Echokardiografia 3D w czasie rzeczywistym – nowe narzędzie pracy lekarza weterynarii. Rosnąca wartość trzeciego wymiaru

Serce to życiowo istotny organ wewnętrzny położony w obrębie klatki piersiowej. Swoją niepowtarzalność zawdzięcza złożonej strukturze anatomicznej, a przede wszystkim temu, że pozostaje w ciągłym ruchu. Obrazowanie morfologii struktur anatomicznych serca oraz ocenę jego funkcji na podstawie wartości parametrów hemodynamicznych w czasie rzeczywistym jesteśmy w stanie zbadać przy wykorzystaniu nieinwazyjnej technik diagnostyki obrazowej – echokardiografii. 

Metoda ta wykorzystuje zjawisko odbicia wiązki fali ultradźwiękowej od struktur serca oraz dużych naczyń krwionośnych, dzięki czemu na ekranie monitora echokardiografu powstaje ruchomy obraz serca. Obecnie powszechnie stosowana echokardiografia dwuwymiarowa (2D) jest techniką pozwalającą na zobrazowanie struktur serca w postaci dwuwymiarowych przekrojów. Jednak ze względu na istnienie ograniczonej liczby okien ultrasonograficznych niemożliwe jest uzyskanie przekroju serca w dowolnej, wybranej przez operatora płaszczyźnie. Fakt ten utrudnia szczegółową ocenę morfologii i niektórych parametrów dotyczących pracy serca. Co więcej, badanie to wymaga od badającego operacji myślowych, mających na celu odtworzenie relacji przestrzennych w obrębie serca w oparciu o analizę uzyskanych przekrojów 2D. W przypadku złożonych wad serca niejednokrotnie nastręcza to wielu trudności.

Echokardiografia 2D uważana jest za referencyjną metodę obrazowania serca. Niedawno jednak niesamowitym osiągnięciem w dziedzinie ultrasonografii na rynku medycyny weterynaryjnej stało się zastosowanie obrazowania badanych struktur w ich trzecim wymiarze. Dzięki tej technologii do rejestrowania zbioru danych anatomicznych badanej struktury jesteśmy w stanie wykorzystać nie tylko długość i szerokość fali ultradźwiękowej, ale również jej głębokość, co pozwala na dokładne uwidocznienie stosunków przestrzennych w obrębie serca (Fot. A).

Koncepcja echokardiografii 3D (trójwymiarowej) sięga początku lat dziewięćdziesiątych, kiedy to rozpowszechniona była metoda rekonstrukcji 3D. Polegała ona na rejestracji serii obrazów dwuwymiarowych, z których po zakończonym badaniu (off-line) tworzyło się trójwymiarowe zbiory danych metodą obróbki komputerowej z uwzględnieniem informacji dotyczących wzajemnego położenia zarejestrowanych dwuwymiarowych przekrojów. Następnie przekroje te wprowadzano do układu współrzędnych kartezjańskich, które w przestrzeni tworzą trzy wzajemnie prostopadłe proste, tzw. osie układu, miejsce ich przecięcia stanowi jego początek. Położenie dowolnego punktu w układzie określa się przez podanie odległości od początku układu do punktów otrzymanych przez jego prostopadłe rzutowanie każdą z osi (Fot. B).

Kartezjański układ współrzędnych jest układem najczęściej używanym w grafice komputerowej oraz komputerowo wspomaganym projektowaniu geometrycznym. Wyniki badania wykonanego tą techniką można było analizować dopiero po etapie obróbki danych off-line.

Podczas gdy obrazowanie serca i jego struktur w trzecim wymiarze w medycynie ludzkiej powoli zaczyna stawać się rutyną, w medycynie weterynaryjnej jest dopiero na początku tej drogi, stanowi przedmiot badań. XX wiek wraz z gwałtownym rozwojem zaawansowanych technologii komputerowych stał się świadkiem ogromnego przeskoku w dziedzinie diagnostyki obrazowej. Szczególnie echokardiografia 3D w medycynie ludzkiej stała się precyzyjnie dostosowaną, ale ciągle rozwijającą się technologią. Ostatnie kilka lat to era trójwymiarowego badania echokardiograficznego w czasie rzeczywistym (real-time 3D Echo, RT3DE), które ogłoszono mianem cudu  XXI wieku. Zapowiada się, że technologia ta będzie służyć także małym pacjentom medycyny weterynaryjnej.

