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5.  Bestimmung der Ventrikelvolumina und Muskelmasse -
Vergleich mit der 3D-Echokardiographie

Einleitung

Zur Beurteilung der kardialen Leistungsfähigkeit vor und nach Operationen angeborener Herzfehler sind Informationen über die linksventrikuläre und rechtsventrikuläre Funktion von essentieller Bedeutung. Zur Einschätzung der linksventrikulären Funktion eignet sich die Ejektionsfraktion, welche aus der Bestimmung des linksventrikulären Volumens in Enddiastole und Endsystole errechnet werden kann. Die Ejektionsfraktion ist ein Mass für die systolische Pumpleistung des Herzens. Zusätzlich erlauben die myokardiale Masse [132] und der Massen-Volumen-Index [133] als Parameter zur Diagnostik und Beurteilung einer Myokardhypertrophie wichtige Aussagen über Druck- bzw. Volumenbelastung des Herzen, was für die Beurteilung vieler Patienten mit angeborenem Herzfehler vor und nach Operationen von Bedeutung ist. Die traditionellen Verfahren der nichtinvasiven links- und rechtsventrikulären Massen- und Volumenbestimmung basieren auf dem Ultraschallprinzip. Das M-Mode-Verfahren als "eindimensionales" echokardiographisches Verfahren [134] ist schnell durchführbar und für die Routinekontrolle ventrikulärer Volumina bei normal geformten Herzkammern ausreichend [135]. Für speziellere Fragestellungen zur Beschaffenheit und Ausdehnung der Ventrikel sowie für die Diagnostik angeborener Fehlbildungen hat sich die zweidimensionale (2D) Echokardiographie in der Praxis bewährt. Die Volumetrie und myokardiale Massenbestimmung bei Patienten mit abnorm geformten linken und insbesondere rechten Ventrikeln ist jedoch schwierig [1], da einfache geometrische Formeln, welche bei Patienten mit anatomisch normalem linken Ventrikel zur Anwendung kommen, nicht benutzt werden können. Die meisten angeborenen Herzfehler beeinflussen die Geometrie des RV, welcher echokardiographisch häufig nur schwer einsehbar ist. Aber auch der echokardiographisch in der Regel leicht einzusehende LV kann bei seltenen komplexen angeborenen Herzfehlern Ventrikelgrössen oder Formen aufweisen, die echokardiographisch schwer zu beurteilen sind.


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Diese können direkt durch angeborene Fehlanlagen im Bereich des linken Ventrikels, z.B. auf der Ebene der Atrioventrikularklappen (AV-Klappen), oder indirekt durch Auswirkungen des RV auf den LV verursacht sein. Beim funktionell singulären Ventrikel, z.B. mit Überreiten einer AV-Klappe und abnormer Insertion der entsprechenden Papillarmuskel (engl.: straddling), ist die exakte Messung des Volumens der Kammer unerlässlich, um entscheiden zu können, ob eine Operation, die ein Herz mit zwei Ventrikeln als Ziel der Korrektur hat, überhaupt möglich ist [136, 137, 138]. Auch zur Abschätzung der perioperativen Morbidität und Mortalität bei Operationen nach Fontan zur palliativen Therapie eines funktionell univentrikulärer Herzen (Kapitel 10), sind myokardiale Masse, Massen-Volumen-Index und Ejektionsfraktion entscheidende Parameter [132, 137]. Bei pathologisch veränderten linken und rechten Ventrikeln gilt die Magnetresonanztomographie (MRT) mittlerweile als "Goldstandard" für die Massen- und Volumenbestimmung [1, 103, 104, 139]. Mit der Weiterentwicklung der Ultraschalltechnik zur dreidimensionalen (3D) Echokardiographie liegt eine neue Methode zur Massen- und Volumenbestimmung der Ventrikels vor, welche ebenso wie die MRT “Scheibchensummationsmethode” auf geometrische Vereinfachungen zur ventrikulären Volumenbestimmung verzichtet [132, 140]. Für den rechten Ventrikel konnte bereits gezeigt werden, dass für ein kleines Kollektiv mit relativ kleinen Ventrikeln die dreidimensionale Echokardiographie ähnliche Ergebnisse wie die MRT erzielen kann [1]. Da der linke Ventrikel grundsätzlich echokardiographisch besser als der RV einzusehen ist, war es das Ziel der vorliegenden Untersuchung, die dreidimensionale Echokardiographie als neue Methode der kardialen Volumetrie und Massenbestimmung mit dem anerkannten Goldstandard der Magnetresonanztomographie bei Patienten mit anatomisch abnormen oder funktionell singulären linken Ventrikeln zu vergleichen, um möglicherweise ein konstengünstigeres und weiter verbreitetes Verfahren als die MRT für diese Patienten einsetzten zu können.


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5.1.  Material und Methoden

5.1.1. Echokardiographie

Es wurde ein Vingmed 800 Anular Array Sector Scanner (Vingmed, Horten, Norwegen) verwendet, der an einen Tomtec Computer (Tomtec, München, Deutschland) gekoppelt wurde. Der eingesetzte Computer war in der Lage, aus Querschnittbildern dreidimensionale Rekonstruktionen herzustellen. Zum Einsatz kamen die von Wollschläger [141, 142] beschriebenen Verfahren der Datenakquistion und –aufbereitung, sowie von ihm beschriebene räumlichen Rekonstruktionsverfahren.

Mathematische Voraussetzungen

Die Grundlage für eine mathematische räumliche Rekonstruktion anatomischer Strukturen, basierend auf 2D-Ausgangsbildern ist die Anordnung der Bilddaten nach computergerechter Digitalisierung in einem kartesischen 3D-Koordinatensystem (X, Y, Z) in Form eines isotropen Datenwürfels. Dessen kleinste räumliche Bildeinheit, das kleinste Datenvolumen, stellt das sogenannte „Voxel“ dar. Idealerweise ist die Datendichte innerhalb dieses Würfels homogen, d.h. jedes Voxel repräsentiert eine diskrete, reale anatomische Information. Erfüllt die Bildaufnahmetechnik diese Voraussetzungen nicht, müssen die Daten entsprechend modifiziert werden. Diese räumliche Berechnungsgrundlage des voxelbasierten Datenwürfels ist aus der Bildrekonstruktion der Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) geläufig, wobei dort der Datenaufbau durch die Erzeugung exakt paralleler Schnittebenen in identischem Abstand geschieht. Bei der Verwendung von Ultraschall als Schnittbildaufnahmetechnik werden diese Datenwürfel mit tomographischen 2D-Daten gefüllt. Um einen kompletten Herzzyklus aufzeichnen zu können, ist eine grosse Datenmenge von bis zu 288 Megabyte erforderlich. Um die Rekonstruktion in Minuten ablaufen zu lassen, müssen entsprechend grosse Anforderungen an Rechengeschwindigkeit und Arbeitsspeicher der verwendeten Computersysteme gestellt werden [141, 142, 143, 144].

