مطالعه و بررسی حرکت دیواره قلب به روش دو بعدی و سه بعدی

ویلِم گوریسِن
شرکت Canon Medical Systems (توشیبای سابق)، شعبه اروپا
زوترمیر، هلند

• مقدمه

سالانه به طور تخمینی، 500000 مورد جدید نارسایی احتقانی قلب (CHF) در آمریکا تشخیص داده می‌شود. نارسایی قلب عمدتاً، بیماری بزگسالان است؛ به طوری که تقریباً، 6% تا 10% افراد بزرگتر از 65 سال به این بیماری مبتلا هستند و حدوداً 80% بیماران مبتلا به نارسایی قلبی که در بیمارستان‌ها بستری شده‌اند؛ سنی بالای 65 سال دارند.

مشاهده شده است که بیماران مبتلا به CHF غالباً به علت نقص عملکرد بطن چپ، به ناهنجاری‌های رسانایی میان-بطنی (انسداد شاخه پورکینژ چپ یا تاخیرهای بدون مشخصه در طیف ECG با 12 لید) دچار هستند. این ناهنجاری‌های میان-بطنی با کاهش برون‌ده نسبی قلب (EF) و همچنین، افزایش دوره زمانی موج QRS (بیش از 120 ms)، افزایش می‌یابد. این ناهنجاری موجب فعال‌سازی‌های الکتریکی ناهمزمان و انقباض‌های غیرطبیعی در قطعات مختلف دیواره قلب شده و متعاقباً، سبب ناهمزمانی دهلیزی-بطنی، افزایش پس‌زدگی (regurgitation) دریچه میترال و حجم بطن چپ و همچنین، کاهش EF می‌شود. لذا، شناخت این ناهمزمانی‌ها و همچنین، حجم بطن چپ حین اکوکاردیوگرافی (مانند شکل 1) می‌تواند به نتایج بهتر تشخیصی و طبیعتاً، درمان بیمار به روش همزمان‌سازی قلبی (CRT) منجر شود.

شکل 1) تصاویر اکوکاردیوگرافی بیمار مبتلا به CHF.

جدیدترین تکنیک‌های اندازه‌گیری ناهمزمانی قلبی شامل تصویربرداری داپلر بافتی (TDI) و تصویربرداری کرنشی (Strain Imaging) با روش ردیابی نقاط (Speckle Tracking) به صورت دو بعدی است. تکنیک TDI به علت وابستگی به زاویه پرتودهی، صرفاً در نمای راسی (Apical View) می‌تواند کرنش طولی را نمایش دهد.  از طرف دیگر، تصویربرداری کرنشی، به علت محدودیت در دو بعد و پیش‌فرض ردیابی نقاط در هر فریم، حرکت‌های دیواره قلب خارج از صفحه تصویر را نمی‌تواند به نمایش بگذارد. با توجه به این محدودیت‌ها، تصویربرداری ردیابی حرکت دیواره‌های قلب به صورت سه بعدی (3D-WMT) به عنوان نسل جدید تحلیل حجمی و کرنشی، بر اساس تصویربرداری‌های MRI اعتبارسنجی شده و همبستگی خوب احجام بطنی را با تصویربرداری کرنشی به نمایش گذاشته است.

3D-WMT زمان تصویربرداری و تحلیل احجام قلبی و اندازه‌گیری‌های کرنش قلبی را به نسبت تصویربرداری کرنشی کاهش می‌دهد. علاوه بر این، زمان رسیدن به اوج کرنش را به عنوان معیاری برای ناهمزمانی بطنی، می‌توان به این روش، اندازه‌گیری کرد. 

شرکت Canon Medical Systems با دست‌یابی موفق به فناوری Speckle Tracking  در زمینه اکوکاردیوگرافی به جایگاه ویژه و متمایزی دست یافته است و به عنوان یک پیشرو در زمینه سیستم‌های تصویربرداری پزشکی، برای اولین بار روش ارزیابی مسیر حرکت دیواره قلبی به صورت سه بعدی (3D Wall Motion Tracking) را در سیستم‌های ممتاز اکوکاردیوگرافی خود به همراه روش ارزیابی مسیر حرکت دیواره قلبی به صورت دو بعدی (2D Wall Motion Tracking)  به عنوان بخشی از مجموعه نرم‌افزاری قلبی-عروقی پیشرفته معرفی نموده است.

