ArchivDeutsches Ärzteblatt16/1996Dynamische dreidimensionale Echokardiographie: Ein neues bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Anatomie und Funktion des Herzens

MEDIZIN: Aktuell

Dynamische dreidimensionale Echokardiographie: Ein neues bildgebendes Verfahren zur Darstellung der Anatomie und Funktion des Herzens

Dtsch Arztebl 1996; 93(16): A-1028 / B-876 / C-796

Erbel, Raimund; Vogel, Michael; Buck, Thomas; Geibel-Zehender, Annette; Bühlmeyer, Konrad; Wollschläger, Helmut

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LNSLNS Die dreidimensionale Darstellung des Herzens durch Rekonstruktion von multiplen sequentiellen tomographischen Schichten mittels Ultraschall ist ein neues bildgebendes Verfahren. Die dreidimensionale Echokardiographie kann von transösophageal und bei Kindern und vereinzelt auch bei Erwachsenen von transthorakal durchgeführt werden. Es können beliebige Schnittebenen durch den Datensatz gelegt werden, die eine genauere und dem jeweiligen Herzfehler besonders angepaßte Darstellung des Herzens ermöglichen.


Die Echokardiographie hat sich als ein weit verbreitetes, nicht invasives Untersuchungsverfahren zur Darstellung der Anatomie des Herzens für viele klinische Fragestellungen als äußerst wertvoll erwiesen. Mit
dieser Methode gelingt es, die Bewegung des Herzens in Echtzeit von verschiedenen transthorakalen oder transösophagealen Schallebenen aus darzustellen. Die Interpretation der von verschiedenen Anlotpunkten aus aufgenommenen zweidimensionalen Echokardiogramme erfordert ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen
des Untersuchers. Besonders bei komplexen angeborenen Herzfehlern ist eine genaue Kenntnis der anatomischen Verhältnisse und der damit verbundenen hämodynamischen Veränderungen sowie eine große Erfahrung notwendig, um Fehldiagnosen zu vermeiden(3). Die logische Weiterentwicklung aller bildgebenden Verfahren ist auf eine räumliche Darstellung unter zuhilfenahme einer dreidimensionalen Rekonstruktion ausgerichtet (Textkasten). Erste Versuche einer dreidimensionalen Darstellung des Herzens durch die Technik der Echokardiographie sind bereits während der siebziger Jahre unternommen worden (2). Sie waren wegen des komplizierten, zur Aufnahme des Herzens benötigten Instrumentariums
und des enormen Zeitaufwands der dreidimensionalen Rekonstruktion nur in Forschungsprojekten realisierbar, aber nicht klinisch anwendbar (1). Mit der in Deutschland entwickelten Echo-ComputerTomographie (20) steht nun zum ersten Mal ein Gerät in der Medizin zur Verfügung, welches in der Lage ist, mit einem vertretbaren zeitlichen und auch instrumentellen Aufwand eine dynamische dreidimensionale Darstellung des Herzens durchzuführen.


