Measurement of left ventricular deformation using 3D echocardiography

Abstract

Bakgrunn: 3D speckle tracking ekkokardiografi (STE) er en hjerteultralydmetode som gir mulighet for måling av deformasjonsparametere, som strain, rotasjon, tvist og torsjon. Den største begrensningen for 3D STE er lav tids- og romlig oppløsning. Økes den ene oppløsingen vil den andre bli redusert. I tillegg vil andre faktorer som antall flettede bilder, sektorstørrelse og dybde påvirke begge oppløsningene. Denne avhandlingen har hatt som mål å finne tilstander og opptaksinnstillinger for å optimalisere nøyaktigheten til 3D STE-parametere i et kontrollert miljø. Videre har det vært som mål å finne regional deformasjon fra 3D STE i en klinisk studie på pasienter med aortaklaffestenose (AS) ved bruk av optimaliserte innstillinger.

Materiale og metode: Studie 1 og 2 utforsket nøyaktigheten til 3D STE ved bruk av et in vitro-oppsett med et fantom av venstre ventrikkel. Studie 1 sammenlignet 3D STE strain mot sonomikromertri som gullstandard i longitudinell, sirkumferensiell og radiell retning. Ved å bruke et annet fantom i studie 2 ble 3D STE tvist sammenlignet mot sonomikrometri tvist for å finne nøyaktigheten til 3D STE tvistmålinger. Studie 3 inkluderte 85 pasienter med variabel grad av AS i en tverrsnittstudie. 3D ekkokardiografi ble utført og 3D STE-parametere ble sammenlignet mellom grupper av pasienter med mild, moderat og alvorlig AS.

Resultater: Studie 1 fant godt samsvar mellom 3D STE og sonomikrometri med optimalt volum rate på 36,6 volumer per sekund (VPS) ved bruk av 6 sammenflettede bilder. I studie 2 hadde 3D STE godt samsvar ved bruk av både 4 og 6 sammenflettede bilder med volum rater på henholdsvis 20,3 og 17,1 VPS. Studie 3 fant lavere global longitudinal strain i pasienter med alvorlig AS sammenlignet med mild AS. Basal og midtre longitudinal strain var også lavere i alvorlig sammenlignet med mild AS. Apikal-basal ratio var høyere for moderat i forhold til mild AS. Maks apikal-basal tvist var høyere hos pasienter med alvorlig sammenlignet med mild og moderat AS.

Konklusjon: Måling av venstre ventrikkelfunksjon med 3D STE er mest nøyaktig med volum rater < 40 VPS. Høy romlig oppløsning virker å være mer viktig enn tidsoppløsning. Pasienter med alvorlig AS har lavere global, basal og midtre longitudinal strain enn pasienter med mild AS, ved bruk av 3D STE. De har også høyere tvist enn mild og moderat AS. Områder som involverer apeks, har høyere spredning av data og har antagelig lavere nøyaktighet ved bruk av 3D STE.

Background: 3D speckle tracking echocardiography (STE) enables measurement of multiple parameters of deformation, such as strain, rotation, twist and torsion. The main limitation of 3D STE is low temporal and spatial resolution. Increasing resolution in time will decrease resolution in space, and vice versa. In addition, other factors such as number of stitched images, sector size and depth, influence the resolution. This thesis aimed to find conditions and acquisition settings to optimize accuracy for 3D STE parameters in a controlled in vitro environment. Secondly, it aimed to evaluate regional deformation by 3D STE in a clinical study on patients with aortic valve stenosis (AS) using optimized settings.

Materials and methods: Study 1 and 2 explored the accuracy of 3D STE using an in vitro setup with a left ventricle (LV) phantom. Study 1 compared 3D STE strain to strain by sonomicrometry as the gold standard. Measurements were compared in both longitudinal, circumferential and radial direction. Using a different twisting phantom in study 2, 3D STE twist was compared to twist by sonomicrometry to evaluate the accuracy of 3D STE twist. Study 3 was a cross-sectional analysis of 85 patients with variable degree of AS in a cross-sectional study. 3D echocardiography was done, and 3D STE parameters were compared between groups of patients with mild, moderate and severe AS.

Results: Study 1 found 3D STE strain to have good agreement with sonomicrometry. Optimal acquisition settings were found to be volume rate 36.6 volumes per second (VPS) obtained by 6 stitched images. Study 2 found 3D STE twist to have good agreement with sonomicrometry when using both 4 and 6 stitched images with volume rates 20.3 and 17.1 VPS, respectively. Study 3 found global longitudinal strain to be lower in patients with severe AS compared to those with mild AS. Basal and mid longitudinal strains were also lower in severe AS than in mild AS. Apical basal ratio was higher for moderate than mild AS. Peak apical-basal twist was higher in patients with severe AS than in those with mild and moderate AS.

Conclusion: Assessment of LV function by 3D STE is most accurate at volume rates < 40 VPS. High spatial resolution seems to be more important than temporal resolution. Patients with severe AS have lower global, as well as lower regional basal and mid longitudinal strain compared to patients with mild AS, assessed with 3D STE. They also have higher twist than mild and moderate AS. Segments involving the apex have high dispersion and probably lower accuracy in 3D STE.