Инфекционные болезни сердца
Кардиомиопатии
Болезни перикарда
Фонокардиография - ФКГ
Электрокардиография - ЭКГ
ЭхоКС (ЭхоКГ, УЗИ сердца)
Бесплатно книги по кардиологии
Пороки сердца:
Врожденные пороки сердца
Приобретенные пороки сердца
Форум
 

Физические эффекты микропузырьков при контрастной эхакардиографии

Здесь рассматривается имеющий решающее значение механизм непредсказуемого поведения контрастного средства в ультразвуковом поле. В зависимости от специфических свойств капсулы и содержащегося в ней газа в различной степени и с различной скоростью происходят изменения формы и величины пузырьков, а также целостности капсулы до полной ее деструкции. В действительности поведение микропузырьков в акустическом поле является очень сложным процессом и определяется многими физическими закономерностями: диффузия газа, микропотоки, сила излучения, резонанс, гармонические осцилляции, хаотические осцилляции и др.. При этом одним из решающих факторов является уровень прилагаемой акустической энергии, отображаемый на экране как давление в паскалях или в виде «механического индекса» (mechanical index, MI 0,1-1,9).

С этим уровнем связано ставшее уже общеупотребимым деление на низко- и высокоэнергетические методики, значение которых разъясняется ниже. Сегодня действие прилагаемых количеств акустической энергии на эхогенность контрастного средства считается важнейшей причиной различных способов реакции контраста и используется соответствующим образом.

а) Линейные и нелинейные реакции. При низком акустическом давлении (около 1-50 Па) контрастное средство в ультразвуковом поле визуализируется в виде обратного рассеивания или «нормального отражения» сигнала с так называемыми линейными свойствами (интенсивность отраженного сигнала линейно возрастает при возрастании акустического давления), что обусловливает хорошо известную в традиционной фундаментальной ЭхоКГ, но клинически недостаточную, малоинтенсивную окраску.

1. Режим второй гармоники. В области умеренно высокого акустического давления (около 50-200 Па) возникает сверхпропорциональное, нелинейное повышение интенсивности сигнала из-за резонанса и осцилляций, при которых дополнительно к приходящей и отражаемой ультразвуковой частоте (например, 1,7 МГц) обратно излучаются и ее гармонические частоты (см. по этому поводу также главу 7), особенно удвоенная частота (3,4 МГц, вторая гармоника). Этот специфический для пузырьков эффект используется в так называемом режиме второй гармоники (Second Harmonic Imaging), в котором для построения изображения из полученного ультразвукового сигнала селективно обрабатывается только удвоенная основная частота.

2. Спонтанная акустическая эмиссия. При высоком акустическом давлении (около 200-2000 Па), которое технически возможно в клинических ультразвуковых приборах и которое также допустимо к применению согласно американским предписаниям по безопасности (MI 1,0—1,9), возникает не менее значимый, также нелинейный эффект спонтанной акустической эмиссии (потеря корреляции, loss of correlation): микропузырек взрывается, однократно излучив очень интенсивный ультразвуковой сигнал, состоящий из самых различных частот и определяемый на протяжении лишь около 50 мс.

Эта реакция, называемая «спонтанной акустической эмиссией», как клинически полезный эффект была полностью эмпирически обнаружена Томасом Портером (Thomas Porter) в 1995 г. и впоследствии стала основой современной контрастной ЭхоКГ миокарда в виде техники получения изображения в прерывистом режиме («intermittent imaging»).

б) Техника получения изображения в прерывистом режиме:

1. Высокоэнергетические методики. Необходимость «прерывистого режима» станет понятной, если принять во внимание, что при высокоэнергетических методиках (а это более старые методики, от основных режимов ЭхоКГ до режима второй гармоники и гармонического допплера) каждый испускаемый ультразвуковой луч вызывает спонтанную акустическую эмиссию пузырьков в акустическом поле. Однако у этого окрашивающего визуализирующего эффекта есть, так сказать, и оборотная сторона медали: разрушение пузырьков, которые перестают быть контрастным средством.