[Seite 95↓]2D-Datenakquisition und -aufbereitung

Für die hier beschriebene Studie kamen zwei von Wollschläger beschriebene Techniken zum Einsatz: die Aufnahmetechnik mit Rotation des Transducers, sowie die fächerförmige Abtastung des Herzens. Der Schallkopf wurde jeweils transthorakal von apikal bzw. subxiphoidal eingesetzt. Bei der Aufnahme mit Rotation des Transducers ist dieser mit einem Schrittmotor, der im Handgriff integriert ist, ausgestattet. Nach Aufsuchen eines geeigneten akustischen Fensters an der Thoraxwand wird die Aufnahme in festen Rotationsschritten von 2° vorgenommen. Dies ist eine technisch einfache und für die Patienten gut zu tolerierende Methode, deren limitierender Faktor bislang jedoch die Bildqualität ist, welche, durch die anatomischen Grenzen des thorakalen Schallfensters und die Übernahme der Bildinformation aus dem Videoausgang des Ultraschallgerätes bedingt, nicht sehr hoch ist. Auch bei der fächerförmigen Abtastung des Herzen von transthorakal wirkt die Begrenztheit des thorakalen Schallfensters einschränkend [145, 146]. Die zahlreichen sequenziellen Querschnittbilder wurden digital neu formatiert und auf einem Personal Computer (Pentium II) gespeichert.

Rekonstruktion

Die Berechnung des Gesamtvolumen erfolgte durch Addition der einzelnen Schichtvolumina nach der Simpsonschen „Scheibchensummationsmethode“ (Kapitel 1.5). Zunächst wurde die Längsachse des linken Ventrikels definiert. Anschliessend rechtwinklig zu dieser Achse angeordnete Schichten von 2 mm Dicke mit dem Trackball manuell umfahren und die Volumina dieser Schichten vom Computer errechnet und gespeichert. An der Grenze zwischen Endokard und Ventrikelvolumen wurde die Linie auf der echoreichen, also endokardialen Seite der Grenzfläche gezogen (Abb. 5.1). Die errechneten Flächen der einzelnen Schichten wurden mit deren Schichtdicke multipliziert, die Schichtvolumina anschliessend zum linksventrikulären Volumen addiert. Die Messungen wurden endsystolisch sowie enddiastolisch durchgeführt, wobei der kleinste Ventrikeldurchmesser als Endsystole und der grösste als Enddiastole interpretiert wurde. Die Ejektionsfraktion wurde als Differenz zwischen enddiastolischem und endsystolischem Volumen, dividiert durch [Seite 96↓]das enddiastolische Volumen berechnet. Die linksventrikuläre Masse wurde ebenfalls in Endsystole sowie Enddiastole berechnet.

Zur Bestimmung des myokardialen Volumen wurde mit Hilfe der bereits für die Berechnung des linksventrikulären Volumen beschriebenen Simpsonschen „Scheibchensummationsmethode“ das epikardiale Volumen ermittelt und von diesem das endokardiale Volumen subtrahiert. Anschliessend wurde das myokardiale Volumen mit 1,05 g/ml, dem spezifischen Gewicht des Herzmuskels [110], zur myokardialen Masse multipliziert. Um die erhobenen Daten vergleichbar zu machen, wurden sowohl die linksventrikulären Volumina als auch die myokardialen Massen jeweils auf die Körperoberfläche der einzelnen Patienten bezogen. Das Ventrikelseptum wurde definitionsgemäss im Rahmen der linksventrikulären Massenbestimmung als Teil des linken Ventrikels angesehen, während die Papillarmuskel dem Ventrikelvolumen zugerechnet wurden.

Abb. 5.1: 3D-Echo-Rekonstruktion: enddiastolisches LV-Volumen (hellgraue Fläche) bei einem 6jährigen Patienten mit operativ korrigierter Transposition der grossen Gefässe. Der gelbe Querbalken markiert die Schnitthöhe des Querschnittsbildes (2 Kammerblick, kurze Achse) b, b: In dieser Projektion werden ähnlich wie im MRT die endo- und epikardialen Schichten manuell umfahren und anschliessend zum in a. dargestellten Gesamtvolumen aufsummiert.


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Abb. 5.2: a. Vierkammerblickrekonstruktion mit eingezeichnetem LV-Volumen (graue Fläche bei einem 7 jährigen Jungen nach operativ korrigierter Fallotscher Tetralogie. b: Enddiastolisches epikardiales Volumen (zur Muskelmassenbestimmung) bei einer 6 jährigen Patientin mit „Straddling“ der Trikuspidalklappe (TK-gelber Pfeil).