Informacje diagnostyczne, jakie dostarcza badanie RT3DE, niewątpliwie pozwalają na pełne zrozumienie nieprzewidywalnej patomorfologii oraz zmniejszenie różnorodności w jakości interpretacji złożonych patologii wśród badających. W medycynie człowieka metoda ta stała się również ważnym i szczególnie przydatnym narzędziem, pod kontrolą którego w czasie rzeczywistym dokonuje się przezskórnych, chirurgicznych zabiegów zamknięcia ubytków przegrodowych czy wymiany zastawki mitralnej. W szczególności metoda ta znalazła zastosowanie przy przezskórnej walwuloplastyce balonowej zastawki tętnicy płucnej oraz balonoplastyce zwężeń zastawki mitralnej.

W obecnej chwili na amerykańskim rynku medycyny weterynaryjnej technologia obrazowania RT3DE jest dostępna przede wszystkim jako narzędzie badawcze lekarzy weterynarii, specjalistów pracujących w uniwersyteckich centrach kardiologicznych. Interesujące jest, że technologia ta zaczęła szybko rozprzestrzeniać się również na skalę światową, jest obecna na uniwersytetach weterynaryjnych w niektórych krajach europejskich. Budzi także coraz większe zainteresowanie lekarzy weterynarii praktykujących w mniejszych, nieakademickich środowiskach, gdzie również można obserwować jej pojawienie się.

Zaledwie kilka miesięcy temu, we wrześniu ubiegłego roku, jedną z pierwszych prywatnych klinik weterynaryjnych małych zwierząt, która nabyła to nowe narzędzie wizualizacyjne, była Mass. Veterinary Cardiology Services prowadzona przez certyfikowanego specjalistę z dziedziny Kardiologii Małych Zwierząt dr Nancy Morris, DACVIM-C (Fot. C).

Jako młody lekarz weterynarii z Polski mam wyjątkową i niepowtarzalną okazję odbywania stażu kardiologicznego w tej wysoce specjalistycznej klinice, gdzie na co dzień i pod okiem wykwalifikowanego specjalisty doskonalę swoje umiejętności posługiwania się tą nowoczesną technologią (Fot. D).

WYKORZYSTANIE TRZECIEGO WYMIARU WETERYNARII

Badając kardiologicznych pacjentów, oceniamy kliniczną użyteczność tej technologii w codziennym zastosowaniu. Z naszych dotychczasowych doświadczeń wynika, że RT3DE z pewnością znajdzie zastosowanie w weterynaryjnej kardiologii klinicznej. Szczególnie w celu poprawy zdolności i dokładności diagnozowania niektórych wrodzonych chorób serca (np. podzastawkowe zwężenie aorty – SAS), gdyż ich umiarkowane oraz ciężkie postaci są łatwe do zdiagnozowania przy użyciu echo 2D, natomiast formy łagodne są trudne lub wręcz niemożliwe do odróżnienia od fizjologii. Mowa tu o pacjentach, u których maksymalna prędkość przepływu przez aortę jest nieznacznie zwiększona z powodu stresu związanego z badaniem. W skrajnych przypadkach jedyną zmianą obserwowaną w echo 2D jest graniczny wzrost prędkości przepływu.
Echokardiografia 2D nie jest wystarczająco czułym narzędziem, aby zobrazować łagodne zaburzenia anatomiczne związane z SAS. Jedyny środkiem różnicującym normalny przepływ od lekko zawyżonego jest ocena post mortem. Odkąd SAS jest dziedziczną jednostką chorobową, dotykającą wiele psów czystej rasy, badanie RT3DE zastawki aorty i regionu subaortalnego, może pozwolić na precyzyjną diagnozę. Przekłada się to na rzetelne wiadomości przekazywane hodowcom, a tym samym podjęcie próby zmniejszenia częstości występowania tego schorzenia. Wizualizacja RT3DE badanego obszaru dostarcza obrazów pozwalających na precyzyjną ich analizę, czego nie możemy zrobić w przypadku metody 2D (np. można badać zastawkę aorty oraz region subaortalny, patrząc na nie zarówno od strony lewej komory, jak i w kierunku lewej komory – czyli przez całą długość odcinka wstępującego tego naczynia). W nielicznych przypadkach ciężkiego SAS, jakie mamy zbadane do tej pory metodą RT3DE, łatwo było zobrazować i wyeksponować pierścień subaortalny w sposób, który nie jest możliwy w 2D.

