Hartfalen is een veelvoorkomend klinisch syndroom; momenteel wordt 1-2% van de populatie in ontwikkelde landen, en zelfs meer dan 10% van de populatie ouder dan 70 jaar, getroffen door hartfalen [1]. Vroegtijdige detectie van hartfalen is potentieel belangrijk om verdere achteruitgang van het hart te voorkomen of te vertragen. Dit kan bijvoorbeeld bereikt worden door middel van het vroegtijdig aannemen van een gezondere leefstijl en/of door eerder te kunnen beginnen met de behandeling/medicatie van de risicofactoren zoals hoge bloeddruk, diabetes en obesitas. De zogenaamde linker ventrikel ejectiefractie (LVEF) wordt vandaag de dag vaak gebruikt voor het diagnosticeren van hartfalen.
Hierbij wordt gekeken naar het percentage van het bloed dat het hart elke hartslag naar de rest van het lichaam pompt. Aan de hand van de LVEF worden patiënten onderverdeeld in drie hoofd categorieën; i) hartfalen met een behouden LVEF (HFpEF, LVEF≥50%), ii) hartfalen met een mid-range LVEF (40%≤LVEF≤49%), en iii) hartfalen met een afgenomen LVEF (HFrEF, LVEF<40%). Hoewel dit wat kort door de bocht is, wordt systolische dysfunctie (pompfunctie) vaak gezien als de hoofdoorzaak van HFrEF, en diastolische dysfunctie (vullingsfunctie) als oorzaak van HFpEF.
Ongeveer 50% van de patiënten met hartfalen heeft HFpEF, echter op dit moment zijn er nog geen effectieve behandelingen geïdentificeerd voor deze patiënten, hooguit medicatie voor vermindering van de klachten. Het hart van een patiënt met diastolische dysfunctie kan niet vullen met genoeg bloed tijdens de ontspanningsfase (diastole). Dit kan veroorzaakt worden door een toegenomen stijfheid van het myocard, of door afwijkingen in de relaxatie. Hoewel de stijfheid van de linker ventrikel beoordeeld kan worden met behulp van invasieve katheters, is deze invasieve techniek niet geschikt voor het vroegtijdig screenen van patiënten met een verhoogd risico. Een niet-invasief alternatief voor het meten van de myocard stijfheid is op dit moment niet klinisch beschikbaar.
Op de Biomedical Engineering afdeling van het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam, onder leiding van dr.ir. Rik Vos, Prof. Nico de Jong en Prof. Ton van der Steen, wordt, in samenwerking met de TU Delft, onderzoek gedaan naar een niet-invasieve techniek voor het vroegtijdig detecteren van een toegenomen myocard stijfheid, genaamd shear wave elastografie (SWE). Deze techniek gebruikt echografie om golfjes te detecteren die propageren over de hartspier, waarbij de propagatiesnelheid gelinked is aan de stijfheid van de hartspier. In 2020 en 2021 zijn drie proefschriften gepubliceerd: door cardioloog Mihai Strachinaru [2] (Erasmus MC) en fysici Lana Keijzer [3] (Erasmus MC) en Alberico Sabbadini [4] (TU Delft). Dit artikel geeft een kort overzicht van de techniek, de bevindingen en de vervolgstappen.
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).
Referenties
[1] P. Ponikowski, A.A. Voors, S.D. Ankers, et al., ‘’2016 ESC Guidelines for the diagnosis and treatment of acute and chronic heart failure’’, European Heart Journal, vol. 37, no. 27, 2016
[2] M. Strachinaru, ‘’Shear wave echocardiography’’, Erasmus University Rotterdam, 2020. Retrieved from http://hdl.handle.net/1765/120896
[3] L.B.H. Keijzer, ‘’Cardiac shear wave elastography’’, Erasmus University Rotterdam, 2021. Retrieved from http://hdl.handle.net/1765/129604.
[4] A. Sabbadini, ‘’From wave speed to cardiac stiffness’’, Delft University of Technology, 2021. Retrieved from https://repository.tudelft.nl/.