5.1.2. Magnetresonanztomographie

Die magnetresonanztomographischen Messungen wurden mit einem Gyroscan ACS-NT (Philips Medical Systems, Best, Holland) unter Verwendung einer Standardkörperspule bei Feldstärken von 1,5 Tesla erzeugt. Zu Beginn eines Aufnahmezyklus wurden Spinecho-Lokalisationsaufnahmen in transversaler, koronarer und sagittaler Richtung vorgenommen. Mit einer "Multislice-Multiphasen"-Technik entstanden axiale Schnitte durch den linken Ventrikel. Die linksventrikulären Volumen- und Myokardmassenbestimmungen wurden in transversalen Schnittebenen durchgeführt, wobei von der Höhe des Zwerchfells nach kranial bis über die Herzgrenzen hinaus fortlaufende Schnitte gelegt wurden. Es wurden zwischen 10 und 17 kontinuierliche Schnitte von 5 mm Schichtdicke benötigt, um den gesamten linken Ventrikel zu erfassen. Die mit einer schnellen GE-Sequenz in Atemmittellage erzeugten Bilder wurden mit der kürzesten an die Herzfrequenz angepassten Repetitionszeit bei einem zwischen 30 - 40 mm² variierenden FOV, einem Flipwinkel von 20° und einer 256er Matrix aufgenommen. Da konventionelle kardiale Triggerungsmethoden nicht während des gesamten Herzzyklus Daten akquirieren, wurde die Methode des retrospektiven gating (Kapitel 1.1) angewandt. [Seite 98↓]Dieses Verfahren ermöglicht eine nachträgliche (retrospektive) Zuordnung der akquirierten MRT-Bilder zu den einzelnen Phasen des Herzzyklus [1, 143].

Pro Herzzyklus wurden in Abhängigkeit von der Herzfrequenz 12 bis 25 Bilder erzeugt, wobei das Bild mit der kleinsten ventrikulären Fläche als Endsystole und dasjenige mit der grössten als Enddiastole in der jeweiligen Schicht interpretiert wurde. Die Berechnung der linksventrikulären Volumina und Myokardmassen erfolgte durch Summation der einzelnen Schichtvolumina bzw. myokardialen Massenquerschnitte und deren anschliessende Multiplikation mit der Schichtdicke analog zur 3D-Echokardiographie. Die jeweiligen Volumina und Flächen wurden manuell umfahren, wobei die Papillarmuskel wie auch bei der Auswertung der 3D-Echokardiographiedaten dem linksventrikulären Volumen zugerechnet wurden.

5.1.3. Patienten

Für diese Studie wurden ausschliesslich Patienten mit pathologisch veränderten linken Ventrikeln und gutem echokardiographischen Schallfenster eingeschlossen, bei denen der linke Ventrikel sich echokardiographisch komplett darstellen liess. Insgesamt wurden 22 Patienten mit einem Durchschnittsalter von 12,4 (3,9 bis 37,3) Jahren untersucht, die verschiedene angeborene Herzfehler aufwiesen. Die Patienten wurden innerhalb von 24 Stunden nach Erhebung der für die dreidimensionale Rekonstruktion notwendigen echokardiographischen Daten einer MR-Untersuchung zugeführt. Hierzu war bei keinem der Patienten eine Sedierung notwendig. Neun der untersuchten Patienten hatten eine operativ korrigierte Tetralogie nach Fallot (TOF). Zwei Patienten wiesen eine operativ korrigierte Aortenisthmusstenose (ISTA) auf. Jeweils zwei Patienten litten an einem Marfan-Syndrom, einer Ebstein-Anomalie oder einer Trikuspidalatresie. Von den beiden Patienten mit Trikuspidalatresie wurden bei dem einen präoperativ erhobene Daten, bei dem anderen postoperativ vorgenommene Aufnahmen verwendet (Tabelle 5.1). Weiterhin wurden drei Patienten mit Überreiten der AV-Klappen (Abb. 5.2 b) und abnormer Insertion der Papillarmuskulatur (engl.: straddling) in die Studie einbezogen. Zwei dieser Patienten wiesen ein "straddling" der Trikuspidalklappe auf, einer davon nach operativ korrigierter Transposition der grossen Gefässe (TGA) und grossem Ventrikelseptumdefekt (VSD). Beim dritten Patienten war die Mitralklappe [Seite 99↓]betroffen. Zwei weitere Patienten wiesen einen linken Ventrikel mit "Double inlet" auf. Alter und Diagnosen der Patienten sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle 5.1: Altersstruktur und Diagnosen der in die Studie eingeschlossenen Patienten (innerhalb der diagnostischen Gruppen nach zunehmendem Alter sortiert).

Patient

Alter (Jahre)

Diagnose

1

3,9

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

2

5,5

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

3

6,9

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

4

6,9

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

5

7,1

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

6

9

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

7

9,2

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

8

9,5

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

9

10,7

Operativ korrigierte Fallot’sche Tetralogie

10

4,8

Operativ korrigierte Aortenisthmusstenose

11

8,8

Operativ korrigierte Aortenisthmusstenose

12

13,8

Marfan-Syndrom

13

15,8

Marfan-Syndrom

14

4,7

Ebstein’sche Anomalie

15

21,7

Ebstein’sche Anomalie

16

27,9

Operativ korrigierte Trikuspidalatresie

17

37,3

Trikuspidalatresie (praeoperativ)

18

5,8

"Straddling" der Trikuspidalklappe

19

6,7

"Straddling" der Trikuspidalklappe bei kompletter Transposition mit Ventrikel-septumdefekt

20

11,3

"Straddling" der Mitralklappe

21

18,6

"Double inlet" linker Ventrikel

22

27,8

"Double inlet" linker Ventrikel

Im Folgenden sind die Überlegungen aufgeführt, die für die Auswahl der Studienpatienten eine Rolle spielten. Um die echokardiographische 3D-Rekonstruktion des linken Ventrikels möglichst repräsentativ validieren zu können, [Seite 100↓]wurden Patienten mit verschiedenen linksventrikulären Fehlbildungen in die Studie eingeschlossen. Bei der Fallotschen Tetralogie (TOF) ist der linke Ventrikel entweder infolge der insbesondere präoperativ erheblichen Druckbelastung des rechten Ventrikels oder durch die häufige postoperative Komplikation einer erheblichen Pulmonalklappeninsuffizienz abnorm geformt (Kapitel 7). Hierdurch kann es auch zu einer Verformung des linken Ventrikels kommen. Bei Patienten mit einer Aortenisthmusstenose (ISTA) (Kapitel 6) besteht eine Druckbelastung des linken Ventrikels, so dass sich anhand der entsprechenden 3D-Datensätze insbesondere die Genauigkeit der Massenbestimmungen überprüfen lässt. Die beiden Patienten mit Marfan-Syndrom wurden untersucht, weil bei ihnen infolge der assoziierten hochgradigen Aortenklappeninsuffizienz eine Volumenbelastung des linken Ventrikels bestand. Bei der Ebsteinschen Anomalie ist der rechte Ventrikel durch die mehr oder minder stark ausgeprägte Trikuspidalklappeninsuffizienz häufig hochgradig pathologisch verformt [147]. Insbesondere durch das diastolische „bulging“ des atrialisierten RV (Kapitel 9) kommt es jedoch auch zu einer Belastung des linken Ventrikels, dessen diastolische Füllung beeinträchtigt wird. Die Patienten mit Trikuspidalatresie, Überreiten ("straddling") einer AV-Klappe sowie " Double inlet" des linken Ventrikels, weisen funktionell einen singulären Ventrikel auf. Beim "straddling" der Trikuspidalklappe ergibt sich aus der Fehlinsertion des zugehörigen Aufhängeapparats im linken Ventrikel dessen relative Vergrösserung. Umgekehrt ist beim Überreiten der Mitralklappe und abnormer Insertion der entsprechenden Papillarmuskulatur im rechten Ventrikel der linke Ventrikel pathologisch verkleinert.