Jesteśmy dopiero na początku poznawania możliwości RT3DE w ocenie morfologii dysplazji i zwężeń zastawki pnia płucnego w ich trzecim wymiarze. Jesteśmy przekonani, że badania 3D pozwolą na lepsze planowanie zabiegów chirurgicznych, takich jak walwuloplastyka balonowa. Metoda ta pod kontrolą przezprzełykowego (TEE) RT3DE jest powszechnie wykonywana u ludzi. Mamy nadzieję, że w końcu będzie to możliwe również u pacjentów weterynaryjnych.

Kolejną próbą zastosowania klinicznego RT3DE jest ocena dysplazji zastawki trójdzielnej – TVD (anomalii Ebsteina) – u psów rasy labrador retriever. Po raz kolejny ciężkie postacie tej choroby są łatwo identyfikowane w echo 2D, ale formy subtelne i łagodne w porównaniu z fizjologią nie są możliwe do rozróżnienia tą metodą. Obecność subtelnej fali zwrotnej przez zastawkę trójdzielną nie jest wystarczającym powodem, by mówić, że choroba jest obecna lub nie. Niedomykalność może występować w fizjologicznym zakresie. Badanie zastawki trójdzielnej w 3D wraz z dokładnym określeniem trójwymiarowej objętości prawej komory jest obiecującym narzędziem różnicującym pacjentów zdrowych od tych z łagodną formą TVD. Ma to istotne znaczenie na przykład dla hodowców labrador retrieverów, ponieważ jest to choroba dziedziczna. Ocena tej wady w obrazach 2D często jest przyczyną nadinterpretacji, co w końcowej ocenie diagnostycznej pacjenta skutkuje rozpoznaniem „równoznacznym” z TVD. Ten system klasyfikacji prowadzi do wyłączenia z programów hodowlanych psów, które prawdopodobnie nie były chore, lub odwrotnie, psy z chorobą, które miały łagodną formę dysplazji, klasyfikuje się jako zdrowe.

Prawdopodobne jest również, że analiza funkcjonalna (wykonana za pomocą przezklatkowej RT3DE) zarówno lewej, jak i prawej komory u pacjentów weterynaryjnych jest dokładniejsza niż używana do tej pory metoda 2D. Wykazano, że w medycynie ludzkiej u dzieci i dorosłych ocena wielkości lewej komory oraz frakcji wyrzutowej za pomocą RT3DE jest prawie tak dokładna jak MRI. Ten typ analizy 3D w przypadku weterynaryjnych pacjentów kardiologicznych może zapewnić bardziej czułe i specyficzne narzędzie, które pozwoli śledzić postęp choroby (np. choroby zwyrodnieniowej zastawek, kardiomiopatii rozstrzeniowej czy wrodzonych wad serca) i na bieżąco oceniać skutki leczenia.

DRUK 3D

Kolejnym zaawansowanym technologicznie urządzeniem, które za kilka dni planuje się wprowadzić do codziennej praktyki w klinice, jest najnowsza przestrzenna drukarka MakerBot REPLICATOR 2 (Fot. E), od niedawna dostępna na rynku amerykańskim. Drukowanie przestrzenne w medycynie weterynaryjnej traktowane jest jako eksperyment, ale powoli zaczynamy znajdywać drogę do jego klinicznego wykorzystania. Wspólnie z dr Morris będziemy badać, czy technologia drukowania 3D oraz RT3DE pozwolą nam na stworzenie przestrzennych modeli serca obrazujących patologie spotykane u naszych pacjentów.

Drukowanie trójwymiarowych modeli o bardzo wysokiej rozdzielczości i precyzji wykorzystywane jest głównie w uniwersyteckich ośrodkach naukowych. Modele służą doskonaleniu dokładności diagnostycznej oraz są cennym źródłem informacji, szczególnie przy planowaniu skomplikowanych zabiegów chirurgicznych. Gotowe modele, obrazujące zmiany anatomopatologiczne, są pomocnym i namacalnym narzędziem edukacyjnym wykorzystywanym w szkoleniu lekarzy innych specjalności, ułatwiają również komunikację z klientami (np. często łatwiej przekazać komuś gotowy model projektu, aby zrozumiał nasz pomysł, niż starać się go rysować lub też wyjaśniać słownie).

