Technische Aspekte der Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie bei menschlichen Föten

Der Aortenisthmus ist das Segment der Aorta, das sich zwischen dem Ursprung der linken Arteria subclavia und der Verbindung des Ductus arteriosus mit der absteigenden Aorta befindet. In der postnatalen Phase nach dem Verschluss des Ductus arteriosus dient er nur als Gefäßleitung, die das Blut vom Aortenbogen in die absteigende Aorta transportiert. Während des pränatalen Lebens spielt er jedoch eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines angemessenen Gleichgewichts zwischen dem brachiozephalen Kreislauf, der den Oberkörper (einschließlich des Gehirns) versorgt, und dem subdiaphragmatischen Kreislauf, der den Unterkörper und die Plazenta versorgt1. Die parallele Anordnung des fetalen Kreislaufs ermöglicht eine ungleiche rechts- und linksventrikuläre Leistung, da der plazentare, pulmonale und untere Körpergefäßwiderstand hauptsächlich auf den rechten Ventrikel wirkt, während der Oberkörperwiderstand hauptsächlich auf den linken Ventrikel wirkt2. Unter physiologischen Bedingungen und bei Fehlen struktureller kardiovaskulärer Fehlbildungen wie hypoplastischem Linksherzsyndrom, kritischer Aortenstenose und unterbrochenem Aortenbogen ist der Fluss im Aortenisthmus während des gesamten Herzzyklus vorwärts gerichtet. Das Volumen und die Richtung des Blutflusses im Aortenisthmus werden durch die systolische Leistung der einzelnen Ventrikel und die peripheren Gefäßwiderstände bestimmt. Während der Systole begünstigt der Auswurf des linken Ventrikels den Vorwärtsfluss, während der Auswurf des rechten Ventrikels das Gegenteil bewirkt. Während der Diastole, wenn die Ventrikel kein Blut ausstoßen und beide semilunaren Klappen geschlossen sind, hängt die Richtung des Blutflusses im Aortenisthmus hauptsächlich von der relativen Differenz zwischen den Gefäßwiderständen des oberen Körpers (einschließlich Gehirn) und des unteren Körpers (einschließlich Plazenta) ab1. Daher können Bedingungen, die zu einer erhöhten rechtsventrikulären Nachlast (z. B. intrauterine fetale Wachstumsrestriktion aufgrund von Plazentainsuffizienz) oder einer reduzierten linksventrikulären Nachlast (z. B. Hypoxämie, zerebrovaskuläre Aneurysmen, vaskuläre Tumore des Halses) führen, eine Umkehrung des Blutflusses im Aortenisthmus während der Diastole verursachen. Mehrere experimentelle Studien an Schafsföten3-6 haben die pathophysiologische Grundlage für den Einsatz der Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie bei der Beurteilung der fetalen kardiovaskulären Dynamik geschaffen. Darüber hinaus haben klinische Studien gezeigt, dass die Aufzeichnung der Blutflussgeschwindigkeit des Aortenisthmus beim menschlichen Fötus möglich ist7-10, und es hat sich gezeigt, dass abnormale Blutflussmuster mit einer fetalen Kreislaufumverteilung oder -beeinträchtigung einhergehen11-15. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie perinatale16 und langfristige neurologische Entwicklungsergebnisse17 bei Plazentainsuffizienz vorhersagen kann, und die routinemäßige Verwendung der Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie wurde bei der Beurteilung von Föten mit intrauteriner Wachstumsrestriktion vorgeschlagen18. Offensichtlich verwenden einige Zentren mit Fachwissen die Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie zusätzlich zu anderen arteriellen und venösen Doppler-Parametern bei der Untersuchung der fetalen Hämodynamik, aber die wahrgenommenen technischen Schwierigkeiten haben zu einer gewissen Skepsis hinsichtlich ihres Potenzials für eine breitere klinische Anwendung geführt. Eine multizentrische Studie zur Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit der Aortenisthmus-Doppler-Velocimetrie, die in dieser Ausgabe von Ultrasound in Obstetrics and Gynecology19 veröffentlicht wurde, hat gezeigt, dass trotz adäquater Visualisierung und genauer Identifizierung dieses Gefäßsegments die geeignete Cursorplatzierung für die gepulste Dopplerabfrage der Blutflussgeschwindigkeit im Aortenisthmus eine Herausforderung bleibt. Der Zweck dieses Artikels ist es, einige praktische Ratschläge für Kliniker zu geben, wie die Aortenisthmus-Doppler-Blutfluss-Velocimetrie beim menschlichen Fötus durchzuführen ist.