5.1.4. Statistische Analyse

Die Ergebnisse der linksventrikulären Volumenmessungen aus der 3D-Echokardiographie wurden mit den im MRT bestimmten Volumina durch einfache lineare Regressionsanalyse verglichen. Die Ejektionsfraktion wurde als Differenz aus enddiastolischem und endsystolischem Volumen, dividiert durch das enddiastolische Volumen errechnet. Der Massen-Volumen-Index wurde als Quotient von Masse und Volumen angegeben. Die Grenzen der Übereinstimmungwurden nach der Formel [Seite 101↓]von Bland und Altman1 [148], die Körperoberfläche nach der Formel nach Dubois aus Körpergrösse und Körpergewicht errechnet.

Des Weiteren wurde die Intraobservervariabilität ermittelt, indem die Massen- und Volumenbestimmungen bei je fünf randomisiert ausgewählten Patienten nach durchschnittlich zwei Monaten wiederholt wurden, wobei die zuerst erhobenen Daten vom Untersucher nicht eingesehen werden konnten. Es wurde die durchschnittliche Abweichung vom absoluten Wert2 in Prozent angegeben. Zum Vergleich der erhobenen Daten wurde darüber hinaus der gepaarte t-Test durchgeführt. Der hierbei erhobene p-Wert gibt die "Irrtumswahrscheinlichkeit" für den Korrelationskoeffizienten r an. Ein p-Wert von < 0,05 wurde als signifikant angesehen. Es kamen die Computerprogramme "Sigma Stat", Version 2.03 für die statistischen Auswertungen, sowie "Sigma Plot", Version 2.04 für die graphischen Darstellungen der erhobenen Daten zum Einsatz.

5.2. Ergebnisse

5.2.1. Durchführung der linksventrikuläre Massen- und Volumenbestimmung mittels 3D-Echokardiographie im Vergleich zur Magnetresonanztomographie

Es liessen sich von allen 22 Patienten 3D-Echokardiographiedaten rekonstruieren, die von ausreichender Qualität waren, um jeweils endsystolische und enddiastolische Volumenmessungen durchzuführen. Zur Bestimmung der Myokardmasse mussten 8 Patienten ausgeschlossen werden, bei denen das linksventrikuläre Myokard enddiastolisch ausserhalb des akustischen Fensters lag und somit keine Massenbestimmung zuliess. Die Vermessung und Berechnung der linksventrikulären Volumina dauerte zwischen 25 - 45 Minuten, wobei die Messdauer von der Ventrikelgrösse abhängig war. Bei grösseren Volumina bzw. generell in der Diastole [Seite 102↓]mussten mehr Querschnitte angelegt und entsprechend mehr Teilvolumina manuell umfahren werden als bei kleinen Volumina bzw. Volumenbestimmungen in der Systole. Die Datenakquisition für den 3D-Datensatz selbst dauerte jeweils ca. 3 Minuten, die computergestützte Reformatierung der Daten jeweils ca. 5 Minuten. Die Gesamtmessdauer betrug demnach zwischen 33 und 53 Minuten. Die Berechnung der Ejektionsfraktion wurde separat auf einem Personalcomputer durchgeführt und dauerte nur wenige Minuten.

Die Datenakquisition der MR-Aufnahmen dauerte durchschnittlich 15 (12-19) Minuten, die Berechnung der linksventrikulären Volumina durchschnittlich 16 (12-20) Minuten.

5.2.2. Korrelation, Grenzen der Übereinstimmung und Intraobservervariabilität

Für die linksventrikulären endsystolischen Volumina fand sich mit einem Korrelationskoeffizienten von r=0,97 und einem p-Wert von <0,001 eine gute Übereinstimmung zwischen 3D-Echo- und MR-Messungen. Die Grenzen der Übereinstimmung zwischen den endsystolischen Volumenmessungen beider Methoden betrugen - 20,1 und + 33,5 ml/m² . Bei den linksventrikulären enddiastolischen Volumina betrug der Korrelationskoeffizient r=0,98. Bei einem p-Wert von < 0,001 zeigte sich somit ebenfalls eine gute Übereinstimmung von 3D-Echo- und MR-Daten. Die Grenzen der Übereinstimmung der enddiastolischen Volumina betrugen - 18,4 und + 31 ml/m² . Die Ejektionsfraktionen (EF), errechnet als enddiastolisches minus endsystolisches Volumen, dividiert durch das enddiastolische Volumen, zeigten mit einem Korrelationskoeffizienten von r = 0,482 bei p = 0,023 keine gute Korrelation. Die Grenzen der Übereinstimmungder Ejektionsfraktion betrugen - 19,5 und 27,3%. Für die Korrelation der echokardiographisch bzw. magnetresonanztomographisch erhobenen linksventrikulären Myokardmassen betrug der r-Wert 0,79 endsystolisch und 0,76 enddiastolisch. Der p-Wert lag jeweils bei p < 0,001 Die Grenzen der Übereinstimmung der linksventrikulären Myokardmassenbetrugen -45,1 und +39,4 g/m² endsystolisch sowie - 38,3 und + 36,3 g/m ² enddiastolisch. Die Ergebnisse der Volumetrie und Massenbestimmungen für die beiden Methoden sind in Tabelle 5.2 [Seite 103↓]aufgeführt. Die der Berechnung der Grenzen der Übereinstimmung („limits of agreement“) zugrundeliegenden Differenzen und Mittelwerte der jeweiligen MR- bzw. 3D-Echo-Messdaten sind in Tabelle 5.3 und in den Abbildungen 5.7 - 5.10 sowie 5.12 dargestellt. Tabelle 5.4 zeigt die jeweils errechneten Ejektionsfraktionen für beide Methoden. Die Korrelationskurven für endsystolische und endsystolische Volumina und Massen sind in den Abbildungen 5.3 - 5.6 gezeigt, die der EF in Abbildung 5.11. Die Intraobservervariabilität betrug durchschnittlich 18,6 % (4,6 - 31,3 %) für die endsystolischen und 8,3 % (1,3 - 13,2 %) für die enddiastolischen Volumina. Bei den endsystolischen Massen betrug die Intraobserver-Variabilitätdurchschnittlich 18,7 % (12,8 - 23,9 %) und 12,8 % (1,32 - 27,8 %) bei den enddiastolischen Massen.