Dreidimensionale Datenakquisition
Dreidimensionale Darstellungen des Herzens werden durch Aufnahme des Herzens in multiplen sequentiellen tomographischen Schichten ermöglicht. Dazu benötigt man neben einem konventionellen Ultraschallgerät einen zusätzlichen Computer und entweder speziell bewegliche Schallköpfe oder eine von außen auf konventionelle Schallköpfe aufgebrachte Mechanik, welche den Schallkopf bewegt. Dabei haben sich drei Methoden bewährt (11):
! Parallele Schnittbildakquisition durch Bewegung einer Schallsonde entlang einer vorgegebenen Wegstrecke (Grafik 1a),
! Rotierende Schnittbildakquisition durch Rotation einer Schallsonde um 180 Grad (Grafik 1b),
! Fächerförmige Schnittbildakquisition durch kippen einer Schallsonde in der Längsachse um jeweils 45 Grad (Grafik 1c).
Die Methode der parallelen, rotierenden oder fächerförmigen Aufnahme des Herzens ist transösophageal mittels speziell konstruierter Schallköpfe oder im Falle der Rotation durch Anschluß einer Steuermechanik an kommerziell erhältliche multiplane Schallsonden möglich. Bei Kindern hat sich die Methode der transthorakalen Datenakquisition mit Hilfe eines auf einer Strecke von fünf Zentimeter parallel verschiebbaren konventionellen Schallkopfes oder mittels fächerförmiger Bewegung eines subkostal plazierten konventionellen Schallkopfes bewährt (15). Die sequentielle Bewegung des Schallkopfes erfolgt bei allen drei Methoden computergesteuert mittels eines Motors, dessen Steuerungslogik ,Informationen über die Herz- und
Atemphase erhält, so daß die einzelnen tomographischen Schichten des Herzens EKG- und atmungsgetriggert aufgenommen werden (7).
Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, werden nur Bilder vom Herzen aufgenommen und gespeichert, die
bei identischen Atemlagen und innerhalb des vom Untersucher vorgegebenen Abstandes der R- Zacken aufgenommen worden sind. Momentan ist die dynamische dreidimensionale Echokardiographie noch kein Echtzeitverfahren. Alle 40 Millisekunden wird eine Phase des Herzzyklus aufgenommen, so daß bei Säuglingen mit einer Herzfrequenz von 120/min und einem entsprechenden R-Zacken-Abstand von 500 msec 12 Phasen und bei Erwachsenen mit Herzfrequenzen um 60/min und einem R- Zacken-Abstand von 1 000 msec 25 Phasen des Herzzyklus aufgenommen werden. Dementsprechend dauert die Datenakquisition bei
Kindern zwischen zwei und fünf Minuten (15) und bei Erwachsenen zwischen 10 und 15 Minuten (9).
Die Rekonstruktionszeiten betragen je nach Erfahrung des Untersuchers zwischen 20 und 40 Minuten.
Eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion eines komplexen angeborenen Herzfehlers kann in seltenen Fällen auch bis zu vier Stunden dauern (14, 16).


Nachverarbeitung der Daten
Nachdem die Datensätze in der beschriebenen Weise aufgenommen worden sind, ist eine Nachverarbeitung durch den Rechner notwendig, um dreidimensionale Bilder des Herzens zu rekonstruieren (7). Zunächst wird im vorhandenen Datensatz diejenige Schnittebene, in der der jeweilig vorliegende anatomische Befund optimal dargestellt wird, ausgewählt (14). Da man den dreidimensionalen Datensatz in allen drei Achsen beliebig aufschneiden und die Herzstrukturen von beliebigen Standpunkten aus ansehen kann, ist die Zahl dieser Schnittebenen vielfältig. Die Auswahl der geeigneten Schnittebene ist subjektiv, bedarf großer Erfahrung und erfordert einen erheblichen Zeitaufwand. Man kann den Zeitaufwand verkürzen, wenn zum Beispiel isoliert nur eine Herzklappe dreidimensional dargestellt werden soll, indem man innerhalb des dreidimensionalen Datensatzes besondere "regions of interest" definiert. Da der Untersucher weniger an der Außenansicht als an bestimmten inneren Strukturen des Herzens interessiert ist, werden Schnitte zur Eröffnung des Herzens angelegt, die in beliebig viele Richtungen erfolgen können. Vorzugsweise wählt der Untersucher Längs- und Querschnitte aus, die der Längsachse des Herzens zugrunde liegen (10, 14). Ist die richtige Schnittebene, von welcher aus der Computer die Rekonstruktion durchführt, gefunden, ist es auch notwendig, Schwellenwerte für die Grautöne und die Helligkeit zu definieren, um zwischen Gewebe und Blut zu unterscheiden, bevor der Computer die eigentliche Rekonstruktion beginnt. Auch dieser Schritt der Rekonstruktion ist subjektiv und erfordert Erfahrung. Die Rekonstruktion der jeweiligen Schnittebenen, für welche der Computer jeweils drei bis fünf Minuten benötigt, erlaubt Ansichten kardialer Strukturen, die sonst nur bei herzchirurgischen Eingriffen oder Autopsien gefunden werden (18). Diese Abbildungsebenen können mit der bisherigen konventionellen zweidimensionalen Echokardiographie gar nicht oder nur in ganz seltenen Fällen gewonnen werden. So ist es zum Beispiel möglich, vom jeweiligen Vorhof aus auf die Trikuspidal- oder Mitralklappe zu schauen und so die jeweilige AV-Klappe so darzustellen, wie der Chirurg sie während einer Trikuspidal- oder Mitralklappenoperation sehen kann (Abbildung 1). Um einen besonders guten Blick auf intrakardiale Strukturen zu erhalten, kann man mit Hilfe des Rechnerprogramms die Wände einzelner Herzkammern elektronisch entfernen, was besonders für die seitliche Aufsicht auf das Vorhof- oder Ventrikelseptum von Bedeutung ist. In einer Schnittebene, die die direkte Aufsicht auf das Ventrikelseptum vom rechten Ventrikel her darstellt, kann die Fläche eventuell vorhandener Ventrikelseptumdefekte gemessen werden (13). Um eine einheitliche Bildwiedergabe der dreidimensional rekonstruierten Befunde zu erreichen (10), werden derzeit von den Arbeitsgruppen, die sich mit der dreidimensionalen Echokardiographie beschäftigen, Richtlinien erarbeitet, die Schnittebenen zur Darstellung der Morphologie der Herzkammern und Herzklappen definieren, welche klinisch sinnvoll sind.
Dabei haben sich besonders die Schnittebenen, die den interoperativen Ansichten der Herzklappen und der Vorhof beziehungsweise Ventrikelscheidewänden entsprechen, bewährt. Volumenmessungen im dreidimensionalen Datensatz werden durchgeführt, indem man zunächst die längste Achse der jeweiligen Herzkammer definiert. Entlang dieser Achse wird die Kammer in ein Millimeter dicke Schichten geteilt und das Endokard in jeder dieser Schichten manuell nachgezeichnet. Daraufhin wird die Fläche dieser Schichten berechnet und mit der Schichtdicke multipliziert, um das Volumen der Schicht zu erhalten. Die Volumen aller Schichten werden addiert, um das Gesamtvolumen zu errechnen. Diese Methode der Volumenberechnung ist unabhängig von der geometrischen Form der Kammer. Dadurch, daß die Konturen des Endokards manuell nachgezeichnet werden müssen, dauern Volumenbestimmungen der linken Kammer 10 bis 15 und der rechten Kammer 15 bis 20 Minuten. In vitro und in vivo sind die Volumenmessungen beider Kammern mittels dreidimensionaler Echokardiographie validiert worden (4, 6, 9).