Heutzutage können entsprechend geschulte Geburtshelfer und fetale/perinatale Kardiologen dank verbesserter Ultraschallbildgebung Standardansichten des fetalen Herzens und der großen Gefäße ohne große Schwierigkeiten erhalten. Der Aortenisthmus lässt sich sowohl in der Längsschnitt- (Abbildung 1a-c) als auch in der Querschnittdarstellung (Abbildung 1d), die routinemäßig bei der fetalen Echokardiographie verwendet werden, leicht identifizieren. Sobald dieses Gefäßsegment identifiziert ist, kann die Doppler-Velocimetrie in jeder der in Abbildung 1 gezeigten Ansichten durchgeführt werden, indem das Doppler-Gate (Cursor) an der entsprechenden Stelle platziert und der Insonationswinkel so niedrig wie möglich gehalten wird. Obwohl Doppler-Flussgeschwindigkeitswellenformen mit B-Mode-Bildgebung und gepulstem Doppler (Abbildung 1c) erhalten werden können, wird eine farbgerichtete gepulste Doppler-Abfrage empfohlen, da sie bei der Identifizierung der Gefäße hilft und die Richtung des Blutflusses zeigt, was eine optimale Positionierung des Cursors ermöglicht. Die Größe des gepulsten Gates (Probenvolumen) sollte an die Größe des Aortenisthmus angepasst werden, die vom fetalen Gestationsalter abhängt, um die Aufzeichnung von Signalen aus den benachbarten Gefäßen zu vermeiden. Die Wellenformen der Blutflussgeschwindigkeit werden während der fetalen Ruhephase aufgezeichnet.

Die Strömungsgeschwindigkeitsverläufe des Aortenisthmus, die aus beiden sonographischen Ebenen (longitudinale Ansicht des Aortenbogens oder Ansicht der drei Gefäße und der Trachea) gewonnen werden, sind recht ähnlich (Abbildung 2) und reproduzierbar9, 20. Die genaue Positionierung des Cursors kann in der longitudinalen Ansicht einfacher sein, da der Ursprung der linken Arteria subclavia in dieser Ebene relativ leicht zu erkennen ist und es weniger Möglichkeiten gibt, Wellenformen der Blutflussgeschwindigkeit aus dem transversalen Aortenbogen statt aus dem Isthmus zu erhalten. Andererseits kann es einfacher, leichter und weniger zeitaufwendig sein, die Ansicht der drei Gefäße und der Trachea zu erhalten als die Ansicht des länglichen Aortenbogens.

Die Flussgeschwindigkeitswellenform des Aortenisthmus hat eine typische Form und ist in den meisten Fällen leicht zu erkennen. Sie hat einen schnellen systolischen Aufwärtshub (kurze Beschleunigungszeit) mit mittleren systolischen Spitzengeschwindigkeiten zwischen ca. 30 und 100 cm/s von 11 Wochen bis zur Geburt10, 21. Darauf folgt eine allmähliche Verlangsamung der Geschwindigkeit und eine schmale Incisura (in den meisten Fällen) am Ende der Systole. Im dritten Schwangerschaftsdrittel wird in der Regel am Ende der Systole für einen sehr kurzen Zeitraum eine kleine Flussumkehr beobachtet (Abbildung 3a)7, 8. Diese kurze endsystolische Flussumkehr ist jedoch vor der 20. Schwangerschaftswoche nicht vorhanden7, 21 und wird seltener aufgezeichnet, wenn die Flussgeschwindigkeitswellenformen des Aortenisthmus in der Querschnittsebene (Ansicht der drei Gefäße und der Trachea) ermittelt werden10. Die Umkehrung des Blutflusses während der Diastole oder die Nettoblutflussumkehrung (d. h. der gesamte retrograde Fluss > der gesamte antegrade Fluss während des Herzzyklus) im Aortenisthmus (Abbildung 3b) ist immer abnormal.