Лишь после того как благодаря соответствующей скорости движения крови - являющейся носителем контраста - в ультразвуковое поле снова приносится необходимое количество неиспользованных пузырьков, может опять однократно произойти эмиссия, дающая информацию для нового изображения. Таким образом, при средней скорости смены изображений 25 кадров/с (время построения изображения 40 мс) скорость крови должна быть на уровне, обеспечивающем поступление пузырьков на всю толщину слоя (около 0,5-1 см) и на всю ширину сектора ультразвукового поля, т.е. >2 см/с. Однако скорость капиллярного кровотока - а 90% сосудистого объема миокарда составляют капилляры - составляет менее 0,1 см/с.

Следовательно, для оптимального использования спонтанной акустической эмиссии была разработана техника получения изображения в прерывистом режиме (transient imaging): с привязкой к ЭКГ записывается только одно изображение на один сердечный цикл, а лучше даже на каждый второй-третий или даже седьмой цикл. Интервал между каждым вторым циклом для здорового человека в покое или при максимальной вазодилатации соответствует времени, необходимому для восполнения контраста, а промежуток между каждым седьмым циклом - аналогичное время для поврежденной микроциркуляции при заполнении по коллатералям. Следовательно, настройка записи на каждый 2-й или 3-й сердечный цикл позволяет оптимально дифференцировать нормальную и сниженную перфузию.

Настройка же записи на каждый 7-й цикл позволяет различать гипоперфузируемый жизнеспособный миокард (коллатеральное кровоснабжение) и не перфузируемую ткань (инфаркт, феномен «невосстановления кровотока»).

2. Низкоэнергетические методики. В исходно иной технической ситуации низкоэнергетических методик для достижения спонтанной акустической эмиссии в произвольно выбранный момент времени испускается серия из 1-3 последовательных высокоэнергетических импульсов (вспышка, flash), а затем наблюдается медленное заполнение поначалу неокрашенного миокарда микропузырьками, не разрушающимися в низкоэнергетическом ультразвуковом поле, но, тем не менее, контрастирующими благодаря своей высокой отражательной способности.

Из-за широкого спектра частот при спонтанной акустической эмиссии напрашивается вывод, что в качестве специфической для пузырьков исследовательской техники следует использовать режим второй гармоники или гармоническую допплер-ЭхоКГ, а не традиционную двумерную ЭхоКГ.

в) Ограничения изображения микропузырьков. Отличить физически обусловленный дефект контрастирования от обусловленного нарушениями перфузии может быть довольно трудно, поскольку имеется много известных и, вероятно, несколько неизвестных факторов, ограничивающих интрамиокардиальное изображение специфических сигналов от микропузырьков:

- сложная система расположения волокон в миокарде (анизотропия может менять отражательную способность в три раза),

- физиологическая вариабельность сигнала (сердечный цикл, дыхание) может быть такой же большой, как и ожидаемый дефект контрастирования, связанный с гипоперфузией,

- особенности прибора, например, негомогенное распределение акустической энергии в секторе сканирования или относительно местоположения фокуса,

- ослабление сигнала (затухание, attenuation).

1. Ослабление (затухание) сигнала. Зависимость интенсивности сигнала микропузырьков от акустического давления остается основополагающим принципом. Хотя при обследовании пациентов акустическая энергия в большинстве случаев удерживается на постоянном уровне и в форме механического индекса указывается на экране прибора, тем не менее из-за ослабления сигнала в тканях возникают локальные различия в приложенной энергии. Поэтому в клинических исследованиях интенсивность сигнала микропузырьков следует описывать как зависимую от ослабления ультразвуковой волны: лишь при малом ослаблении может происходить спонтанная акустическая эмиссия, при среднем - нелинейная осцилляция, а при выраженном ослаблении - только линейное отражение.

2. Величина ослабления сигнала. Хотя ослабление сигнала постоянно упоминается как объяснение недостаточного качества изображения микропузырьков, о его численных значениях известно немногое. Поэтому мы предприняли исследования in vitro и in vivo для определения его величины. Обобщенно ослабление ультразвуковой волны в клинических ситуациях для грудной стенки составляет примерно 5-15 дБ, отличаясь, однако, для различных сегментов левого желудочка соответственно позиции датчика и интрамиокардиальной глубине проникновения ультразвука.

