Nei giorni scorsi dopo aver parlato di cinematica cardiaca, attività elettrica del cuore e ciclo cardiaco e di torsione cardiaca ero passato ad illustrarvi quali fossero le tecniche di misurazione dei parametri principali relativi alla cinematica cardiaca, in particolare la la rotazione cardiaca.

In questo post avevo parlato delle tecniche invasive principali mentre oggi passerò ad elencare e spiegare i principi generali delle tecniche non invasive associate alla misurazione della torsione cardiaca.

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Tecniche Non Invasive

Tagged Magnetic Resonance Imaging 

Un primo sistema non invasivo di misura della cinematica cardiaca si basa su una tecnica di risonanza magnetica nucleare (MRI), detta “tagged MRI”. Questa tecnica è stata impiegata per valutare la rotazione cardiaca, con la limitazione dovuta ad una velocità di campionamento bassa ed una limitata accessibilità.

In generale il principio su cui si basa una tecnica MRI è quello dell’eco magnetico che gli elettroni presenti in un tessuto producono se eccitati da un impulso elettromagnetico. La risposta dell’eco tende a variare a seconda del tessuto eccitato e questo permette, tramite opportune elaborazioni, di convertire le informazioni prelevate tramite questo procedimento in un’immagine bidimensionale di una specifica sezione trasversale del tessuto, del corpo in esame. La tagged MRI consiste nell'etichettare (tags=etichette) porzioni di tessuto al fine di valutarne gli spostamenti.  Essa prevede l’eccitazione magnetica del tessuto cardiaco in modo da modulare l’intensità nello spazio con una forma a griglia la quale segna il tessuto temporaneamente.

Le etichette (tags) magnetiche sono piani equamente spaziati in cui è imposta una saturazione magnetica; questi piani marcano temporaneamente punti all’interno del tessuto. Le tags sono rappresentate nell’immagine MR come linee vuote, nere, create da impulsi di presaturazione inviati in maniera ordinata nello spazio. Le etichette sono ottenute tramite una serie di impulsi a radiofrequenza che individuano dei piani ben definiti del tessuto ortogonali al piano di acquisizione dell’immagine.

In pratica, per etichettare le porzioni di tessuto miocardico si utilizza una radiofrequenza di saturazione con cui si individua una griglia sulla porzione di cuore considerata. I protoni appartenenti alla griglia posseggono uno stato di magnetizzazione diverso rispetto allo stato di magnetizzazione delle zone non marcate. 

Prima che svanisca l’eccitazione magnetica, è possibile effettuare diversi rilevamenti ed analizzare come tali zone marcate (tags) si muovono nel tempo. 

L’osservazione della griglia e della sua distorsione permette la misura dei movimenti di allungamento/accorciamento, di espansione/contrazione e di rotazione delle porzioni di tessuto marcato ("tagged"). 

Nell’immagine MR le tags sono rappresentate come linee vuote, nere, create da impulsi di saturazione inviati con un certo ordine nello spazio . Le tags si muovono con il tessuto e rappresentano dei marker interni permettendo l’individuazione delle traiettoria dei punti solidali al tessuto.

La tagged MRI è il metodo non invasivo che garantisce in assoluto la massima risoluzione spaziale e la massima precisione, per cui viene spesso utilizzata come riferimento per confrontare i risultati ottenuti con altre metodiche. La risoluzione spaziale è determinata dalla spaziatura dei tags della griglia i quali sono equi-spaziati solitamente di qualche millimetro.  

Attualmente la tagged MRI è, dunque considerata la tecnica di riferimento per la quantificazione della torsione del ventricolo sinistro, soprattutto grazie ad una buona risoluzione spaziale ed un’ottima precisione. A questi vantaggi, tuttavia si contrappongono una ristrettissima risoluzione spaziale ed ad una enorme difficoltà nell’effettuare test di questo tipo su pazienti che versano in condizioni critiche, a causa della difficoltà nel trasporto e della lunghezza temporale dell’esame. L'utilizzo della tagged MRI è tuttavia limitato dai suoi elevati costi, dalla scarsa disponibilità di questa metodica, dalla relativa complessità della sua acquisizione e dall’analisi laboriosa delle immagini ricavate da questi studi di risonanza. 

Doppler Tissue Imaging

Con l’evoluzione delle tecniche ultrasonore, è stato possibile ottenere maggiori dettagli nella valutazione dello spostamento e della deformazione del miocardio.

Il Doppler Tissue Imaging (DTI) è un metodo non invasivo basato sull'utilizzo di ultrasuoni per valutare la cinematica cardiaca. Il principio generale su cui si basano le tecniche ecografiche è quello della riflessione (eco) che si produce quando il fronte d’onda sonico incontra un tessuto con densità diversa da quello in cui si sta propagando, e che rende possibile identificare dove finisce un tessuto e dove ne comincia un altro; diverse densità rifletteranno l’onda con intensità diverse. 

In particolare, il DTI è una metodica ecografica che sfrutta l’effetto Doppler per rilevare la velocità di allontanamento/avvicinamento delle pareti cardiache, rispetto al trasduttore ecografico. L’immagine ottenuta è quella della sezione creata dal piano su cui giace il trasduttore ecografico, quindi un’immagine bidimensionale, e può essere continuativa nel tempo fintanto che il trasduttore resta fisso nella posizione voluta. 

La DTI permette di ottenere informazioni dirette sulla velocità del tessuto, dunque per poter disporre di informazioni relative agli spostamenti cardiaci (circonferenziale, radiale, longitudinale e angolare) è necessario procedere ad un’integrazione matematica delle rispettive velocità.

Per l’analisi della velocità longitudinale il piano immagine sezionerà il cuore longitudinalmente procedendo dall’apice alla base ("long axis view"), mentre per l’analisi della velocità radiale il piano immagine sezionerà il cuore trasversalmente ("short axis view").

