Deformation av myokardium: strain, strain rate, speckle tracking
Som tidigare diskuterat kan vänster kammares myokardium delas in i tre lager: endokardiet, mittlagret och epikardiet (andra benämningar på mittlagret förekommer). I endokardiet är muskelfibrerna orienterade längs hjärtats längdaxel (dvs från apex till basen, Figur 1). Aktivering av dessa fibrer ger longitudinell kontraktion, som innebär att basala kammarpartier rör sig ner mot apex. Endokardiella fibrer övergår successivt till mittlagret där fibrerna är orienterade cirkulärt runt väggen. När dessa aktiveras så rör sig myokardiet in mot kavitetens mittpunkt, samtidigt som väggen förtjockas. Detta kallas radiell kontraktion. Fibrerna i mittlagret övergår successivt i epikardiet, där fibrerna har en spiralformad orientering runt kammaren. Aktivering av epikardiella fibrer resulterar i en rotation av vänster kammare. Basala kammarpartier roterar medurs och apex roterar moturs. Denna rörelse kallas cirkumferentiell kontraktion. Figur 1 visar myofibrillernas orientering i dessa lager samt den resulterande kontraktionen.
Hjärtfunktionen är avhängig av ett komplicerat samspel mellan dessa fiberlager, som tillsammans ger en effektiv kontraktionsmekanism. Traditionella metoder för undersökning av kammarfunktion – exempelvis ejektionsfraktion (EF) och fractional sortering (FS) – beaktar varken regionala skillnader i kontraktion eller effektiviteten i de olika kontraktionerna (longitudinell, radiell, cirkumferentiell). Regionala variationer i kontraktil funktion är av stor betydelse, särskilt vid ischemidiagnostik. Ett exempel på detta är en patient som har ischemisk hjärtsjukdom med normal ejektionsfraktion men vars kammarmyokard uppvisar nedsatt kontraktil funktion inferiort. I ett sådant fall är det viktigt att notera den inferiora försämringen i kontraktil funktion eftersom det kan ha betydelse för omhändertagandet.
För att möjliggöra objektiva mätningar av regional myokardfunktion har man utvecklat metoder som analyserar myokardiet förflyttning och formändring (deformation) under systole och diastole. I detta kapitlet diskuteras teoretiska och praktiska aspekter av deformation och förflyttning.
Förflyttning av myokardium
Förflyttning innebär att ett myokardsegment rör sig från en punkt till en annan. Under förflyttningen har allt myokardium inom segmentet ungefär samma hastighet. Själva förflyttningen karaktäriseras med två parametrar: distans och hastighet. Distansen anger hur lång förflyttningen är och hastighet anger hur fort förflyttningen sker.
Förflyttning och hastighet kan mätas med pulsad vävnadsdoppler (se Pulsad Doppler). Sample volume placeras i området där man vill mäta hastigheten. I klinisk praxis görs detta rutinmässigt för att mäta annulus mitralis (mitralisklaffringens) hastighet under systole och diastole. Under systole rör sig hela hjärtbasen, och därmed annulus mitralis, ner mot apex (longitudinell kontraktion) och under diastole har rörelsen omvänd riktning. Annulus mitralis rörelser, mätt med pulsad doppler, har visat sig vara en god markör för global longitudinell systolisk funktion. Figur 2 visar mätning av hastigheten i annulus mitralis med pulsad vävnadsdoppler.
Färgvävnadsdoppler kan också användas, vilket har fördelen att hastigheterna i allt myokardium kan studeras samtidigt. Nackdelen är att den temporala upplösningen minskar eftersom dopplersektorn förstoras.
Problemet med användning av förflyttning som mått på regional myokardfunktion är att myokardiet är sammankopplat. Det innebär att rörelse (förflyttning) i ett område påverkas av rörelse i närliggande områden. Detta gör att även ett dött (infarcerat) myokardium kan röra sig under hjärtcykeln, eftersom omgivande myokardium rör sig och därmed drar med det döda området. Det innebär att mätning av förflyttning i en enskild punkt kan bli missvisande, eftersom den punktens rörelse beror på omkringliggande myokardiums rörelser. Ett dött område kommer däremot inte deformeras (ändra form) under hjärtcykeln och därför är det bättre att mäta deformation, istället för förflyttning.
Deformation: strain & strain rate
Strain definieras som förkortning eller sträckning av ett myokardområde. Vid kontraktion förkortas myokardområdet och vid relaxation sträcks myokardområdet ut. Dessa deformationer kan analyseras med ekokardiografi, varvid man kan undersöka om myokardiet rör sig normalt. Det är graden av deformering – strain – och hastigheten med vilken den sker – strain rate – som är av intresse. Strain och strain rate används primärt för att kartlägga systolisk funktion.
Strain och strain rate bör vara relativt likartade i myokardiet, eftersom alla segment bör deformeras ungefär lika mycket under hjärtcykeln. Undersökning av strain och strain rate syftar alltså till att kartlägga om det finns regionala skillnader i deformation, vilket indikerar patologi. Exempelvis kommer ett infarcerat (nekrotiskt) myokardområde inte att deformeras under hjärtcykeln.