Суммарная величина ослабления ультразвуковой волны для пациента находится между 10 и 40 дБ. Влияние ослабления сигнала в этих пределах на ожидаемое изображение микропузырьков было исследовано in vitro в высокоэнергетическом режиме с использованием различных поглощающих слоев и ступенчатого понижения механического индекса. При этом установлено, что максимальная акустическая энергия позволяет визуализировать микропузырьки вплоть до уровня ослабления сигнала в 25 дБ. При использовании меньшей волновой энергии интенсивность сиг нала микропузырьков даже при существенно меньшем ослаблении сигнала становится ниже присущего прибору шумового порога.

Если принять во внимание, что для некоторых пациентов характерен уровень ослабления сигнала в 40 дБ, то становятся понятными проблемы, так часто связанные с отображением эффектов контрастирования, а также значительное повышение чувствительности выявления микропузырьков в современных низкоэнергетических методиках.

Физические эффекты микропузырьков при контрастной эхакардиографии
Сравнение между информационным содержанием интенсивности видеосигнала (вертикальная ось) в зависимости от мощности радиочастотных данных (слева) и цифровых сигналов (справа) в экспериментах in vitro с физиологическими концентрациями контрастного средства Левовист.
Видеосигнал не изменяется в области низких и высоких радиочастот или интенсивностей цифровых сигналов (плоские отрезки кривых) и только в небольшом диапазоне около 25 дБ (крутой участок S-образной кривой) чувствительно реагирует отчетливым повышением интенсивности сигнала при соответствующем изменении горизонтальных исходных данных.
Этот чувствительный диапазон можно лишь параллельно сместить при помощи различных настроек прибора, например, изменяя акустическую энергию, но не увеличить.

г) Сравнение визуальной и количественной оценки:

1. Визуальная оценка. На протяжении всей истории развития контрастной ЭхоКГ миокарда основной была визуальная оценка региональной гипоперфузии, и это положение сохраняется и сегодня. Сначала исследователи оценивали исключительно качественно или полуколичественно, используя баллы: 0 - нет перфузии, 1 - гипоперфузия, 2 - нормальная перфузия. Этот субъективный способ оценки применялся как раз в ведущих исследовательских центрах и был связан с использованием современных для того времени, но изначально связанных с техническими проблемами видеосигналов, поскольку видеосигналы из-за ограниченной «динамической шкалы» («dynamic range») не позволяют отобразить градации серого в области самых низких и самых высоких интенсивностей эхо-сигнала.

Лишь прорыв в цифровой обработке данных вместо видеосигналов в конце 90-х годов создал аппаратно-техническую основу для адекватного применения количественного анализа при помощи денситометрии.

Физические эффекты микропузырьков при контрастной эхакардиографии
Сравнение пульс-инвертированной методики, второй гармоники и гармонической энергетической допплерографии:
а - Диаграмма окрашивания миокарда после вычитания фона в условных единицах вместо дБ при максимальной вазодилатации во время дипиридамолового теста с построением изображения в прерывистом режиме (2-й сердечный цикл) при использовании следующих техник: пульс-инвертированная методика, вторая гармоника и гармонический энергетический допплер у пациентов с подозрением на ишемическую болезнь сердца. Референтный метод - ОФЭКТ; правые блоки указывают средние значения (а также 25-е и 75-е процентили) сегментов с нормальной перфузией, а левые - сегментов с патологическим миокардиальным кровотоком (опираясь на результаты референсного метода); несмотря на определенное перекрытие блоков, при помощи всех трех методик выявляются значимые различия.
б - Тот же дизайн диаграммы, но показано относительное окрашивание миокарда после нормализации интенсивности сигнала в сравнении с сигналом от полости левого желудочка (%); отмечается гораздо меньшее перекрытие блоков. Здесь также наилучшие результаты дает пульс-инвертированная методика, а наихудшие - гармоническая энергетическая допплерография.
в - Тот же дизайн для стресс-индуцированных изменений относительного окрашивания миокарда во время дипиридамоловой пробы показывает, что в нормально перфузируемых сегментах окрашивание миокарда в результате дипиридамоловой нагрузки повышается, тогда как в патологических сегментах скорее наблюдается снижение исходных значений. Эта диагностически различная реакция имеет высокую значимость для пульс-инвертированной методики (р<0,0001), далее следует режим второй гармоники (р<0,001), тогда как для гармонической энергетической допплерографии уровень значимости почти не достигается (р<0,05).

