II.  Methode

In diese Studie, die zwischen Januar 1999 und April 2000 durchgeführt worden ist, sind 36 Patienten (15 Frauen, 21 Männer) im Alter von 24 bis 82 Jahren (mittleres Alter 54 Jahre) eingeschlossen worden. Die Daten von 34 Fällen (14 Frauen, 20 Männer) können ausgewertet werden, 2 Patienten müssen wegen zu ausgeprägter Artefakte bei Echo oder MRT ausgeschlossen werden.

Tabellarische Aufzählung der Patienten mit den Hauptdiagnosen:

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Tab. 1: Hauptdiagnosen: ASD (Vorhofseptumdefekt), DKMP (Dilatative Kardiomyo­pathie), 1,2,3-GE (koronare Gefäßerkrankung), LSB (Linksschenkelblock), MI (Mitralinsuffizienz), MKP (Mitralklappenprolaps), MS (Mitralstenose), PTCA (Percutane Transluminale Coronare Angioplasie), PTV (Percutane Transluminale Valvuloplastie), SSS (Sick-Sinus-Syndrom), VHF (Vorhofflimmern), VSD (Ventrikelseptumdefekt)

Die Datenaufzeichnung erfolgt mit einem HP SONOS 1500 Endgerät (Hewlett-Packard, Palo Alto, USA), einer multiplanen Sonde mit einem rotierenden 5Mhz Schallkopf (HP Omni Plane), an den parallel ein TomTec-Echo-Scan (TomTec Imaging Systems Inc., München) angeschlossen ist. Die Aufzeichnung ist EKG getriggert erstellt worden.

Bei allen Patienten hat eine untersuchungsunabhängige klinische Indikation zur TEE bestanden und eine schriftliche Einwilligung für die Untersuchung vorgelegen. Alle Patienten sind in Rechtsseitenlage untersucht worden.

In Retroflexionsstellung der Echosonde erlangen wir ca. 30 cm hinter den Schneide­zähnen einen Vierkammerblick. Etwas tiefer mit einer Biegung der Sonde nach ventral, stellt sich die Kurzachsenaufnahme des Herzens dar. In dieser Position erscheint der posteriore Papillarmuskel am Bildschirmober- und der anteriore Muskel am Bild­schirmunterrand. Diese Position wird häufig zur intraoperativen Funktionsdiagnostik des Herzens verwendet [33].

Für unsere Aufnahmen des linken Ventrikels stellen wir einen Längsachsenschnitt des linken Ventrikels ein. Durch vollständige Rotation der Sonde von 0-180° wird geprüft, dass die Längsachse in allen Schnitten gut getroffen und das Endokard gut abgrenzbar ist. Für unsere Aufnahmen des rechten Ventrikels wird die Sonde in 90°Position so gedreht, dass sich eine optimale Darstellung des rechten Ventrikels mit Ausflusstrakt von der Trikuspidalklappe bis zur Pulmonalklappe ergibt. Dann wird durch Rotation der Sonde geprüft, ob der rechte Ventrikel in allen Schnitten gut darstellbar ist. Die Aufzeichnung der Daten beginnt, wenn möglich, bei niedriger Herzfrequenz und bei geringer Bewegung des Patienten.

Die Datenakquisition erfolgt EKG-getriggert ohne Verzögerungszeit. Auf eine Atemtriggerung wird verzichtet, da sonst durch zu lange Datenakquisitionszeit die Gefahr des Verschiebens der Sonde zu groß ist. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, muss ein optimales, aber etwas flexibles (40-80 ms Schwankungsbreite) Zeitfenster für R-R-Intervalle gewählt werden. Ein fixer Zeitabschnitt mit zu geringer Schwankungsbreite würde bei irregulärem R-R-Intervall zur Verwerfung vieler Datensätze und somit zur Verlängerung der Aufnahmezeit führen, eine zu lange Schwankungsbreite zu starken Variationen der Schlagdauer mit entsprechender Streuung der Ventrikeldimensionen von Sektoraufnahme zu Sektoraufnahme. Im rekonstruierten Bild macht sich das u.a. durch Kontursprünge bemerkbar. Wir müssen daher einen Kompromiss zwischen potentiellen Bewegungsartefakten und Aufnahme­zeit akzeptieren.