Da sich der Ductus arteriosus in unmittelbarer Nähe des Aortenisthmus befindet (Abbildung 1a und d), können selbst sehr kleine Bewegungen dazu führen, dass die Wellenformen während der gepulsten Dopplerabfrage von dem einen oder dem anderen Gefäß stammen (Abbildung 4). Eine häufige Aktualisierung der B-Mode- oder Farbflussbilder kann erforderlich sein, um sicherzustellen, dass das Impulstor während der Erfassung der Doppler-Flussgeschwindigkeitswellenformen in der richtigen Position bleibt. Im Allgemeinen unterscheiden sich die Doppler-Wellenformen des Ductus arteriosus leicht von denen des Aortenisthmus (Abbildung 5). Gestationsalterspezifische mittlere systolische Spitzengeschwindigkeiten des Ductus arteriosus sind viel höher als die des Aortenisthmus und liegen zwischen 40 und 120 cm/s von 11 Wochen bis zur Geburt22-24. Tatsächlich weist der Ductus arteriosus die höchsten Blutflussgeschwindigkeiten im fetalen Kreislauf auf25. Im Gegensatz zum Aortenisthmus ist die kurze Flussumkehr am Ende der Systole im Ductus arteriosus normalerweise nicht zu beobachten, und positive diastolische Geschwindigkeiten sind unter physiologischen Bedingungen fast immer vorhanden. Der Vorwärtsfluss während der Systole beginnt und erreicht seinen Höhepunkt im Aortenisthmus früher als im Ductus arteriosus (Abbildungen 3 und 6). Experimentelle Studien an Schafsföten haben gezeigt, dass die Prä-Ejektionszeit des rechten Ventrikels länger ist als die des linken (57 vs. 48 ms)26, und der duktale Fluss beginnt etwa 48 ms später als der isthmische Fluss und hat eine längere Beschleunigungszeit (52 vs. 18 ms)27. Gelegentlich, insbesondere bei der Abfrage eines größeren Probenvolumens, kann man gleichzeitig Wellenformen der Blutflussgeschwindigkeit des Aortenisthmus und des Ductus arteriosus erhalten, die sich gegenseitig überlagern (Abbildung 6), was einen direkten Vergleich während des Herzzyklus bei menschlichen Föten ermöglicht.

Der Volumenblutfluss (Qai) des Aortenisthmus kann nichtinvasiv21 durch Messung des Durchmessers und der Blutflussgeschwindigkeiten geschätzt werden: Qai (in mL/min) = zeitgemittelte maximale Geschwindigkeit (TAMXV, in cm/s) × π(Durchmesser/2, in cm)2 × 60. Aufgrund der Einschränkungen und der Komplexität von Volumenstrommessungen wurden jedoch mehrere andere Indizes für die klinische Anwendung vorgeschlagen. Diese Indizes unterscheiden sich im Wesentlichen in einem Prinzip: Einige verwenden bei ihrer Berechnung absolute Geschwindigkeiten, während andere das Geschwindigkeits-Zeit-Integral (VTI) verwenden. Fouron et al.7 schlugen ursprünglich einen so genannten Gleichgewichtsindex vor, d.h. (systolische Spitzengeschwindigkeit – enddiastolische Geschwindigkeit/(antegrade VTI – retrograde VTI), der dem Pulsatilitätsindex (PI) entspricht, wenn absolute Geschwindigkeiten verwendet werden, da die Summe der systolischen und diastolischen VTI multipliziert mit der fetalen Herzfrequenz TAMXV ergibt und PI = (systolische Spitzengeschwindigkeit – enddiastolische Geschwindigkeit)/TAMXV. Ein Index des isthmischen Flusses (IFI), d.h. (systolischer VTI + diastolischer VTI)/systolischer VTI, wurde später vorgeschlagen8, hat aber unter Klinikern keine große Popularität erlangt. Das Argument für die Verwendung von VTI-bezogenen Indizes anstelle von geschwindigkeitsbezogenen Indizes war die Annahme, dass sie bessere Informationen über das Volumen und die Richtung des Blutflusses liefern. Diese Annahme ist jedoch nicht ganz zutreffend. So spiegelt TAMXV wahrscheinlich den Volumenblutfluss wider, wie dies auch bei anderen Gefäßen der Fall ist28, 29, und ein positiver TAMXV (oder PI) bedeutet, dass der Nettoblutfluss während des Herzzyklus antegrad ist, während ein negativer Wert bedeutet, dass der Nettoblutfluss retrograd ist, ebenso wie ein Verhältnis VTI des antegraden Flusses/VTI des retrograden Flusses von >1 oder <1. In ähnlicher Weise spiegelt PI wahrscheinlich auch die Größe der retrograden Flusskomponente wider, wenn sie vorhanden ist, da TAMXV (entspricht VTI über einen Herzzyklus × Herzfrequenz) der Nenner in der Formel ist, die für seine Berechnung verwendet wird.

Die IFI für den Blutfluss im Aortenisthmus kann wie folgt in fünf verschiedene Typen8 unterteilt werden: Typ I: IFI > 1, wenn der Fluss während des gesamten Herzzyklus antegrad ist; Typ II: IFI = 1, wenn der diastolische Fluss fehlt; Typ III: IFI = 0-1, wenn der diastolische Fluss umgekehrt ist, der Nettofluss aber immer noch antegrad ist; Typ IV: IFI = 0, wenn der antegrade und der retrograde Fluss gleich sind; und Typ V: IFI < 0, wenn der Nettofluss retrograd ist. Entscheidend ist jedoch, ob der diastolische Blutfluss umgekehrt und der Nettoblutfluss retrograd ist, da dies die Anzeichen für eine beeinträchtigte fetale Hämodynamik sind. In diesem Zusammenhang können normale und abnormale Wellenformen durch einfache qualitative (visuelle) Beurteilung als solche mit antegradem diastolischem Fluss (IFI-Werte ≥ 1) bzw. solche mit retrogradem diastolischem Fluss (IFI < 1) identifiziert werden. Eine weitere Klassifizierung der Wellenformmuster unter Verwendung des IFI in weitere Typen scheint den Vorhersagewert für ein ungünstiges perinatales Ergebnis nicht zu verbessern8.