Il metodo DTI dà buoni risultati ritenuti affidabili e comprovati paragonandoli con quelli del tagged MRI, considerato il gold standard non è invasivo e quindi facilmente eseguibile anche su pazienti umani in modo rapido. Tuttavia, ha il limite di essere dipendente dalla posizione del trasduttore ecografico in quanto la velocità rilevata è solo quella di avvicinamento o di allontanamento dal trasduttore stesso, quindi la sola componente lungo al direzione in cui punta il trasduttore, per cui risulta impreciso se utilizzato per un’analisi continuativa nel tempo.  

Speckle Tracking Imaging

Una delle tecniche ecografiche più innovative utilizzate per lo studio della cinematica cardiaca è quella della Speckle Tracking Imaging (STI).  Tale tecnica si basa sul riconoscimento di motivi a macchia ("speckle") con specifiche caratteristiche di riflettività acustica, all’interno della parete miocardica rappresentata nell'immagine ecografica bidimensionale che vengono utilizzati come markers per seguire i movimenti e derivare le velocità delle pareti cardiache. 

Queste strutture "speckle" sono il risultato dell’interazione costruttiva e distruttiva degli ultrasuoni dispersi dopo l’urto con le strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda degli ultrasuoni. 

Grazie ad un particolare software, sarà possibile a valle del tracking valutare frame by frame il l'evolversi del cambiamento riuscendo a calcolare a quel punto parametri di interesse specifico quali:

• Deformazione, detta anche strain 
• Spostamento, detto anche displacement
• Velocità deformativa detta anche strain rate

Le immagini vengono acquisite tramite la tecnica”high” frame second harmonic B mode”, che consente di ottenere immagini ad elevata risoluzione. Il rumore random è filtrato da un algoritmo, il quale produce dei piccoli segmenti di miocardio con dei patterns di macchie stabili (chiamati kernels), composti approssimativamente da 2040 pixels per area[10]. Utilizzando un algoritmo di autocorrelazione, questi kernels sono tracciati frame dopo frame, provvedendo a fornire dei dati accurati sulla posizione e la velocità della regione del miocardio che si vuole analizzare. Utilizzare un’appropriata frequenza di campionamento è fondamentale. Una frequenza di campionamento troppo bassa potrebbe causare un movimento delle macchie al di là della zona di ricerca su frame successivi, mentre utilizzare una frequenza di campionamento troppo alta può portare a macchie che non si spostano neppure di un solo pixel tra i vari frame, generando instabilità matematica nell’algoritmo[9]. Negli studi condotti sull’uomo è stato riscontrato che si lavora bene con frequenze di campionamento comprese fra i 50 ed i 90 Hz. 

Le misure derivanti dalla STI sono state recentemente validate nei confronti del tagged MRI, mostrando un’elevata fattibilità e riproducibilità[5]. 

Tale confronto ha evidenziato risultati molto positivi quando si utilizza la Speckle Tracking Imaging per ottenere una misura della rotazione dell’apice o della base del ventricolo si fa una scrematura delle immagini acquisite selezionando quelle di migliore qualità dopodiché dall’immagine migliore si individua l’endocardio in cui viene selezionata la zona marcata, infine il computer con una procedura automatizzata seleziona gli oggetti da seguire  e li ricerca nelle immagini successive utilizzando un algoritmo di correlazione, il quale riesce a determinare le traiettorie poco probabili e ad eliminarle. Al termine di questi passaggi si individuano dei profili di rotazione e si effettua una derivazione della stessa in modo da determinare la velocità di rotazione del ventricolo sinistro. A differenza della tecnica TDI che fornisce informazioni relative alle velocità da cui si ottengono poi dati di spostamento e di deformazione, la STI fornisce direttamente dati di deformazione. 

L’assenza di angolo-dipendenza con il fascio ultrasonoro rende misurabile in tutti i segmenti miocardici (asse lungo apicale e asse corto parasternale) la deformazione longitudinale, radiale e circonferenziale. In particolare per ogni segmento analizzato è possibile ricavare l’informazione di deformazione contemporaneamente in due direzioni ortogonali (da cui la definizione di "2-Dimensional speckle tracking), mentre la tecnica TDI è una valutazione di tipo monodimensionale e permette il calcolo della deformazione lungo il fascio ultrasonoro attraverso la velocità. Altri vantaggi della STI sono la rapidità di esecuzione della misura, con possibilità di e la maggiore automaticità che riduce la variabilità intra- e inter-operatore.

 

Fonti e Bibliografia:

Burns A.T., McDonald I.G., Thomas J.D., MacIsaac A. and  Prior D. “Doin’the twist : new tools for an old concept of myocardial function, 2008. 

 Nikolic S.D., Yellin E.L., Dahm M., et al. “Relationship between diastolic shape (eccentricity) and passive elastic properties in canine left ventricle”, 1990. 

Nagel E., Stuber M., Burkhard B. , et al. “Cardiac rotation and relaxation in patients with aortic valve stenosis”,  2000. 

Buchalter M.B., Weiss J.L., Rogers W.J., et al. “Noninvasive quantification of left ventricular rotational deformation in normal humans using magnetic resonance imaging myocardial tagging”,  1990. 

 Bloechlinger S., Grander W., Bryner J.,Martin W. Dunser, “Left ventricular rotation: a neglected aspect of the cardiac cycle”, 2010. 

Notomi Y., Setser R.M., Shiota T., et al. “Assessment of left ventricular torsional deformation by Doppler tissue imaging: validation study with tagged magnetic resonance imaging”,  2005.  

Bohs L.N., Geiman B.J., Anderson M.E., et al.” Speckle tracking for multi-dimensional flow estimation”, 2000.