Это было тем более необходимо, поскольку как раз в 1998 г. Wei опубликовал свой революционный, основанный на экспериментах на животных расчет хотя и относительных, но тем не менее цифровых параметров миокардиальной перфузии: объем капиллярной крови в миокарде (А), скорость потока (β) и миокардиальный кровоток (Ахβ). Так как в противоположность экспериментам на открытой грудной клетке животных в клинической контрастной ЭхоКГ миокарда появляются связанные с тканевым ослаблением артефакты, которые искажают картину и могут быть ошибочно интерпретированы как дефекты перфузии, то с 2002 г. эти эффекты тканевого ослабления или негомогенности ультразвуковой энергии нейтрализуются расчетным образом при помощи релятивации регионального контрастирования миокарда, т.е. соотнесения интенсивности сигналов с сигналами от прилегающих сегментов кровотока.

2. Количественное определение. Таким образом, с 2002 г. возможность количественного определения миокардиального объема крови позволяет проводить объективное сравнение различных высокоэнергетических методик исследования. При этом пульс-инвертированная методика с внутривенной инфузией Левовиста в покое, а затем при максимальной вазодилатации приводила к наилучшему контрастированию миокарда. В той же работе при помощи одновременно выполняемого радионуклидного исследования ОФЭКТ было показано, что диагностическое совпадение результатов при выявлении значимых коронарных стенозов для количественного анализа гораздо лучше, чем для визуальной оценки (каппа 0,73 против 0,51), что впоследствии было доказано и другим путем.

Dawson показал, что высокоэнергетические техники обладают более высокой диагностической точностью при выявлении значимых коронарных стенозов, чем низкоэнергетические, т.е. как раз для решения научных и клинических проблем, когда максимально точное определение пузырьков является крайне важным, имеет смысл в дальнейшем выполнять высокоэнергетические методики вместе с техникой получения изображения в прерывистом режиме.

В целом следует еще раз подчеркнуть, что определение миокардиального капиллярного объема крови, скорости тока крови и миокардиального кровотока без лучевой нагрузки и с возможностью произвольного воспроизведения результатов приведет к новым взглядам на до сих пор методически трудно доступные исследования миокардиальной микроциркуляции, являющейся основой всех энергетических и обменных процессов, тогда как в области хорошо изученных феноменов коронарного кровотока для ЭхоКГ остается лишь ниша более быстрой методики, чем традиционно используемые.

Физические эффекты микропузырьков при контрастной эхакардиографии
Оригинальные записи пациента с обратимым дефектом перфузии в среднебазальной области боковой стенки при исследовании ОФЭКТ (справа) в сравнении с контрастными техниками: пульс-инвертированной методикой, режимом второй гармоники и гармоническим энергетическим допплером (слева направо).
Вверху состояние покоя, внизу - максимум дипиридамолового теста. Разрешение изображения при пульс-инвертированной методике позволяет наиболее точное отграничение миокарда.
В режиме гармонического энергетического допплера в покое латеральная стенка не окрашивается, из-за чего оценка дефекта перфузии при нагрузке затруднена (стрелки).

3. Автоматизированная расшифровка. Повсеместно встречающееся сдержанное отношение клиницистов к количественному определению перфузии связано, понятным образом, с большими, нереальными в клинической практике временными затратами на то, чтобы вручную на каждом кадре для всех исследованных триггерных интервалов выделить «области интереса» строго в проекции мышечной стенки и, вычитая фоновое изображение, полученное до введения контраста, пересчитать денситометрический анализ градаций серого в эффект миокардиального контрастирования. Здесь и далее остается лишь надеяться на улучшенное и надежное (полуавтоматическое программное обеспечение, которое будет, например, протестировано как раз для параметрической визуализации перфузии.

Принципом здесь может служить цветокодированная последующая обработка исходных изображений в градациях серого, позволяющих производить денситометрический пересчет в стандартизированные параметры контрастированного изображения: А (объем крови), β (скорость тока крови) и А х β (кровоток). Однако публикуемую в таких работах чувствительность (75%), специфичность (максимум 75%) и точность (75%), по-видимому, еще можно и нужно улучшать.

- Также рекомендуем "Техники контрастной эхакардиографии миокарда"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 23.12.2019

Медунивер - поиск Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Мы в Instagram Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.