Metoda drukowania przestrzennego jest szczególnie pomocna w przypadku anomalii złożonych struktur anatomicznych i zaburzeń, które nie są łatwe do zrozumienia lub wręcz niemożliwe do zobrazowania w wersji 2D. Możliwość trzymania gotowego, wydrukowanego obiektu w ręku i co więcej użycie koordynacji wzrokowo-ruchowej lekarza pozwala na bezpośrednie zrozumienie jego złożoności. Technika ta bez wątpienia poszerza umiejętności diagnostyczne lekarzy, co istotnie wzbogaca sztukę medycyny weterynaryjnej o kolejne narzędzie diagnostyczne.

W procesie drukowania przestrzennego obiekt budowany jest warstwa po warstwie z płynnego materiału, nakładanego przez cienką dyszę. W końcowym etapie model poddaje się utwardzaniu. Czas potrzebny do zakończenia procesu różni się w zależności od rozmiaru i kształtu przedmiotu. Porównując drukowanie przestrzenne do pełnej produkcji przedmiotu, która zazwyczaj wymaga kosztownego procesu tworzenia matryc i narzędzi oraz wykorzystania procesów produkcyjnych, takich jak frezowanie, kucie czy odlewanie, koszty te są znacznie ograniczone. Stosowane materiały są tanie, a oprogramowanie pozwala na doskonalenie modelu, zanim przejdzie on do fazy wydruku.

ZASTOSOWANIE KLINICZNE DRUKOWANIA PRZESTRZENNEGO W MEDYCYNIE WETERYNARYJNEJ

• Ortopedia – planowanie leczenia chirurgicznego złożonych i skomplikowanych złamań kości (ocena rozmiaru potrzebnego implantu, planowanie drogi podejścia czy rodzaju zastosowanego materiału stabilizacyjnego z możliwością jego wcześniejszego, dokładnego dopasowania) oraz ocena deformacji.

• Chirurgia naczyń – planowanie podejścia operacyjnego i radiologii interwencyjnej w korekcji zespoleń wrotno-obocznych oraz innych malformacji w obrębie układu naczyniowego, np. pierścień naczyniowych, przetrwały przewód tętniczy Botalla (PDA).

• Onkologia – ocena rozległości zmian nowotworowych, układanie planu leczenia chirurgicznego. Przed rozpoczęciem leczenia onkologicznego istotne jest dokładne zbadanie funkcji lewej i prawej komory serca, dzięki RT3DE możemy dokonać tego z dużo większą precyzją (w porównaniu do echo 2D), a następnie dobrać optymalną formę leczenia i śledzić wpływ leków cytotoksycznych na serce.

• Narzędzie edukacyjne dla lekarzy weterynarii oraz klienta.

• Zastosowanie w niedalekiej przyszłości – tworzenie/drukowanie implantów „na miarę” konkretnego przypadku, tworzenie niestandardowych instrumentów chirurgicznych czy szablonów.

Połączenie nowej techniki obrazowania przestrzennego w czasie rzeczywistym z technologią druku przestrzennego jest nieocenionym, milowym krokiem w kierunku naszego ostatecznego celu – pełnej wizualizacji serca i kompleksowej oceny jego anatomii i fizjologii, a przede wszystkim jego zmian anatomopatofizjologicznych. Nieinwazyjne obrazowanie sylwetki serca tylko za pomocą zestawu cyfrowych danych objętościowych nie było do teraz możliwe. Wiedza ta w szczególności przekłada się na znaczące korzyści możliwe do wykorzystania we wszystkich aspektach medycyny weterynaryjnej.

ZALETY ECHOKARDIOGRAFII 3D W CZASIE RZECZYWISTYM

• Wady zastawkowe serca:

• wielopłaszczyznowa, kompleksowa i pełna wizualizacja anatomii i patomorfologii zastawek serca (np. zastosowanie narzędzi do pomiaru powierzchni zastawki mitralnej; ocena oraz typizacja zwężeń pni naczyniowych, w szczególności dzięki możliwości obrazowania en face),

• dokładna i złożona ocena stopnia i charakteru niedomykalności na podstawie analizy objętości fali zwrotnej.