• تکنولوژی Wall Motion Tracking

امروزه سیستم‌های اکوکاردیوگرافی، به طور وسیع و فزاینده‌ای جهت ارزیابی و آنالیز عملکرد قلبی و همچنین، ارزیابی بیماری‌های ایسکمی و دیسکرونی و سایر مشکلات قلبی، به عنوان یک ابزار مهم و کارآمد به کار گرفته می‌شود. فناوری 2D Wall Motion Tracking  به عنوان یک فناوری و راهکار جدید ویژگی‌ها و شاخص‌های بارزتری در بررسی مشکلات قلبی جهت تشخیص‌های پیشرفته و قطعی در اختیار می‌گذارد.

نحوه عملکرد این فناوری، به این صورت است که نقاطی مشخص در محل مایوکاردیوم قلب در نظر گرفته می‌شود و سپس، با بررسی و ردیابی مسیر حرکت این نقاط، مسیر حرکت مایوکاردیوم در یک سیکل قلبی ترسیم می‌گردد که به همین دلیل، این فناوری Speckle Tracking  نیز نامیده می‌شود. الگوریتم کار این فناوری به این نحو است که تصویر الگو با در نظر گرفتن ناحیه‌ای خاص در محل مایوکاردیوم ایجاد می‌شود. سپس، در فریم بعدی، مسیر حرکت الگوی نقطه‌ای در نظر گرفته شده در محل مایوکاردیوم (شکل 2) ردیابی می‌شود. سپس یک بردار حرکتی با استفاده از مسیر الگوی درنظر گرفته شده، ایجاد می‌شود. جهت دست‌یابی به حرکت کل مایوکاردیوم، باید الگوهای نقطه‌ای چندگانه و متعددی در نظر گرفته شود. سپس، این فرآیند با در نظر گرفتن الگوهای جدید و بررسی مسیر حرکت آنها در فریم‌های متوالی، تا کامل شدن کل سیکل قلبی ادامه می‌یابد. این روش بر پایه اطلاعات روش داپلر نیست و به همین دلیل، محدودیت وابستگی به زاویه در روش داپلر را ندارد.

شکل 2) تطبیق الگوی دو بعدی.

با توجه به این که حرکت قلب به صورت سه بعدی است؛ بنابراین، روش 2D-WMT دارای محدودیت‌هایی است. زیرا، نمی‌تواند حرکت در بعد سوم را ارزیابی کند. با استفاده از همان تکنیک 2D-WMT می‌توان با استفاده از الگوهای (مکعبی) سه بعدی در سیکل کامل قلبی به داده‌های 4D (شکل 3) دست یافت. Three Dimensional Wall motion Tracking (3D-WMT) یک نرم‌افزار کاربردی جدید است که می‌تواند برای بررسی حرکت موضعی دیواره قلب در سراسر بطن چپ مورد استفاده قرار گیرد. 3D-WMT می‌تواند برای شاخص‌های سه بعدی واقعی، مانند میزان پیچش و ارزیابی حرکت دیواره به صورت سه بعدی، نسبت به ارزیابی بر اساس تصویر حرکت دو بعدی مورد استفاده قرار گیرد.

شکل3) تطابق الگوی سه بعدی.

• محاسبات کرنش با استفاده از نتایج ردیابی مسیر

اندازه‌گیری کرنش، یعنی اندازه‌گیری تغییر شکل (شکل 4) که بیانگر میزان کوچک یا بزرگ شدن طول دیواره قلب می‌باشد. از آنجایی که کرنش توسط حرکات انتقالی قلب تحت تاثیر قرار نمی‌گیرد؛ نسبت به متغیرهای سرعت و جابجایی، برای ارزیابی عملکرد قلب مزیت بیشتری دارد. کرنش شعاعی، طولی، عرضی و محیطی می‌توانند برای ارزیابی عملکرد قلب مورد استفاده قرار بگیرند.