Ein Motor, durch ein zentrales Rechnerelement im HP-SONOS 1500 gesteuert, rotiert die Ultraschallsonde, nachdem die Daten des EKG abgeglichen sind. Sobald ein Bildzyklus in einem EKG-Triggerintervall liegt, wird eine Akquisition der zwei­dimensionalen Bilder über die Videokette gestartet. Im nächsten Schritt rotiert der [Seite 13↓]Motor die Sonde um 3° zum folgenden Schnittbild, so dass eine neue Serie von Bildern erstellt werden kann. Dieser Vorgang wird 60 mal, bzw. über 60 R-R-Intervalle des EKGs wiederholt, so dass die Sonde insgesamt um 180° rotiert wird [18] (Abb.2).

	Abb. 2: Prinzip der Rotationssonde und der Bilderstellung [18]

Um die so erstellten Aufnahmen bearbeiten zu können, müssen alle Bilder von einem konischen in ein kubisches Datensystem transformiert werden. Dies führt ein Rechner aus und soll hier nur theoretisch erläutert werden: J. R. Duann zeigt, dass man dies mit einfachen Berechnungen nachvollziehen kann. Das Hauptziel besteht darin, die Daten von einem polaren (r, θ, z) in ein kartesisches (x, y, z) Koordinatensystem zu transferieren [34].

	Abb. 3: Umwandlung eines polaren in ein kartesisches Koordinatensystem [34]
	G (x, y, z) = g (r, θ , z) x = r cos (θ) y = r sin (θ) z = z

Wobei sich G als Graustufe eines Voxels (dreidimensionales Bild- oder Volumen­element) in einer Position in z-Serien von Bildern im kartesischen, und g, als Graustufe eines Voxels, im polaren Koordinaten System darstellt. Idealerweise ist die Datendichte innerhalb eines Würfels homogen, d.h. jedes Voxel repräsentiert eine diskrete, reale anatomische Information. Sind diese Voraussetzungen aufgrund der verwendeten Bildaufnahmetechnik nicht erfüllt, müssen diese Daten entsprechend modifiziert werden [35].

r stellt die Distanz zwischen dem Transducer und dem projizierten Punkt eines Voxels auf der x-y Ebene dar. θ stellt sich in unserem Falle mit 3° dar, d.h. es handelt sich um den Rotationswinkel zwischen zwei erstellten Schnittebenen. Aus diesem Ansatz heraus lässt sich nach den oben genannten Formeln jeder Punkt des polaren in ein [Seite 15↓]kartesisches Koordinaten System übertragen. Dieser umformatierte Datensatz wird im Programm Echo View 4.0 (TomTec Imaging Systems Inc., München) ausgewertet. Um Speicherplatz und vor allem Zeit zu sparen, wird nur der Teil des Herzens zur Verarbeitung herangezogen, der für die Untersuchung von Interesse ist (Region of Interest – ROI) . Weitere Möglichkeiten Speicherplatz und Zeit zu sparen, stellen die Auswahl von nur wenigen Zeitphasen dar, so dass nur die Bilder um die Systole und um die Diastole formatiert werden.

In dieser Studie ist nur das systolische und das diastolische Volumen von Interesse, wobei die diastolische Phase als der Ventrikel mit dem größten, die systolische Phase als der Ventrikel mit dem kleinsten Volumen definiert werden.

Nach der Bildoptimierung (Kontrast, Helligkeit, etc.), wird das digitale Bild der Systole und das der Diastole in sechs einzelne Scheiben zerschnitten. Diese Schnittebenen liegen orthogonal, zu einer vom Untersucher definierten Achse von der Mitral-, bzw. Tricuspidalklappenmitte zur Herzspitze. Die so erlangten Schnittebenen des Ventrikels werden mit der Maus markiert, so dass 6 verschiedene Flächen entstehen. Da die Schnittbildhöhen bekannt sind, kann der Computer diese mit der markierten Fläche multiplizieren (Simpson´s Scheibchensummation). Die Summe aus den einzelnen Volumina ergeben dann das Gesamtvolumen der zu bestimmenden Struktur. Die zu vermessenden Strukturen sind das Innenvolumen, die freien Wände des linken und rechten Ventrikels und das Kammerseptum. Die Papillarmuskeln sind ins Innenvolu­men mit einbezogen. Die Trabekel, soweit in der Sonographie erkennbar, werden zum Myokard gezählt. Ob die basalste Schicht zu den Ventrikeln oder zur Klappenebene zählt, wird anhand des sagittalen Scouts (parallel zum interventrikularen Septums) entschieden. Um mögliche Messfehler gering zu halten, wird jede Struktur viermal gemessen und anschließend gemittelt. Nach jedem Messzyklus wird die Einstellung gelöscht und eine Längsachse und die dazugehörigen Schnittebenen neu definiert. Pro Ventrikel dauert dieses Vorgehen anfangs ca. 40 Minuten, später ist der Zeitaufwand auf ca. 15 Minuten verkürzt worden.

