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


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) |
6. | Kupferwasser I, Mohr-Kahaly S, Erbel R et al: Four-dimensional cardiac imaging and volumetry by transoesophageal Echo-CT. J Am Soc Echocardiogr 1994; 7: 561-570 |
7. | Marx GR, Fulton DR, Pandian NG et al: Delineation of site, relative size and dynamic geometry of atrial septal defects by real-time three-dimensional echocardiography. J Am Coll Cardiol 1995; 25: 482-490 |
8. | Martin RW, Bashein G: Measurement of stroke volume with three-dimensional transoesophageal ultrasonic scanning: comparison with thermodilution measurement. Anestesiology 1989; 70: 470-476 |
9. | Nanda NC, Pinheiro L, Sanyal R, Rosenthal S, Kirklin JK: Multiplane transoesophageal echocardiographic imaging and three-dimensional reconstruction. Echocardiography 1992; 9: 667-676 |
10. | Pandian NG, Cao QL, Erbel R et al: A comprehensive approach for image segmentation, cutting planes and display projections based on a multicenter experience in 300 adult and pediatric patients (abstract). J Am Coll Cardiol 1994; 23: 9A |
11. | Pandian NG, Roelandt J, Nanda NC et al: Dynamic three-dimensional echocardiography: Methods and clinical potential. Echocardiography 1994; 11: 237-259 |
12. | Pandian NG, Cao QL, Vogel M, Ludomirsky A, Schwartz SL: Clinical potential of real-time three-dimensional echocardiography in endocarditis. Am J Cardiac Imaging 1995 (im Druck) |
13. | Sugeng L, Cao QL, Delabays A et al: Evaluation of the accuracy of new quantitative image processing methods in measuring the size of ventricular septal defects directly on the three dimensional echocardiograms and factors influencing its reliability (abstract). J Am Coll Cardiol 1995; 25: 185a |
14. | Vogel M, Pandian N, Marx G et al: Transthoracic real-time three-dimensional echocardiography in 100 pediatric and adult patients with heart disease: Clinical utility of unique new views unavailable by 2-dimensional echocardiography (abstract). Circulation 1993; 88: 1-349 (Suppl I) |
15. | Vogel M, Lösch S: Erste klinische Erfahrungen mit dynamischer dreidimensionaler Echokardiographie (Echo-CT) zur Darstellung kongenitaler Herzvitien bei Kindern. Z Kardiol 1994; 83: 201-207 |
16. | Vogel M, Lösch S, Bühlmeyer K: The application of transthoracic dynamic threedimensional echocardiography by computer-controlled parallel slicing in patients with fixed subaortic obstruction. Cardiol Young 1994; 4: 7-14 |
17. | Vogel M, Ho SY, Rigby M, Anderson RH: Echocardiographic diagnosis of Ebstein's malformation of the tricuspid valve. In: Yacoub M Hrsg: Annual of Cardiac Surgery 1995. London, Philadelphia: Current Science 1995: 164-170 |
18. | Vogel M, Ho SY, Anderson RH: Comparison of three-dimensional echocardiographic findings with anatomic specimens of various congenitally malformed hearts. Br Heart J 1995; 73: 566-570 |
19. | Vogel M, White P, Redington A: In vitro validation of right ventricular volume measurement by 3-dimensional echocardiography. Br Heart J 1995; 74: 460-463 (im Druck) |
20. | Wollschläger H, Zeiher AM, Klein HP, Kasper W, Geibel A, Wollschläger S: Transoesophageal echo computer tomography: a new method for dynamic 3D imaging of the heart (abstract). Circulation 1989; 80: II-569 (Suppl II) |
Leserkommentare
Um Artikel, Nachrichten oder Blogs kommentieren zu können, müssen Sie registriert sein. Sind sie bereits für den Newsletter oder den Stellenmarkt registriert, können Sie sich hier direkt anmelden.