[Seite 104↓]

Tabelle 5.2: Ergebnisse der Volumen- und Massenbestimmungen mittels 3D-Echokardiographie und Magnetresonanztomographie. Volumina (n = 22) endsystolisch (ES-Vol.), enddiastolisch (ED-Vol.), Massen (n = 14) endsystolisch (ES-Masse), enddiastolisch (ED-Masse), jeweils bezogen auf die Körperoberfläche.

Patient

3D-Echo:

   

MRT:

   
 

ES-Vol.

ED-Vol.

ES-Masse

ED-Masse

ES-Vol.

ED-Vol.

ES-Masse

ED-Masse

 

(ml/m²)

(ml/m²)

(g/m²)

(g/m²)

(ml/m²)

(ml/m²)

(g/m²)

(g/m²)

1

30,29

63,60

55,33

35,30

24,23

59,06

58,59

55,65

2

47,61

84,12

81,66

76,18

29,30

65,93

68,37

80,58

3

44,88

84,67

82,26

81,54

35,80

60,58

54,75

60,72

4

46,67

80,91

44,15

49,12

27,52

70,45

77,00

79,75

5

42,63

70,21

  

40,22

76,09

  

6

40,55

77,06

  

28,08

59,68

  

7

32,95

55,65

  

31,93

52,45

  

8

47,54

81,48

42,39

53,29

34,26

63,17

43,88

49,47

9

34,99

84,91

106,17

82,32

22,40

49,07

61,85

66,08

10

25,92

68,37

43,62

62,49

23,44

71,63

58,35

67,01

11

28,44

45,59

45,96

58,12

17,24

46,92

66,17

75,42

12

28,87

68,34

88,53

93,50

28,66

68,06

86,30

82,74

13

29,36

87,33

  

46,00

97,03

  

14

62,41

84,29

36,89

45,27

42,18

82,36

62,82

75,67

15

32,03

55,43

35,17

40,04

18,95

45,23

52,39

43,64

16

70,30

136,85

149,18

137,81

58,69

114,80

141,65

107,67

17

64,52

104,71

  

48,79

105,62

  

18

50,90

77,28

67,81

91,72

76,28

93,08

84,18

89,76

19

40,14

92,66

  

49,53

94,93

  

20

14,69

30,21

18,29

32,83

13,64

25,18

20,98

19,83

21

263,38

326,95

  

228,35

318,52

  

22

32,00

76,89

  

39,55

78,36

  


[Seite 105↓]

3D-Echo- und MRT-Volumina endsystolisch bezogen auf die Körperoberfläche

Abb. 5.3: Dreidimensionale Echokardiographie versus Magnetresonanztomographie. Lineare Regression der auf die Körperoberfläche bezogenen linksventrikulären endsystolischen Volumina. r = 0,97. p < 0,001

3D-Echo- und MRT-Volumina enddiastolisch bezogen auf die Körperoberfläche

Abb. 5.4: Dreidimensionale Echokardiographie versus Magnetresonanztomographie. Lineare Regression der auf die Körperoberfläche bezogenen linksventrikulären enddiastolischen Volumina. r = 0,98. p < 0,001


[Seite 106↓]

3D-Echo- und MRT-Massen endsystolisch bezogen auf die Körperoberfläche

Abb. 5.5: Dreidimensionale Echokardiographie versus Magnetresonanztomographie. Lineare Regression der auf die Körperoberfläche bezogenen linksventrikulären myokardialen Massen endsystolisch. r = 0,79. p < 0,001

3D-Echo- und MRT-Massen enddiastolisch bezogen auf die Körperoberfläche

Abb. 5.6: Dreidimensionale Echokardiographie versus Magnetresonanztomographie. Lineare Regression der auf die Körperoberfläche bezogenen linksventrikulären myokardialen Massen enddiastolisch. r = 0,76. p < 0,001


[Seite 107↓]

Tabelle 5.3: Differenzen und Mittelwerte der gemessenen Volumina (n = 22) endsystolisch (difvoles/ mvoles), enddiastolisch (difvoled/ mvoled) und Massen (n = 14) endsystolisch (difmases/ mmases), enddiastolisch (difmased/ mmased), bezogen auf die Körperoberfläche.