Strain: graden av deformation
Strain är alltså graden av deformation, dvs hur mycket myokardiet deformeras. Strain beräknas genom att mäta hur mycket ett myokardområde förkortas eller sträcks under hjärtcykeln. Formeln för strain är som följer:
Strain = (L–L0)/L0·100
L0 = myokardiets startlängd; L = slutlängd. Konstanten 100 omvandlar strain till procentmått (%).
Om myokardiet är 10 mm i startlängd och 12 mm i slutlängd, så blir strain +20%. Om myokardiet är 10 mm i startlängd och 7 mm i stlutlängd så blir strain -30%. Förkortning (kontraktion) ger negativ strain och sträckning (relaxation) ger positiv strain (Figur 3).
Strain kan mätas i alla riktningar som mykardiets deformation kan analyseras. Det innebär att longitudinell, radiell och cirkumferentiell strain kan mätas.
Strain rate: deformationens hastighet
Strain rate är deformationens hastighet, dvs deformation per tidsenhet (sekunder). Man kan matematiskt bevisa att deformation per tidsenhet är ekvivalent med hastighetsskillnaden inom ett område, dividerat med områdets längd, enligt följande:
Strain rate = (V1 – V2) / d
Enligt ovanstående formel kan strain rate mätas genom att mäta hastigheten (pulsad vävnadsdoppler) i två punkter i myokardiet samt avståndet mellan punkterna. Detta illustreras i Figur 4.
Således är strain rate ett mått på deformationens hastighet mellan mätpunkterna V1 och V2. Liksom för strain innebär ett negativt värde på strain rate att det skett en förkortning (kontraktion) och positivt värde innebär sträckning (relaxation) av myokardiet.
Genom att kartlägga strain rate i olika delar av myokardiet så kan man avgöra om allt myokardium deformeras lika fort, vilket är det normala. Notera att med ovanstående metod (pulsad vävnadsdoppler) beräknas både strain och strain rate samtidigt.
För vävnadsdoppler används frame rate 100 FPS. Fördelen med vävnadsdoppler är att den temporala upplösningen är mycket hög och metoden är bra för longitudinell strain. Tyvärr är vävnadsdoppler mycket vinkelberoende (felaktiga vinkelmätningar leder till underskattning av strain rate) och dessutom kan inte radiell och cirkumferentiell strain undersökas. Dessa tillkortakommanden har övervunnits med metoden speckle tracking, som diskuteras härnäst.
Speckle tracking för beräkning av strain och strain rate
Speckle är den engelska termen för de strukturer som myokardiet uppvisar på ultraljudsbilden. Om man granskar Figur 8 noggrant så ser man att myokardiet inte producerar en homogen signal, utan det ses ett mönster med variationer i ekosignalen. Dessa strukturer kallas speckles och de uppkommer på grund av ultraljudsvågornas interaktioner (reflektioner, spridning, interferens) med vävnaden.
Speckles förflyttas under hjärtcykeln och man kan analysera hur fort och hur långt de flyttas mellan ultraljudsbilderna. Detta kallas speckle tracking och metoden har i princip ersatt vävnadsdoppler för att mäta strain och strain rate. Figur 9 visar hur en speckle följs i x- och y-led för att beräkna områdets rörelse. Strain definieras som ändringen i avståndet mellan två speckle-punkter, dividerat med det ursprungliga avståndet:
S = (L1−L0) / L0
L0 är det ursprungliga avståndet mellan punkterna.
L1 är det nya avståndet mellan punkterna.
Speckle tracking är alltså helt och hållet baserad på ultraljudsbilden. Inga dopplermätningar behövs och detta gör metoden mer tillförlitlig (eftersom den inte är vinkelberoende). Speckle tracking har dock lägre temporal upplösning, vilket gör att metoden är sämre vid takykardi (mätningens precision blir sämre vid hög hjärtfrekvens) och vid analys av avlägsna (från sändaren) speckles. Notera även att speckle tracking är sämre för rörelser i sidled, vilket beror på att ultraljud har sämre upplösning i sidled, jämfört med den axiala upplösningen. För speckle tracking används 40 till 80 FPS (frames per second) och upp till 100 FPS kan behövs vid takykardi. Speckle tracking kan användas för samtliga hjärtrum men i höger förmak och kammare är metoden sämre eftersom de tunna väggarna inte erbjuder lika tydliga speckles.
Modern ultraljudsutrustning beräknar både regional och global strain. Regional strain är den strain som beräknas i varje segment. Global strain är genomsnittet av alla enskilda segment.
Med speckle trackng kan strain och strain rate kan beräknas för rörelser i longitudinell, radiell och cirkumferentiell riktning. I apikal fyrkammarvy (A4C) är longitudinell strain viktigast. Longitudinell strain är en robust markör för hjärtfunktion och korrelerar väl med exempelvis ejektionsfraktion (EF). Den longitudinella deformeringen beror i första hand på subendokardiella muskelfibrer, eftersom dessa är orienterade i longitudinell riktning. Cirkumferentiell deformering (analyseras bäst i SAX) avspeglar primärt de epikardiella fibrerna. Longitudinell strain sjunker vid sjukdomar såsom hypertoni, diabetes och kardiomyopati.
