Благодаря техническому развитию ультразвуковых приборов и датчиков в начале 1990-х годов стал возможным переход от методик двумерных сечений к трехмерной ЭхоКГ. Цель статей на сайте - не только описать технические основы трехмерной ЭхоКГ, но и прежде всего представить ее клиническое значение.
а) Техника регистрации. Регистрацию трехмерных эхокардиографических данных принципиально можно представить двумя способами: как реконструкцию последовательности двумерных сечений или как трехмерную запись в реальном времени с использованием новых, специально для этой цели разработанных так называемых матричных датчиков и новых ультразвуковых аппаратов.
1. Трехмерная реконструкция. Трехмерная реконструкция эхокардиографических сечений основана на периодичности движений сердца. Двумерные эхо-кардиограммы, синхронизированные с ЭКГ, записываются в виде большого числа отдельных сечений, а затем объединяются в трехмерные конструкции. При помощи различных методик информация о пространственном расположении датчика объединяется с информацией соответствующего двумерного кадра, причем для этого можно использовать два принципиально различных подхода.
- Пространственная ориентация свободно перемещаемого трансторакального двумерного датчика регистрируется при помощи акустической или электромагнитной локационной системы. Исходные двумерные кадры впоследствии объединяются согласно пространственному расположению оригинальных плоскостей сечения (так называемое «свободное сканирование» - «freehand scanning»).
- Плоскость двумерного сканирования изменяется определенным образом, чаще всего вращается вокруг центральной неподвижной оси - для чего идеально подходят многоплановые ЧПЭ-датчики, - а затем данные объединяются в единый трехмерный массив. Эти методики трехмерной реконструкции ЧПЭ с автоматической регистрацией данных при синхронизации с ЭКГ и дыхательными движениями, доступные в коммерческом исполнении уже в 1990-е годы, существуют и сегодня в виде интегрированных в различные ультразвуковые приборы техник, что в дальнейшем будет описано более подробно.
Трехмерная реконструкция многоплановых чреспищеводных сечений. Регистрация производится при помощи обычных многоплановых чреспищеводных зондов. При этом каждый раз после записи очередного полного сердечного цикла в среднем по отношению к дыхательной кривой положении плоскость сечения поворачивается на заданный угол - обычно 2 или 3°. Все реконструктивные методики должны по возможности выполняться при постоянных ЧСС и дыхании, чтобы минимизировать артефакты. Это обеспечивается синхронизацией с ЭКГ и дыхательными движениями, для чего на пациента накладываются три ЭКГ-электрода, подключаемых к имеющему соответствующую опцию аппарату. В то время как импульс ЭКГ непосредственно используется для регистрации ЧСС, при помощи измерения колебаний импеданса грудной клетки на тех же электродах можно зарегистрировать и дыхательные движения.
Перед началом исследования на протяжении 45-60 с необходимо провести запись ЧСС и дыхательных движений в виде гистограммы. После этого создается требуемое окно синхронизации по ЭКГ и по дыхательным движениям, которое можно затем вручную откорректировать.
По окончании вращения плоскости исследования на 180° получается завершенный набор данных, т.е. полный сердечный цикл, зарегистрированный в середине дыхательного цикла в 60-90 различных плоскостях. При появлении экстрасистол или при превышении установленных граничных значений интервала RR или дыхательного движения регистрация прерывается. Продолжительность записи полного вращения (ротации) плоскости регистрации с шагом в 2 или 3° составляет в среднем от 2 до 5 мин. В зависимости от пациента и от диагностической потребности можно записать несколько ротаций, чтобы, например, оптимизировать качество изображения или положение датчика.
Записанные данные сначала в необработанном виде сохраняются на жестком диске или через сетевое соединение на центральном компьютере, а после завершения исследования подвергаются дальнейшей обработке. Некоторые производители позволяют выполнять реконструкцию и анализ на самом ультразвуковом аппарате. Трехмерный анализ занимает - в зависимости от пространственной глубины и сложности исследуемых структур - примерно 5-10 мин на одну реконструкцию. Затем требуется еще 5-10 мин на то, чтобы найти оптимальные сечения и углы обзора для визуализации конкретных структур. Однако сохраненный набор данных позволяет впоследствии создать изображения и других структур или любых сечений (так называемое «anyplane slicing» - сечение в любой плоскости), содержащихся в исходных данных.
Чтобы обеспечить для исследования оптимальные условия, особенно необходимые при регистрации трехмерных эхокардиограмм, после анестезии глотки дополнительно применяется легкая седация с 2,5-5 мг мидазолама внутривенно.