Klinische Anwendungen
Die bisherigen klinischen Studien mit der dreidimensionalen Echokardiographie haben gezeigt, daß sich genauer als bisher die Volumina der Herzkammern und damit deren globale und regionale Funktion quantifiziert läßt, insbesondere bei pathologisch veränderten Herzkammern mit komplexer geometrischer Form (5, 8) wie zum Beispiel bei Patienten mit einer koronaren Herzerkrankung und Ventrikelaneurysmen. Dieses war mit der bisherigen zweidimensionalen Echokardiographie schwierig (6) (Abbildung 2). Neue und zusätzliche Informationen werden über den Ursprung, die Form und die Ausdehnung intrakardialer Massen, wie Fibrome oder endokarditischer Vegetationen gefunden (12). Über die AV-Klappen erhält man zusätzliche Informationen besonders bei komplexen AVKlappenveränderungen wie der Ebsteinschen Malformation der Trikuspidalklappe (17), die in der zweidimensionalen Echokardiographie von transthorakal nicht immer vollständig dargestellt werden kann. Bei der Darstellung der Mitralklappe vom linken Vorhof aus können nicht nur Informationen über die Klappenränder, sondern auch über die Oberfläche der Klappen in die Diagnostik mit einbezogen werden. Die Darstellung der Aortenklappe von der Aorta ascendens aus, kombiniert mit dem Blick auf die Aortenklappe von kaudal, erlaubt eine detaillierte analyse der Klappenstruktur. So kann die Öffnungsfähigkeit der jeweiligen Klappe vor und nach einer Ballondilatation (Abbildung 3) – oder vor und nach chirurgischen Eingriffen – beurteilt werden. Dies erlaubt eine bessere Planung der Therapie von Klappenfehlern.
Bei komplexen angeborenen Herzfehlern hat die dreidimensionale Echokardiographie bisher neue Informationen über zusätzliche muskuläre Ventrikelseptumdefekte (15), Überreiten von AV-Klappen (Abbildung 4), Membranen im linken Vorhof (Abbildung 1), Ausdehnung von Subaortenstenosen (16), Morphologie der Herzohren bei Vorhofisomerismus und die Morphologie der gemeinsamen AV-Klappe beim kompletten AV-Septumdefekt gebracht (18). Die hohe Präzision der dreidimensionalen Rekonstruktion echokardiographischer Daten ist an Autopsiepräparaten komplexer angeborener Herzfehler untersucht und bestätigt worden (18).