Dieselben Patienten werden durchschnittlich in einem Zeitraum von 6 Tagen im Anschluss an die TEE, nach Aufklärung und schriftlicher Einverständniserklärung, in der MRT untersucht. Es gelten die üblichen Ausschlusskriterien, wie Platzangst, Herzschrittmacher und metallische Gegenstände, die nicht MR-kompatibel sind und nicht entfernt werden können.

Das Patientenkollektiv der TEE wird in einem 1,5 Tesla Ganzkörper-Magnetreso­nanztomographen (ACS NT, Philips, Best, Niederlande) in Rückenlage mit einer spezifischen, aus 5 Elementen bestehenden Herzspule untersucht. Um potentiellen Bewegungsartefakten durch Herzschlag und Atmung des Patienten vorzubeugen, erstellen wir die Bilder in einer EKG-getriggerten T1-gewichteten Turbo-Gradienten­echo-Sequenz in Atemanhaltetechnik . Dies hat den Vorteil einer kurzen Echozeit (TE), Repetitionszeit (TR) und eines kleinen Flip Winkels. Ein Nachteil dieser Methode ist allerdings ein abnehmendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis von der ersten zur letzten abgebildeten Herzphase. Mit Turbo-Gradientenecho-Sequenzen kann fast immer eine sehr gute Bildqualität erreicht werden, obwohl eine Schicht in wenigen Sekunden (typischerweise 16 sec) aufgenommen wird [36]. Für die vorliegende Untersuchung beträgt die TE 2 msec., die TR 6 msec. und der Flip Winkel zwischen 25° und 35°. Wir verwenden eine Matrix mit 128 x 128 Pixel und eine Field of View (FOV) von 330 mm. Um den Herzschlag mit der Bildgebung zu synchronisieren, wird dem Patienten ein EKG, in diesem Falle ein zweidimensionales Vektor EKG, angelegt und mit dem Hauptrechner des MRT verbunden.

Nach zwei Übersichtsaufnahmen zur Beurteilung der genauen Lage und Achse des Herzens, wird am Rechner eine virtuelle Linie von der Herzspitze zur Herzbasis gezogen, die so genannte right anterior oblique (RO). Orthogonal zu dieser Linie erstellen wir die Kurzachsen.

	Abb. 4: Schnittebenen der Kurzachse [37]

Die schnellen Gradienten-Echos benutzen einen segmentierten k-Raum als Berechnungsbasis. Dieser Datenraum wird in die horizontale (kx) Frequenz- und die vertikale (ky) Phasenrichtung aufgeteilt. Jeder Zeile des k-Raums entspricht eine Messung und für jeden der verschiedenen Phasengradienten wird eine eigene Zeile aufgenommen. Das Bild wird mit der zweidimensionalen Fourier-Transformation aus einer vollständigen Aufnahmesequenz berechnet.

Diese Methode erstellt hochauflösende Bilder innerhalb einer einzelnen Atempause. Wenn der k-Raum, wie in unserem Falle mit einer 128x128 Matrixgröße, aufgelöst wird, werden diese 128 verschlüsselten Phasen in 16 Segmente mit je 8 verschlüs­selten Phasen umgewandelt. Durch diese Vorgehensweise wird eine zeitliche Auflösung von 72 Millisekunden erreicht und es können bis zu 20 Bilder innerhalb eines Herzzyklus aufgenommen werden. Die Datenakquisition muss dann allerdings 16 mal (entsprechend der Anzahl der Segmente) wiederholt werden. Dadurch beträgt die gesamte Scan-Zeit 16 R-R-Intervalle entsprechend ca. 12 bis 16 Sekunden Atempause [38].

Für den Großteil der Patienten verläuft die Untersuchung völlig problemlos. Mit dieser einfachen Methode erlangt man ohne Verwendung von Kontrastmittel einen Datensatz von mehreren Herzphasen in parallel angeordneten Schichten.

Die Daten-Akquisition erfolgt multiphasisch, in dem eine Schicht in Atemanhaltetechnik in allen Herzphasen vollständig aufgenommen wird. Dies wiederholen wir für jede erforderliche Schicht.