شکل4) محاسبه کرنش (strain).

برای محاسبه کرنش یک جفت از نقاط، در فریم اولیه تصویر تعریف می‌شوند. در فریم‌های بعدی، حرکت نقاط با استفاده از Wall Motion Tracking محاسبه می‌شود. تغییر در جابجایی بین دو نقطه به صورت درصد جابجایی بین نقاط در فریم اولیه اندازه‌گیری محاسبه می‌شود. به این ترتیب، مقادیر کرنش در هر فریم می‌تواند اندازه‌گیری شود. شکل 5 محاسبه کرنش شعاعی را برای فریم پایان سیستولیک نشان می‌دهد.

شکل 5) محاسبه کرنش با Wall Motion Tracking.

کرنش با استفاده از مولفه‌های جابجایی می‌تواند در جهت‌های مختلف اندازه‌گیری شود. برای مثال، کرنش شعاعی، تغییر نسبی مولفه عمودی جابجایی اندوکارد (راستای شعاعی اندوکارد) در نمای short axis است. در نمای short axis، کرنش شعاعی و کرنش محیطی (شکل 6) قابل اندازه‌گیری هستند. در نماهای 2-Chamber، 3-Chamber و 4-Chamber، کرنش عرضی و طولی (شکل 7) قابل محاسبه هستند.

شکل 6) پارامترهای حرکت دیواره در تصویر Short Axis View.

شکل 7) پارامترهای حرکت دیواره در تصویر Apical 4/3/2-Chamber.

شکل 8 یک مثال از کرنش محاسبه شده با استفاده از 2D-WMT را نشان می‌دهد. مقادیر کرنش مایوکارد، به صورت رنگی کدبندی شده‌ و روی تصویر برهم‌نهی شده‌اند. Wall Motion Tracking فقط مقادیر کرنش را نشان نمی‌دهد؛ بلکه می‌تواند چرخش، نرخ کرنش و مقادیر دیگر را نیز به دست آورد.

 شکل 8) تصویربرداری پارامتری از کرنش.

2D-WMT این مقادیر را به عنوان تصویری از حرکت سه بعدی محاسبه می‌کند. با این حال، حرکت قلب سه بعدی است؛ لذا3D-WMT  می‌تواند این حرکت را به صورت سه بعدی ارزیابی کرده و کرنش (strain) سه بعدی و دیگر پارامترهای مربوط به بطن چپ را محاسبه کند. به عنوان مثال، محاسبه اعوجاج و پیچش قلب، نیازمند مقادیر دوران دو صفحه محور کوچک (SAX) در یک سیکل قلبی است. علاوه بر این، فاصله بین این دو صفحه نیز باید معلوم باشد. این در حالی است که تصویربرداری از دو صفحه و اندازه‌گیری فاصله میانی این دوصفحه با فناوری تصویربرداری دو بعدی، دشوار است.

شکل 9 مثالی از محاسبه کرنش (strain) را با استفاده از 3D-WMT نمایش می‌دهد. 3D-WMT انواع مختلفی از تصویربرداری‌های پارامتری را که روی بخش‌های دیواره سه بعدی، با و بدون بردار حرکت، نگاشت شده‌اند و بازسازی تصویر چندصفحه‌ای را تشکیل داده اند؛ فراهم می‌کند.

شکل 9) تصویربرداری پارامتری از کرنش (strain) با ردیابی سه بعدی (3D Tracking).

نتایج ردیابی حرکت دیواره‌های قلب (Wall Motion Tracking) به عنوان نگاشت تصویربرداری ناهمزمانی (DI) نیز نمایش داده می‌شود. در حالت نمایش DI، پارامترهای حرکت دیواره قلب (مانند لحظه اوج کرنش) به صورت رنگی کدبندی شده و روی مایوکاردیوم نمایش داده می‌شوند. جدول 1 تمام پارامترهای اندازه‌گیری شده توسط 2D-WMT و 3D-WMT و همچنین، پارامترهایی که برای DI می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند را نمایش می‌دهد. شکل 10 نیز نمونه تصاویر 3D-WMT را برای اندازه‌گیری کرنش‌های طولی، عرضی و شعاعی به نمایش می‌گذارد.