• Ocena komór serca: dokładna ocena objętości, frakcji wyrzutowej i masy lewej komory – porównywalnej do danych zebranych za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI) u ludzi (metoda ta nie została jeszcze udowodniona w przypadku pacjentów medycyny weterynaryjnej, ale zakłada się, że jest ona dokładniejsza niż dotychczasowa ocena objętości 2D).

• Wrodzone wady serca: rozpoznawanie i precyzyjna identyfikacja wrodzonych ubytków w strukturze mięśnia sercowego przed i po zamknięciu chirurgicznym (w szczególności ocena rozmiaru i lokalizacji ubytków ASD/VSD – za pomocą obrazów en face).

• Przyszłe zastosowanie:

• w czasie interwencyjnych procedur kardiochirurgicznych jako śródoperacyjne trójwymiarowe przezprzełykowe echo w czasie rzeczywistym (TEE-RT3DE),

• przy zabiegu walwuloplastyki balonowej zastawki tętnicy płucnej pod kontrolą przezklatkowej RT3DE,

• podczas umieszczania pod kontrolą RT3DE elektrod wewnątrzsercowych dla rozrusznika.

JAK TO DZIAŁA?

RT3D Echo jest przełomem w dziedzinie ultrasonografii medycznej. System wykorzystuje technologię matrycy zbudowanej z elementów cieńszych niż ludzki włos, która znajduje się w głowicy aparatu. Głowica xMATRIX generuje wiązkę ultradźwięków o kształcie piramidy (Fot. A), dzięki czemu aparat „widzi” cały fragment przestrzeni. Pozwala to na jednoczasową rejestrację trójwymiarowego odwzorowania struktur serca na monitorze i ocenę uzyskiwanych obrazów w czasie rzeczywistym. Sama technika wykonywania badania echo 3D nie różni się od metodologii standardowego protokołu echo 2D. Uzyskany w ten sposób obraz wybranej struktury może być statyczny lub dynamiczny (tzw. obrazy czterowymiarowe), co pozwala na jego analizę w trakcie całego cyklu pracy serca.

Obrazy można dowolnie obracać, w zależności od ustawienia parametrów obróbki. Struktury mogą być przedstawione jako lite lub częściowo przezierne. Możliwy jest też wybór płaszczyzny, w jakiej komputer „rozetnie” serce, dzięki czemu ukazujemy wybrany przestrzenny przekrój, zbliżony do uzyskiwanego w trakcie operacji kardiochirurgicznej oraz badania post mortem u ludzi. Na przykład zastawkę mitralną możemy oglądać zarówno od strony jamy przedsionka, tzw. „elektroniczna atriotomia” (Fot. 1.7 i 1.8), jak i od strony samej komory, „elektroniczna wentrykulotomia” (Fot. 1.9), uwidaczniając w jednej projekcji całą powierzchnię płatków i linię ich styku. W przypadku wypadania płatka od strony przedsionka widać uwypuklanie się płatka w trakcie skurczu komór (Fot. 1.6 i 1.7), zaś od strony komory można zaobserwować wgłębienie płatka (Fot. 1.4).

Do dostępnych narzędzi diagnostycznych znajdujących zastosowanie w chorobach zastawkowych serca należą także techniki kolorowej trójwymiarowej echokardiografii dopplerowskiej, umożliwiające przestrzenne zobrazowanie przepływów przez zwężone lub niedomykalne zastawki oraz ocenę jakościową i ilościową analizowanych przepływów (Fot. 2.5-2.8).

Pierwsza głowica w technologii xMATRIX została opracowana przez pracowników Uniwersytetu Duke’a. Obecnie dostępne głowice i cały system są komercyjnie produkowane przez firmę Philips. Nowy inteligentny echokardiograf iE33 z głowicami w technologii xMATRIX w pełni zaspokaja potrzeby kliniczne związane z diagnozowaniem i leczeniem małych pacjentów z chorobami serca (Fot. F).

Typy obrazowania w echo RT3D

• Live3D – obrazowanie przestrzenne wycinka danych o wąskim kącie wiązki ultrasonograficznej. Umożliwia prawdziwą rekonstrukcję objętości 3D w czasie rzeczywistym, na żywo (Fot. G).