Один из кадров в процессе чреспищеводной трехмерной регистрации. В нижней части экрана слева изображена гистограмма соответствующих интервалов RR (в мс) - синхронизация с ЭКГ, а справа внизу - синхронизация по дыханию с волнообразной кривой дыхательных движений.
Техника трехмерной реконструкции. 1 -й шаг: поворот ЧПЭ-сечения с равномерными интервалами (например, каждые 2°), регистрация, оцифровка и сохранение исходных данных. 2-й шаг: последующая («off-line») обработка данных, сопоставление двумерных сечений с созданием трехмерного массива. 3-й шаг: из полученного таким образом массива можно получать любые сечения и углы обзора.
Схематическое изображение трех «двумерных» сечений, построенных из трехмерного массива, на примере левого желудочка. На этих произвольно выбираемых сечениях можно вручную обрисовать интересующие структуры.
2. Трехмерная эхокардиография в реальном времени. При трансторакальной трехмерной ЭхоКГ в реальном времени используются датчики, специально разработанные для трехмерных записей и сканирующие пирамидальный сектор в режиме «online» - т.е. без временной задержки, поэтому в идеальном случае им необходим лишь один сердечный цикл для регистрации. Датчик состоит из двумерной решетки ультразвуковых кристаллов (матрицы), содержащей более 3000 активных элементов. Ультразвуковой луч электронным образом направляется как по вертикали, так и по горизонтали.
Сегодня доступно уже несколько коммерческих приборов трехмерной ЭхоКГ в реальном времени. Решающим отличием от методики трехмерной реконструкции является, прежде всего, огромный выигрыш во времени при получении данных. В режиме реального времени можно отсканировать пирамидальный сегмент размером примерно 30x50° и в тот же момент объемно и динамически визуализировать его. Такой сегмент хотя и позволяет отображать отдельные сердечные структуры, такие как митральный клапан, но, например, не позволяет сразу отсканировать весь левый желудочек. Чтобы записать пирамидальный сегмент с угловым объемом до 85x85°, необходимо в течение 4 последовательных сердечных циклов отсканировать соседние сегменты и затем off-line объединить их. Так называемая «полнообъемная» («full volume») запись длится около 5-10 с.
Если она выполняется из апикального доступа при задержке дыхания с оптимальным качеством изображения, то возможны полная визуализация и оценка левого желудочка.
Техника трехмерной ЭхоКГ в реальном времени: пирамидальный сектор сканирования исследуется как единое целое в режиме «on-line» (4). Матричный датчик состоит из двумерной решетки ультразвуковых кристаллов, имеющей около 3000 активных элементов, и содержит большое количество электронных компонентов, осуществляющих обработку огромного объема исходных данных. Ультразвуковой луч электронным способом направляется как по вертикали, так и по горизонтали.
Трехмерная запись в реальном времени: при помощи используемых сегодня приборов можно в режиме реального времени отсканировать и визуализировать лишь ограниченный сегмент объемом примерно 30x50° (слева). Соответствующий кадр (справа) из парастернального доступа демонстрирует левый желудочек (LV), левое предсердие (LA), межжелудочковую перегородку (IVS) и корень аорты (Ао).
Запись полнообъемного массива данных («full-volume»): для достижения большего угла сканирования необходимо последовательно регистрировать на протяжении 4 сердечных циклов с использованием ЭКГ-триггера. За это время под электронным управлением регистрируются отдельные сегменты итогового объема и непосредственно затем объединяются в один массив данных. Впоследствии можно выполнять произвольную обработку этого массива (см. сечения и объемное изображение внизу справа).
б) Анализ трехмерных эхокардиографических данных. Независимо от того, как получается трехмерный массив данных (при помощи реконструкции или в режиме реального времени), его оценка происходит двумя принципиально различными способами: морфологически-качественный анализ и количественное измерение.
1. Качественный, морфологический анализ. Морфологическая оценка основывается на реконструкции поверхности границы кровь-эндокард, полуавтоматически распознаваемой на серошкальных изображениях. Рассчитанная поверхность представляется в виде объемного изображения, причем можно проследить ее динамику в течение всего сердечного цикла.