جدول1) پارامترهای حرکت دیواره قلب ارائه شده توسط WMT. 

شکل 10) تصاویر 3D-WMT از یک فرد سالم.

شکل 11 و 12 به ترتیب، نمونه تصویربرداری 3D-WMT را با نمایش قطبی و ناهمزمانی (Dyssynchrony) به نمایش می‌گذارد.

شکل 11) نمایش قطبی کرنش شعاعی.

 شکل 12) نمایش تصویربرداری ناهمزمانی (DI).

• اعتبارسنجی

اعتبارسنجی ردیابی حرکت دیواره قلب (Wall Motion Tracking) به صورت دو بعدی و سه بعدی، توسط دکتر لیما در دانشگاه جان هاپکینز و دکتر سئو در دانشگاه سوکوبا، با استفاده از دستگاه Artida^TM انجام شده است. نتایج در شکل 13 نمایش داده شده است. هر دو روش 3D-WMT و 2D-WMT، همبستگی خوبی با تحلیل‌های مرتبط با MRI نشان می‌دهد. ردیابی حرکت دیواره‌های قلب (Wall Motion Tracking) با مدل‌های عددی و تحلیلی‌های معمول حرکت دیواره قلب نیز همبستگی خوبی را نشان داده است.

شکل 13) نتایج اعتبارسنجی.

• کاربردهای کلینیکی

ردیابی حرکت دیواره قلب (Wall Motion Tracking) برای تشخیص هدفمند آنژین مفید است. شکل 14 کاربرد آن را درStress Echo نشان می‌دهد. شکل 14a و 14b، کرنش (strain) شعاعی کاهش یافته‌ای را در قله خود، در ناحیه ایسکمیک، نشان می‌دهد. 5 دقیقه بعد از تنش و استرس ایجاد شده، ناهمزمانی در فاز دیاستول (Diastolic Dyssynchrony) همچنان قابل مشاهده است. با استفاده از ناهمزمانی در فاز دیاستول (Dyastolic Dyssynchrony)، نواحی ایسکمیک بعد از تنش و استرس اعمالی، هنگامی که تصویر دیگر تحت تاثیر تنفس‌های عمیق یا نرخ ضربان قلب سریع نمی‌باشد؛ بعد از اوج تنش (peak stress)، قابل مشاهده است. کاربرد ناهمزمانی در فاز دیاستول (Diastolic Dyssynchrony) با استفاده از 2D-WMT برای آنژین ناپایدار در ACC 2008 گزارش شده است.

شکل 14) آشکارسازی ایسکمی (برگرفته از کار دکتر ایشی از بیمارستان کانسای-دنریوکو).

انتظار می‌رود که ردیابی حرکت دیواره قلب (Wall Motion Tracking) در تخمین ناهمزمانی در CRT نیز سهم بسزایی داشته باشد. تحلیل قطعه-قطعه (Segmental Analysis) برای تخمین حرکت دیواره‌ها ارجح است. در شکل 15 یک نمودار کرنش قطعه‌ای (Segmental Strain) برحسب زمان، نمایش داده شده است. مقادیر میانگین برای هر قطعه نشان داده شده است. دو مورد که اوج کرنش (peak strain) در قطعات مختلف آنها، در نقاط بسیار متفاوتی در یک سیکل قلبی هستند؛ نمایش داده شده است. بدین ترتیب، ناهمزمانی (Dyssynchrony) به وضوح قابل تشخیص است.

شکل 15) تخمین ناهمزمانی (Dyssynchrony).

اینک 2D-WMT به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است و راه خود را به سوی کاربردهای روزمره کلینیکی می‌یابد. 3D-WMT اطلاعات عملکردی جدیدی را تولید می‌کند که در خط مقدم حوزه نوینی از تصویربرداری کلینیکی از حرکت دیواره قلب می‌باشد.