Patient

difvoles

difvoled

Difmases

difmased

Mvoles

mvoled

Mmases

Mmased

 

(ml/m²)

(ml/m²)

(g/m²)

(g/m²)

(ml/m²)

(ml/m²)

(g/m²)

(g/m²)

1

6,06

4,54

-3,26

-20,35

27,26

61,33

56,96

45,47

2

18,31

18,19

13,29

-4,40

38,46

75,02

75,01

78,38

3

9,09

24,09

27,51

20,82

40,34

72,63

68,50

71,13

4

19,15

10,46

-32,85

-30,63

37,10

75,68

60,58

64,44

5

2,41

-6,78

  

41,43

73,60

  

6

12,46

17,38

  

34,32

68,37

  

7

1,03

3,19

  

32,44

54,05

  

8

13,28

18,31

-1,49

3,82

40,90

72,33

43,13

51,38

9

12,59

35,84

44,33

16,24

28,69

66,99

84,01

74,20

10

2,47

-3,26

-14,73

-4,51

24,68

70,00

50,99

64,75

11

11,21

-1,34

-20,22

-17,30

22,84

46,26

56,06

66,77

12

0,21

0,29

2,23

10,76

28,76

68,20

87,42

88,12

13

-16,63

-9,70

  

37,68

92,18

  

14

21,23

1,93

-25,93

-30,40

51,80

83,33

49,85

60,47

15

13,08

10,21

-17,22

-3,59

25,49

50,33

43,78

41,84

16

11,61

22,06

7,54

30,13

64,49

125,83

145,41

122,74

17

15,73

-0,92

  

56,66

105,17

  

18

-25,39

-15,80

-16,36

1,96

63,59

85,18

75,99

90,74

19

-9,39

-2,27

  

44,83

93,79

  

20

1,05

5,04

-2,70

13,00

14,16

27,70

19,63

26,33

21

35,03

8,43

  

245,86

322,74

  

22

-7,54

-1,46

  

35,77

77,63

  


[Seite 108↓]

Bland und Altman Graphik: Endsystolische Volumina

Abb. 5.7: Differenzen der endsystolischen LV-Volumina aus 3D-Echokardiographie bzw. Magnetresonanztomographie versus Mittelwerte derselben Datenpaare. Grenzen der Übereinstimmung („limits of agreement“)
( = Mittelwert +/- doppelte Standardabweichung ) 33,5 und - 20,1 ml/m²

Bland und Altman Graphik: Enddiastolische Volumina

Abb. 5.8: Differenzen der enddiastolischen LV-Volumina aus 3D-Echokardiographie bzw. Magnetresonanztomographie versus Mittelwerte derselben Datenpaare. Grenzen der Übereinstimmung ("limits of agreement")
( = Mittelwert +/- doppelte Standardabweichung ) 31 und - 18,4 ml/m²


[Seite 109↓]

Bland und Altman Graphik: Endsystolische myokardiale Massen

Abb. 5.9: Differenzen der endsystolischen linksventrikulären myokardialen Massen aus 3D-Echokardiographie bzw. Magnetresonanztomographie versus Mittelwerte derselben Datenpaare.
Grenzen der Übereinstimmung ("limits of agreement")
( = Mittelwert +/- doppelte Standardabweichung) 39,4 und - 45,1 g/m ²

Bland und Altman Graphik: Enddiastolische myokardiale Massen

Abb. 5.10: Differenzen der enddiastolischen linksventrikulären myokardialen Massen aus 3D-Echokardiographie bzw. Magnetresonanztomographie versus Mittelwerte derselben Datenpaare.
Grenzen der Übereinstimmung ("limits of agreement")
( = Mittelwert +/- doppelte Standardabweichung) 36,3 und - 38,3 g/m²


[Seite 110↓]

Tabelle 5.4: Ejektionsfraktionenaus 3D-Echokardiographie- bzw. Magnetresonanztomographie. Mittelwerte und Differenzen der Ejektionsfraktionen. Massen-Volumen-Indizes

Patient

EF(Echo)

EF(MRT)

Mittel

Differenz

Mass/Vol.

Mass/Vol.

 

%

%

%

%

Index (ec)

Index (mr)

     

(g/ml)

(g/ml)

1

52

59

56

-7

0,53

0,90

2

43

56

49

-12

0,91

1,22

3

47

41

44

6

0,92

0,95

4

42

61

52

-19

0,58

1,08

5

39

48

44

-8

  

6

47

53

50

-6

  

7

41

39

40

2

  

8

42

46

44

-4

0,62

0,75

9

59

54

57

4

0,92

1,28

10

62

67

65

-5

0,87

0,89

11

38

63

50

-26

1,21

1,53

12

58

58

58

0

1,30

1,16

13

66

53

59

14

  

14

26

50

38

-24

0,51

0,88

15

42

58

50

-16

0,69

0,92

16

49

49

49

0

0,96

0,89

17

38

54

46

-15

  

18

34

18

26

16

1,13

0,92

19

57

48

52

9

  

20

51

46

49

6

1,03

0,75

21

19

28

24

-9

  

22

58

50

54

9

  

[Seite 111↓]3D-Echo versus MRT: Linksventrikuläre Ejektionsfraktionen

Abb. 5.11: Dreidimensionale Echokardiographie versus Magnetresonanztomographie. Lineare Regression der linksventrikulären EF.
r = 0,482. p = 0,0231

Bland und Altman Graphik: Linksventrikuläre Ejektionsfraktionen

Abb. 5.12: Differenzen der linksventrikulären Ejektionsfraktionen aus 3D-Echokardiographie bzw. Magnetresonanztomographie versus Mittelwerte derselben Datenpaare.
Grenzen der Übereinstimmung („limits of agreement“)
( = Mittelwert +/- doppelte Standardabweichung) 27,3 und - 19,5%


[Seite 112↓]

5.3.  Diskussion

Die in der hier vorgestellten Studie erhobenen Daten zeigen eine gute Übereinstimmung von transthorakaler Echokardiographie und Magnetresonanz-tomographie bei der Volumenbestimmung abnorm konfigurierter linker oder funktionell singulärer Ventrikel. Die dreidimensionale Echokardiographie scheint somit für die Messung der Volumina komplexer linker Ventrikel ausreichend genau zu sein, während sich für die Muskelmassenbestimmung methodische Schwierigkeiten ergaben. So war es schwierig bei der transthorakalen Datenakquisition das gesamte Myokard in den dreidimensionalen echokardiographischen Datensatz aufzunehmen. Da aber nur Patienten mit ausreichend gutem Schallfenster in die Studie aufgenommen worden sind, dürfte das Ergebnis für die 3D-Echokardiographie im Falle des Wegfalls der Vorselektion noch schlechter ausfallen. Aus Ergebnissen der Stressechokardiographie weiss man, dass bis zu 15% der transthorakalen Echokardiographien für die Stressauswertung nicht verwertbar sind, weil der LV nicht vollständig einsehbar ist. In einer noch darüber liegenden Grössenordnung dürfte sich auch die Anzahl der Patienten bewegen, bei denen eine 3D-Rekonstruktion des gesamten LV nicht möglich ist, was in dieser Studie jedoch nicht untersucht wurde. Des Weiteren zeigte sich eine beträchtliche Intraobservervariabilität von bis zu 18 % für das endsystolische Volumen, was an der Zuverlässigkeit der Methode zur Volumenbestimmung für den Routineeinsatz jedoch insgesamt zweifeln lässt.