Derzeitige Probleme
Die Vor- und Nachteile der dreidimensionalen gegenüber der zweidimensionalen Echokardiographie sind im Textkasten zusammengefaßt. Da das jetzige System der dreidimensionalen Rekonstruktion auf der Aufnahme von multiplen sequentiellen zweidimensionalen Bildern besteht, gibt es ähnlich wie bei der zweidimensionalen Echokardiographie Probleme mit Abbildungsartefakten bei der Darstellung von Klappenprothesen. Die Artefakte bei der Rekonstruktion sind geringer, wenn man eine Schnittebene wählt, bei welcher die Klappenprothese von kaudal her beurteilt wird. Strukturen, die durch Lungenüberlagerung echokardiographisch nicht dargestellt werden können, wie zum Beispiel periphere Pulmonalarterienstenosen, können auch nicht rekonstruiert werden. Bei Erwachsenen und Adoleszenten ist eine Rekonstruktion von Befunden, die von transthorakal erhoben werden, oft nicht möglich, und die multiplen sequentiellen Schichten müssen von transösophageal her aufgenommen werden. Bei Säuglingen und Kleinkindern ist öfter als bei der Durchführung einer zweidimensionalen echokardiographischen Untersuchung eine Sedierung notwendig, da Bewegungsartefakte während der Datenakquisition eine spätere Rekonstruktion unmöglich machen. Meistens müssen mehrere Datensätze aufgenommen werden, um einen Datensatz zu erhalten, welcher für die Rekonstruktion geeignet ist. Trotz gewisser Nachteile dieser noch jungen Untersuchungsmethode lohnt es sich unserer Ansicht nach, die dreidimensionale Echokardiographie weiterzuentwickeln.


Ausblick
Bei einer breiteren klinischen Anwendung der Methode ist damit zu rechnen, daß weitere Vorteile der dreidimensionalen Darstellung der Herzstrukturen aufgezeigt werden können. Zukünftige Entwicklungen werden darin bestehen, die Rechnerzeiten erheblich zu verkürzen und die dreidimensionalen Herzbefunde mittels eines Hologramms dreidimensional wiederzugeben. Das Endziel der technischen Entwicklung wird die dreidimensionale Echokardiographie in Echtzeit sein.


Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1996; 93: A-1028–1033
[Heft 16]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern über die Verfasser.


Anschrift für die Verfasser:
PD. Dr. med. Michael Vogel
Deutsches Herzzentrum Berlin
Augustenburger Platz 1
13353 Berlin

1.Dekker DL, Piziali R, Dong E: A system for ultrasonically imaging the human heart in three dimensions. Comput Biomed Res 1974; 7: 533-544
2.Geiser EA, Ariet M, Conetta DA, Lupkiewicz SM, Christie Jr LG, Conti CR: Dynamic three-dimensional echocardiographic reconstruction of the intact human left ventricle: Technique and initial observations in patients. Am Heart J 1982; 103: 1056-1065
3.Kandah T, Kimball TR, Daniels SR et al: When is echocardiography unreliable in patients undergoing catheterization for pediatric cardiovascular disease? J Am Soc Echocardiogr 1991; 4: 51-56
4.Klues HG, Steinert K, Krebs W et al: Transoesophageal multiplane threedimensional volume calculation in patients with normal and aneurysmatic left ventricular geometry: comparison to angiography (abstract). Eur Heart J 1994; 15: (Suppl 442)
5.Kupferwasser I, Mohr-Kanaly S, Wittlich N, Erbel R, Meyer J: Voumetry in three-dimensional echocardiography using Echo-CT (abstract). Eur Heart J 1994; 15: (Suppl 441)
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