Diese Daten werden dann auf einen Computer transferiert (Sun Sparc Workstation, Sun Microsystems, Santa Clara, USA), der mit einem für Myokardkontur-Bestimmung entwickelten Programm „Mass“ (Leiden University Medical Center, Leiden, Niederlande) ausgestattet ist. Nach Durchsicht aller Herzphasen werden die Diastole und die Systole definiert. In einem ähnlichen Verfahren, wie schon bei der echokardiographischen Auswertung, werden die Ränder des Kammerseptums, des Epi- und Endokards des linken und des rechten Ventrikels mit der Maus umrandet. Die Papillarmuskeln werden wie im Echo dem Innenvolumen zugerechnet und die Trabekel - soweit abgrenzbar - werden zum Myokard gerechnet. In den Fällen, in denen nicht sicher beurteilt werden kann, ob die basalste Schicht zum zu messenden Volumen hinzugerechnet werden sollte oder, ob es sich um die Klappenebene handelt, wird eine genauere Analyse in der langen Achse vorgenom­men. In dieser parallel zum interventrikulären Septum gelegenen Schichtung wird deutlich, zu welchem Herzanteil die basale Schnittebene nun gehört [39]. Dieser Vorgang ist jeweils 4 mal wiederholt worden. Der Computer errechnet dann mit der Scheibchen-Summationsmethode das jeweilige Volumen. Dieser Messvorgang beansprucht in der Anfangsphase ca. 20 Minuten, später ca. 10 Minuten.

Die Datensätze werden unter folgenden Gesichtspunkten verglichen:

Wie weit weichen die Messergebnisse des linken und rechten Ventrikels voneinander ab? Kann man diese in einer Studie zusammenfassen? Wie sind die Übereinstimmungen der Ventrikel bei Sinusrhythmus und bei Vorhofflimmern?

Wie weit stimmen die gemessenen Parameter (Innenvolumen, Myokard und Septum) in der MRT und der TEE überein?

Zur Beantwortung dieser Fragen müssen zusätzliche Parameter berechnet werden:

1. Erstellung der Mittelwerte der gemessenen Parameter.
2. Differenzen der diastolischen und systolischen Innenvolumina von TEE und MRT.
3. Mittlere diastolische und systolische Innenvolumina aus TEE und MRT.
4. Berechnung der diastolischen und systolischen Myokardvolumina aus der Differenz von Myokard- und Septumvolumina.
5. Differenzen der diastolischen und systolischen Volumina der freien Wände zwischen TEE und MRT.
6. Mittlere Volumina der freien Wände in der Diastole und Systole.
7. Differenzen der diastolischen und systolischen Septumvolumina zwischen TEE und MRT.
8. Berechnung der Ejektionsfraktionen:
   EF= 1 – SV / EDV (Enddiastolisches Volumen)
9. Differenzen der Ejektionsfraktionen zwischen TEE und MRT.
10. Mittlere Ejektionsfraktionen.
11. Berechnung der Schlagvolumina:
    SV = Enddiastolisches Volumen – Endsystolisches Volumen
12. Differenzen der Schlagvolumina zwischen TEE und MRT.
13. Mittlere Schlagvolumina.

Zunächst werden die Werte der linken und der rechten Ventrikel mit dem unverbun­denen T-Test verglichen, um zu sehen, ob sich die Daten signifikant unterscheiden. Es wird angenommen, dass T>2,00 und P<0,05 einen signifikanten Unterschied der Fehler zwischen beiden Gruppen aufzeigen und somit zu dem Ergebnis führen wird, dass beide Gruppen nicht zusammen verwendet werden dürfen.

Weiterhin wird ein Korrelationskoeffizient nach Pearson berechnet, um den Trend der Messungen beurteilen zu können.

Der eigentliche Vergleich bzw. die Beurteilung der Übereinstimmung wird mit der Bland-Altman Methode erstellt und graphisch dargestellt, da es sich hier um zwei indirekte Messmethoden handelt und der Korrelationskoeffizient nur den Trend, nicht die Übereinstimmung, beurteilt [40]. Mit dieser statistischen Methode werden die Differenzen zwischen Echokardiographie und MRT gegen die Mittelwerte von Echokardiographie und MRT in eine X-Y Grafik eingetragen. So kann beurteilt werden, wie sich die einzelnen Volumenmessungen der beiden Methoden unterscheiden, ob dieser Unterschied vom errechneten Mittelwert abhängt und, ob die mittlere Differenz stark von Null abweicht bzw. auf einen systematischen Fehler hinweist. Bei der Bland-Altman Grafik werden deshalb zur Beurteilung die mittleren Differenzen und Konfidenzintervalle erstellt. In unserem Fall werden statt der Konfidenzintervalle die 10%-Perzentile und die 90%-Perzentile der Messungen eingetragen. Die Überlegung ist, dass die Stichprobe relativ klein ist, und auch eine Normalverteilung der Differenzen nicht sicher vorausgesetzt werden kann.