5.3.1. Klinische Relevanz der Bestimmung von linksventrikulären Volumina und Muskelmasse:

LV-Volumina und LV-Muskelmasse stellen jeweils einen Faktor von prognostischer Aussagekraft dar. Hierbei darf die linksventrikuläre Masse jedoch nicht als isolierter Parameter betrachtet werden. Erst der Quotient aus Masse und Volumen, der Massen-Volumen-Index, ermöglicht Aussagen darüber, ob die vorliegende Myokardhypertrophie als pathologisch oder als reiner Anpassungsvorgang anzusehen ist [137]. Die linksventrikuläre Masse und der Massen-Volumen-Index sind ausserdem entscheidende Faktoren für die linksventrikuläre Compliance, wobei [Seite 113↓]eine vergrösserte Masse häufig mit einer eingeschränkten diastolischen Funktion einhergeht [149].

Verschiedene Studien, einschliesslich der Framingham Studie [150, 151], haben eine erhöhte linksventrikuläre Masse als prognostisch ungünstigen Faktor für die kardiale Morbidität und Mortalität erkannt [140]. Für die Kinderkardiologie ist eine vergrösserte linksventrikuläre Myokardmasse unter anderem als Risikofaktor für das Überleben nach Fontan-Operation bei Trikuspidalatresie beschrieben worden [136, 137, 138]. Zur präoperativen Risikoabschätzung bei Patienten mit angeborenen Herzfehlern ist jedoch vor allem die Ejektionsfraktion als Mass für die systolische Pumpleistung des Herzens ein wichtiger Parameter. Mit ihrer Hilfe lassen sich vor operativen Eingriffen Aussagen machen über die perioperative Morbidität und Mortalität, zum Beispiel bei der Fontan-Operation (Kapitel 10) als palliativer Eingriff zur Behandlung funktionell univentrikulärer Herzen [132, 137]. Auch beim Überreiten einer Atrioventrikularklappe (AV-Klappe) und abnormer Insertion (Abb. 5.2 b) der entsprechenden Papillarmuskel (engl.: straddling) ist die exakte Messung des Volumens der Kammer unerlässlich, um entscheiden zu können, ob eine Operation, die ein Herz mit zwei Ventrikeln zum Ziel hat, überhaupt möglich ist. Beim "straddling" der Mitralklappe ist der linke Ventrikel oft hypoplastisch, deshalb ist es wichtig zu wissen, ob dessen Masse und Volumen ausreichen, um nach einer Korrekturoperation den Körperkreislauf aufrechtzuerhalten. Die endsystolischen Druck-Volumen-Verhältnisse und die isolierte Bestimmung des endsystolischen Volumens erlauben ebenfalls Rückschlüsse auf die myokardiale Funktion [152]. Die traditionellen Verfahren der linksventrikulären Massen- und Volumenbestimmung sind M-Mode- und zweidimensionale (2D) Echokardiographie. Das M-Mode-Verfahren als "eindimensionales" echokardiographisches Verfahren [134] ist innerhalb von Minuten durchführbar und für die Routinekontrolle ventrikulärer Volumina bei normal geformten Herzkammern völlig ausreichend [135]. Für speziellere Fragestellungen zur Beschaffenheit und Ausdehnung der Ventrikel sowie für die Diagnostik angeborener Fehlbildungen hat sich die 2D-Echokardiographie in der Praxis bewährt. Sie liefert für fehlgebildete Ventrikel genauere Ergebnisse als das M-Mode-Verfahren [153], ist dabei ebenfalls kostengünstig, zeitsparend und für die Patienten wenig belastend durchführbar.


[Seite 114↓]

Deshalb ist die Bestimmung der linksventrikulären Funktion mittels transthorakaler 2D-echokardiographischer Volumenkalkulation heute in der klinischen Einschätzung und in der Verlaufsbeobachtung von Patienten mit angeborenen Herzfehlern unverzichtbar [144]. Die Volumetrie und myokardiale Massenbestimmung bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern ist jedoch schwierig. Stärker noch als in der kardiologischen Diagnostik erwachsener Patienten stossen geometrische Annäherungen bei pathologischer Anatomie des kindlichen Herzens an ihre Grenzen.

5.3.2. Ergebnisdiskussion

Die vorliegende Studie zeigt, dass enddiastolische und endsystolische Volumina pathologisch veränderter linker Ventrikel mit der verwendeten 3D-Echokardiographie-Methode bestimmt werden können. Mit 33 bis 53 Minuten bewegte sich der Zeitaufwand für die Datenakquisition, Datenrekonstruktion und Datenauswertung allerdings noch etwas über der Zeitdauer für die Magnetresonanztomographie (24 bis 39 Minuten). Insbesondere bei den endsystolischen und enddiastolischen Volumina zeigte sich eine gute Übereinstimmung der 3D-Echo-Methode mit den MR-Vergleichsdaten. Der Korrelationskoeffizient betrug für die endsystolischen Volumina r=0,97 bei Grenzen der Übereinstimmung von - 20,1 und 33,5 ml/m² und einem p-Wert <0,001. Für die enddiastolischen Volumina betrug der Korrelationskoeffizient r=0,98, die Grenzen der Übereinstimmung lagen bei -18,4 und 31 ml/m², p bei <0,001. In der Enddiastole waren bei 8/22 Patienten (36,4 %) Teile des linksventrikulären Myokards in der 3D-echokardiographischen Rekonstruktion nicht mehr vollständig abgebildet, da das Schallfenster bei der Erhebung der 2D-Rohdaten nicht ausreichend gross war. Dieses Problem spielt in der Volumetrie bei sehr grossen Ventrikeln ebenfalls eine Rolle. Im untersuchten Kollektiv, welches wie schon erwähnt präselektioniert war, kam dies jedoch nicht zum tragen, so dass die Übereinstimmung von 3D-Echokardiographie- und MR-Messergebnissen für die grösseren enddiastolischen Volumina ebensogut war wie für die kleineren endsystolischen. Bei der Bestimmung der myokardialen Masse tritt dieser Effekt jedoch deutlich hervor. Auch innerhalb der Messungen in der Endsystole nimmt die Messgenauigkeit für die 3D-Echomethode mit abnehmender absoluter [Seite 115↓]Ventrikelgrösse zu (Abb. 5.5), so dass davon ausgegangen werden muss, dass neben dem Abbildungsausschnitt auch die Abbildungsdimension im digital rekonstruierten Bild für die Messgenauigkeit eine Rolle spielt.