• X Plane View – jednoczesne obrazowanie bijącego serca w dwóch przeciwległych prostopadłych płaszczyznach (Fot. H).

• Full Volume – głowica generuje wiązkę ultradźwięków o kształcie piramidy, dzięki czemu aparat „widzi” cały fragment przestrzeni w czasie rzeczywistym podczas pełnego cyklu pracy serca (Fot. I).

• 3D Color Full Volume – przepływ krwi w czasie rzeczywistym mapowany kolorowym dopplerem (Fot. J). Obrazowanie w tej technice można wykorzystać na przykład do uzyskiwania tzw. echograficznych angiogramów.

PODSUMOWANIE

Zastosowanie RT3DE jako nowego narzędzia diagnostycznego w dziedzinie kardiologii małych zwierząt nie jest już tylko marzeniem echokardiografistów a stanem rzeczy. Wiemy, że żadna inna metoda obrazowania nie przyczyniła się aż tak do rozwoju wiedzy.

Po niezwykle krótkim czasie, w jakim technologia ta gości na rynku medycznym, stała się ona nowoczesną, nieobciążającą dla pacjenta techniką diagnostyczną pozwalającą na powtarzalną i dokładną ocenę morfologii i funkcji serca.

Co więcej, znajduje ona coraz większe zastosowanie, a dokonujący się na naszych oczach postęp technologiczny sprzyja jej ciągłemu udoskonalaniu. Stwarza to nadzieję na znaczne skrócenie czasu i ograniczenie środków niezbędnych do analizy danych i postawienia ostatecznej diagnozy. Również sposób prezentacji uzyskanych danych przestrzennych może ulec zmianie wraz z rozwojem technik holograficznych oraz stereolitograficznych (metody odtwarzania z polimeru fizycznych kopii istniejących obiektów w postaci trójwymiarowego zbioru danych).

Podziękowania/Acknowledgements:

The author gratefully acknowledges the reviews by colleagues Nancy Morris, Kelly Willson, Magda Garncarz. Special thanks to Nancy who let me adapt her 2D images and to Ann Huntington for helping make all this happen.

Autor:
lek. wet. Aleksandra Krawczyk, członek European Society of Veterinary Cardiology (ESVC),
Nancy Morris, DVM, Diplomate of the American College of Veterinary Internal Medicine (ACVIM) in Cardiology
Mass. Veterinary Cardiology Services

Zdjęcia:

Z archiwum autorki

Streszczenie:
Trójwymiarowa echokardiografia w czasie rzeczywistym to nieinwazyjna technika obrazowania pozwalająca na dokładną i powtarzalną ocenę struktur przestrzennych i funkcji serca. W artykule omówiono stosowane metody obrazowania i prezentowania danych. Ponadto, przedstawiono wykorzystanie drukarki przestrzennej jako możliwości prezentowania danych trójwymiarowych. Omówiono również zastosowania kliniczne obu technologii oraz możliwe kierunki ich rozwoju.

Słowa kluczowe: 
echokardiografia trójwymiarowa w czasie rzeczywistym, diagnostyka, funkcja lewej komory, choroby zastawkowa serca, wada wrodzona serca, drukowanie przestrzenne.

Summary:
Three-dimensional real-time echocardiography is a noninvasive technique enabling accurate and reproducible analysis of heart spatial structure and function. This article provides a brief overview of various approaches to data acquisition, processing and presentation.
Additionally, technique of spatial printing as a method to present 3D digital images is shortly discussed. Clinical applications of the aforementioned techniques are also presented.

Key words:
three-dimensional real-time echocardiography, diagnostics, left ventricular function, valvular heart disease, congenital heart disease, three-dimensional printing.

Piśmiennictwo:

1. Badano L.P., Lang R.M., Zamorano J.L.: Textbook of Real-Time Three Dimensional Echocardiography. Springer, 2011.

2. Nanda N., Hsiung M.C. Miller A.P. Hage F.G.: Live/Real Time 3D Echocardiography. Wiley-Black Well, 2010 .

3. Amuthan V.: Manual of 3D Echocardiography. Jaypee Brothers Medical Publishers (P) Ltd. 2013.

4. Gill E.A.: Atlas of 3D Echocardiography. Elsevier, 2012.