Der retrograde diastolische Blutfluss im Aortenisthmus bedeutet eine Umverteilung des fetalen Kreislaufs, was auf einen geringeren Widerstand im oberen Körperbereich (zerebral) im Vergleich zum unteren Körperbereich (Plazenta) hinweist, während die Umkehrung des Nettodurchblutungsflusses darauf hinweist, dass der Fötus Probleme mit der Aufrechterhaltung der zerebralen Oxygenierung hat3. Semiquantitative Indizes wie der PI und der Widerstandsindex (RI) spiegeln bekanntermaßen die stromabwärts gerichtete Impedanz wider und lassen sich mit Softwarepaketen, die mit den meisten Ultraschallgeräten erhältlich sind, leicht berechnen. Der PI des Aortenisthmus ist erhöht und die absoluten Geschwindigkeiten (insbesondere die TAMXV) sind bei Föten mit intrauteriner Wachstumseinschränkung unabhängig vom IFI-Typ reduziert16. Darüber hinaus sind absolute Geschwindigkeiten quantitative Variablen, die bei der Berechnung von PI und RI sowie des Volumenblutflusses verwendet werden. Daher kann die Verwendung absoluter Blutgeschwindigkeiten und des PI anstelle des IFI in der klinischen Praxis einfacher und angemessener sein. Es ist jedoch wichtig, sich der Tatsache bewusst zu sein, dass die kurze Umkehrung des Flusses während der Endsystole, die ein normaler Befund im dritten Trimester ist, zu falsch hohen PI-Werten führen kann, wenn man den PI als (maximale Geschwindigkeit – minimale Geschwindigkeit)/TAMXV und nicht als (systolische Spitzengeschwindigkeit – enddiastolische Geschwindigkeit)/TAMXV berechnet.

Änderungen in der Wellenform der Blutflussgeschwindigkeit im Aortenisthmus sind früher erkennbar als in der absteigenden Aorta11, der Nabelarterie12 und dem Ductus venosus15, 30. Eine Erhöhung des Plazentawiderstands, die zu einer 50 %igen Verringerung des umbilikalen Blutflusses führt, wurde bei Schafsfeten mit einem umgekehrten diastolischen Blutfluss im Aortenisthmus in Verbindung gebracht, obwohl der diastolische Blutfluss in der Nabelarterie vorwärts gerichtet blieb4. Föten mit fehlendem/umgekehrtem enddiastolischen Fluss in der Nabelarterie12, 16, 17 oder im Ductus venosus15, 16 scheinen durchweg einen retrograden diastolischen Fluss im Aortenisthmus zu haben. Die Velocimetrie des Aortenisthmus-Blutflusses liefert wichtige Informationen über die fetale kardiovaskuläre Funktion, d.h. über die individuelle Leistung der Ventrikel, die relativen Veränderungen des oberen (einschließlich des Gehirns) und unteren (einschließlich der Plazenta) Körperwiderstandes und die fetale Oxygenierung, und hat das Potenzial, ein wertvolles klinisches Instrument zu werden. Da dieses Segment der fetalen Aorta jedoch relativ kurz ist und sich mehrere andere Blutgefäße in unmittelbarer Nähe befinden, kann die Erfassung von Wellenformen der Blutflussgeschwindigkeit eine technische Herausforderung darstellen. Für eine genaue Messung und Interpretation des Blutflusses im Aortenisthmus mittels Doppler-Ultraschall ist es wichtig, dass die Bediener eine angemessene Schulung erhalten, um die standardmäßige longitudinale Ansicht des Aortenbogens und die Ansicht der drei Gefäße und der Luftröhre zu erhalten, den Aortenisthmus im B-Modus zu visualisieren und zu erkennen und die Richtung des Blutflusses im Farbflussmodus zu erkennen, den Cursor richtig zu platzieren, die Wellenformmuster des Aortenisthmus sowie anderer benachbarter Gefäße zu erkennen und die Faktoren zu verstehen, die den Blutfluss in diesem Segment des fetalen Kreislaufs beeinflussen können.