Vroegtijdige detectie van hartfalen met behulp van echo?

Methode

Wanneer een transversale golf (shear wave) propageert door een linear isotroop bulk medium, kan de propagatie snelheid van deze golf direct gelinked worden aan de stijfheid (Young’s Modulus) van het medium. Echter, het myocard is geen linear isotroop medium. Bovendien beweegt, spant en ontspant het hart gedurende de hartcyclus. Dit maakt de translatie van een propagatiesnelheid naar een myocardstijfheid complex. De toepasbaarheid van shear wave elastografie technieken in het hart is onderzocht door de onderzoeksgroep in Rotterdam.

Door de typische stijfheid van biologische weefsels, propageren shear waves in het hart naar verwachting met een snelheid van ~0.5-10 m/s. Deze propagatiesnelheden, in combinatie met een typische myocard lengte van enkele centimeters, zorgen voor events van enkele milliseconden. Door de relatief korte duur van deze fenomenen,  kunnen deze niet waargenomen worden met behulp van conventionele echotechnieken met typische beeldsnelheden van 50 beelden per seconden. Echter, met behulp van nieuwe high frame rate echografie technieken, zijn we in staat om minimaal 1000 beelden per seconden te maken, waardoor dergelijke fenomenen nu wel kunnen worden waargenomen.  Dankzij goede samenwerking met de fabrikant Mindray, hebben we deze framerates nu ook op een regulier klinisch echoapparaat Zonare ZS3 kunnen installeren, zodat we ook klinische tests kunnen uitvoeren.

In het hart kan gebruik gemaakt worden van verschillende typen shear waves. Zo zijn er natuurlijke vibraties die propageren over het myocard na het sluiten van de aorta en mitraal kleppen. Ook is het mogelijk om vibraties extern te induceren met behulp van een hoge intensiteit gefocusseerde akoestische bundel, ook wel een acoustic radiation force (ARF) genoemd. Beide technieken hebben potentiele voor- en nadelen. Zo heb je met ARF SWE invloed op de timing van de gemeten propagatie snelheid binnen de hartcyclus, terwijl het extern induceren van deze vibraties een grote uitdaging is, met name in obese patiënten.

Resultaten

Verschillende studies zijn uitgevoerd om de toepasbaarheid en betekenis van cardiale shear wave elastografie metingen te onderzoeken.

Mihai Strachinaru liet onder andere de haalbaarheid van shear wave elastografie bij patiënten zien met behulp van een klinische scanner. Ook zag Strachinaru hogere propagatie snelheden na het sluiten van de aorta en mitraal kleppen in patiënten met hypertrofische cardiomyopathie in vergelijking met gezonde vrijwilligers. Dit impliceert dat de techniek inderdaad gebruikt kan worden om onderscheid te maken tussen een gezond en pathologisch myocard. Eerste resultaten suggereren bovendien dat de techniek gebruikt kan worden om lokale verschillen in propagatie snelheid, en dus myocard eigenschappen, te detecteren. Strachinaru focuste niet alleen op de natuurlijke shear wave na klepsluiting, maar deed ook studies naar een fenomeen dat propageert over het myocard na atriale contractie.

 In opvolging van de studies uitgevoerd door Mihai Strachinaru, focuste Lana Keijzer onder andere op het accuraat meten van de natuurlijke vibraties na klepsluiting. Zo lieten studies in gezonde vrijwilligers zien dat de gemeten propagatie snelheid niet alleen afhangt fysiologische eigenschappen, maar ook van de gebruikte methode. Ook is er onderzocht welke type golven geïnduceerd worden na klepsluiting, omdat dit belangrijk is voor de uiteindelijke translatie naar myocard stijfheid. Eerste resultaten in gezonde vrijwilligers kunnen niet verklaard worden aan de hand van de aangenomen Lamb wave theorie, en suggereren dat de metingen het beste in een parasternale weergave kunnen worden uitgevoerd. Ook zijn de natuurlijke vibraties na klepsluiting uitgebreid vergeleken met ARF geïnduceerde shear waves. De resultaten laten zien dat de propagatie snelheden van natuurlijke shear waves corresponderen met een combinatie van passieve myocardstijfheid, relaxatie, contractie en hemodynamische belasting.

Conclusie

De verschillende studies laten de potentie zien van cardiale shear wave elastografie metingen voor het vroegtijdig detecteren van een toegenomen myocard stijfheid. Echter, voordat de techniek gebruikt kan worden voor klinische diagnose zijn vervolgstudies nodig. In deze studies zal onder andere gekeken moeten worden naar de mogelijkheid tot vroegtijdige diagnose door middel van een longitudinale studie, en naar de toepasbaarheid van de verschillende technieken in verschillende patiëntengroepen, zoals bij obese patiënten en patiënten met abnormale klepsluiting of atriale fibrillatie.

Dit onderzoek is uitgevoerd op de afdeling Biomedical Engineering, Thorax Center, Erasmus Medisch Centrum, Rotterdam, en de afdeling ImPhys, Technische Universiteit Delft, mede gefinancierd door de Technologiestichting STW en de Hartstichting in het kader van het onderzoeksthema ‘Eerder herkennen van hart- en vaatziekten’ (STW 14740).