В отличие от традиционных двумерных сечений такие реконструкции - особенно динамически изменяющиеся - производят впечатление реального объемного изображения, словно наблюдатель смотрит внутрь сердца. Близко расположенные структуры изображаются более светлыми по сравнению с отдаленными. Дополнительно реконструированная поверхность освещается виртуальным источником света. При этом исходная информация в градациях серого теряется, а пространственное разрешение оказывается не таким высоким, как у исходных двумерных изображений, зато возможен просмотр под любым углом зрения и построение любого сечения, чего нельзя было бы достичь при помощи традиционной двумерной техники. В этом заключается основное клинически используемое преимущество этой методики.
Пространственное взаиморасположение патологических структур охватывается одним взглядом, что оказывается лучше и надежнее, чем при общепринятых двумерных методиках. Это может облегчить пространственную ориентировку, предоперационное планирование или послеоперационную оценку различных вмешательств.
Объемная реконструкция поверхности эндокарда левого желудочка, основанная на двумерных изображениях левого желудочка, зарегистрированных из трансторакального апикального доступа (a-в) и затем объединенных согласно своему расположению в трехмерный массив данных. Рассчитанная по изображениям серой шкалы граница кровь-эндокард визуализируется в виде поверхности (нижняя картинка).
Полуавтоматическая методика определения объема ЛЖ. После того как исследователь вручную отмечает положение митрального кольца и верхушки по меньшей мере в двух сечениях во время систолы и диастолы (парные кадры слева), автоматический алгоритм анализа изображения самостоятельно определяет границы эндокарда (второй кадр слева). При необходимости здесь можно провести корректировку вручную. На основании этих контуров программа рассчитывает объем левого желудочка, строит объемное изображение (левый верхний угол правого кадра) и отображает в виде графика изменения объема в течение сердечного цикла с указанием систолического минимума и диастолического максимума (белые стрелки).
График изменения регионального объема во времени: массив данных по левому желудочку может быть проанализирован по отдельности по каждому из 16 сегментов ЛЖ.
Цветные графики изменения регионального объема во времени демонстрируют ход сокращения сегментов, отмеченных соответствующим цветом на кольцевой диаграмме (слева внизу) и в виде цветных проекций на поверхность эндокарда (слева вверху). В данном нормальном случае все анализируемые сегменты сокращаются синхронно.
2. Количественный анализ. Однако наиболее существенный потенциал трехмерной ЭхоКГ заключается не в объемной реконструкции поверхностей, а в возможности измерения размеров любых структур сердца и исследования их изменений в течение сердечного цикла. Единственным условием для этого является лишь то, чтобы искомая структура (например, левый желудочек, выносящий тракт левого желудочка или створки митрального клапана) полностью была зарегистрирована при первоначальном сканировании трехмерных данных.
Измерение расстояний между структурами. На объемных изображениях реконструированных поверхностей возможны измерения расстояний между структурами, хотя измерение изогнутых поверхностей пока представляет большие сложности. Для определения объема, массы, площади поверхности или площади сечения необходимо сделать определенный «шаг назад» к произвольно выбранным сечениям, извлекаемым и реконструируемым из трехмерного массива данных. Затем на этих двумерных изображениях необходимо вручную или полуавтоматически обрисовать контуры интересующих структур (например, эндокард или эпикард для определения массы, границы выносящего тракта левого желудочка и т.д.).
Определение объема. В большинстве предшествовавших работ для определения объема использовался известный и по другим визуализирующим техникам «метод дисков», требующий обрисовки контуров эндокарда на большом числе параллельных сечений и поэтому довольно затратный по времени.
В доступных сегодня аппаратах для трехмерной ЭхоКГ полуавтоматические методики обнаружения контуров позволяют производить существенно более быстрое и тем не менее точное и валидное определение сердечных объемов. Например, для определения левожелудочковых объемов исследователю требуется лишь вручную отметить положение митрального кольца и верхушки на двух продольных сечениях. На основании этой информации современные алгоритмы обработки изображений определяют сначала границы эндокарда в конечно-диастолической и конечно-систолической точках сердечного цикла, а затем и движение этих границ за все время цикла. Отсюда автоматически рассчитывается объем левого желудочка в систолу и в диастолу, а также фракция выброса.
Если графически отобразить изменение объема левого желудочка во времени, получится график «объем-время», характеризующий глобальную функцию ЛЖ. Если же весь объем ЛЖ поделить на 16 (или согласно последним рекомендациям ASE - на 17) субсегментов, то можно создать для каждого из сегментов отдельный график изменения регионального объема во времени, при помощи которого возможен количественный анализ регионального движения стенки ЛЖ (объем движений и его временной профиль).
Преимущество количественной трехмерной ЭхоКГ заключается в значительно большей точности, лучшей воспроизводимости и меньшей зависимости от исследователя.