Insgesamt fallen die mittels 3D-Echokardiographie gemessenen Volumina im Durchschnitt grösser aus als die mittels Magnetresonanztomographie gemessenen. Diese Tatsache lässt sich unter anderem darauf zurückführen, dass die Grenzflächendefinition bei besserer Bildqualität und unbegrenztem Abbildungsfenster im MRT leichter fällt. Die aus den 3D-Echokardiographie- bzw. MR-Daten errechneten Ejektionsfraktionen (EF) zeigten keine gute Korrelation mit einem Korrelationskoeffizienten von r=0,48 (p=0,0231). Die Grenzen der Übereinstimmungder Ejektionsfraktion betrugen –19,5% und 27,3%. Die starken Abweichungen der Messwerte zwischen 3D-Echo und Magnetresonanztomographie erklären sich vor allem daraus, dass es sich bei der Ejektionsfraktion jeweils um aus den Volumina errechnete Werte und keine direkten Messwerte handelt. Somit potenzieren sich die Abweichungen zwischen einzelnen Patienten, als auch die Tendenz, dass die mittels 3D-Echokardiographie erhobenen Volumina in der Regel grösser ausfallen, als die in der MRT bestimmten. Verglichen mit publizierten Normalwerten für die Ejektionsfraktion von 64-83% (Mittelwert 74%) [154] fallen die errechneten Werte in dieser Studie erwartungsgemäss niedriger aus. Vor dem Hintergrund, dass in dieser Studie ausschliesslich Patienten mit pathologischem linken Ventrikel untersucht wurden, zeigte sich somit eine im Mittel erniedrigte LV-EF bei allen Patienten. Dies gilt insbesondere für die 3D-Echokardiographie, aber auch für das MRT (Tabelle 5.4). Die Ergebnisse bei der Massenbestimmung stimmen weniger gut mit den MR-Vergleichsdaten überein als die linksventrikulären Volumina. Um zu möglichst aussagekräftigen Ergebnissen zu gelangen, wurden deshalb sowohl in Endsystole als auch in Enddiastole die myokardialen Massen bestimmt. Endsystolische und enddiastolische myokardiale Masse sollten prinzipiell eine gute Übereinstimmung zeigen, wobei für die Endsystole etwas grössere Werte zu erwarten gewesen wären als für die Enddiastole, da hier häufig noch die Trabekel mit einbezogen werden. Bei den endsystolischen Myokardmassen zeigte sich somit auch eine relativ gute Übereinstimmung mit den MR-Vergleichsdaten, was zum Teil auch durch den gleichen systematischen Fehler beider Methoden in der Systole [Seite 116↓]bedingt ist. Der Korrelationskoeffizient betrug r=0,79 bei Grenzen der Übereinstimmung von -45,1 und 39,4 g/m² und einem p-Wert < 0,001.

Für die enddiastolischen Massen liess sich mit einem Korrelationskoeffizienten von r=0,76 und Grenzen der Übereinstimmung von -38,3 und 36,3 g/m² bei einem p-Wert von 0,002 eine weniger gute Übereinstimmungen zwischen der 3D-Echo-Methode und der MR-Vergleichsmethode zeigen als bei den endsystolischen, also an kleineren absoluten Grössen, vorgenommenen Messungen. Auch hier scheint demnach neben dem limitierten Schallfenster der Abbildungsmassstab eine Rolle zu spielen. Des Weiteren ist neben der Erkennung der Endokardkontur auch die epikardiale Begrenzung, insbesondere die Abgrenzung zum direkt anliegenden Gewebe, mit der Echokardiographie schwieriger als mit der MRT [1, 137]. Bei der Erhebung der MR-Vergleichsdaten tritt dieses Problem ebenfalls zutage, die Kontraste liegen jedoch insgesamt deutlich über denen bei der Echokardiographie [42]. Es liegen für die 3D-Echokardiographie inzwischen jedoch Erfahrungen mit modernerer Hard- und Software vor, die eine bessere räumliche Auflösung und kürzere Messzeiten ermöglichen [155, 156]. Die dreidimensionale Echokardiographie ist für die spezielle Fragestellung der linksventrikulären Volumetrie und Massenbestimmung bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern, die mit ausgeprägten anatomischen Veränderungen der Herzstruktur einhergehen, eine aussagekräftige Methode, deren Ergebnisse mit denen der MR-Volumetrie und Massenbestimmung vergleichbar sind. Allerdings ist sie bei vielen Patienten aufgrund eines unzureichenden Schallfensters nur bedingt anwendbar und ein nach wie vor, auch im Vergleich zur kostenintensiveren MRT, ein relativ zeit- und arbeitsaufwendiges Verfahren, welches zudem in Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit stark von der Erfahrung des Untersuchers und der Qualität der aufgezeichneten Datensätze abhängt. Dies zeigte sich auch in einer schlechten Intraobservervariabilität von bis zu 18% bei der Bestimmung der endsystolischen Volumina. Somit bleibt die 3D-Echokardiographie zur Beurteilung der Ventrikelfunktion und Muskelmasse auch bei der Beurteilung des LV zur Zeit noch auf Patienten beschränkt, die gute Schallbedingungen und einen noch nicht zu grossen Ventrikel aufweisen.


Fußnoten und Endnoten

1 Mittlere Differenz +/- doppelte Standardabweichung der zu vergleichenden Messergebnisse

2 Mittelwert von Ausgangsdaten und Kontrollen

3 Jandel Scientific

4 Jandel Scientific



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22.09.2004