Technical aspects of aortic isthmus Doppler velocimetry in human fetuses

Aortan isthmus on aortan segmentti, joka sijaitsee vasemmanpuoleisen arteria subclavian alkulähdön ja ductus arteriosuksen ja laskevan aortan välisen liitoksen välillä. Synnytyksen jälkeisenä aikana, kun ductus arteriosus on sulkeutunut, se toimii ainoastaan verisuonikanavana, joka kuljettaa verta aortan kaaresta laskevaan aorttaan. Synnytystä edeltävän elämän aikana sillä on kuitenkin tärkeä rooli riittävän tasapainon ylläpitämisessä ylävartaloa (aivot mukaan luettuina) syöttävän brakiokefaalisen verenkierron ja alavartaloa ja istukkaa syöttävän subdiafragmaattisen verenkierron välillä1. Sikiön verenkierron samansuuntainen järjestys mahdollistaa oikean ja vasemman kammion epätasaisen ulostulon, koska istukan, keuhkojen ja alavartalon verisuoniresistanssit vaikuttavat pääasiassa oikeaan kammioon, kun taas ylävartalon vastus vaikuttaa pääasiassa vasempaan kammioon2. Fysiologisissa olosuhteissa ja ilman rakenteellisia kardiovaskulaarisia epämuodostumia, kuten vasemman sydämen hypoplastista oireyhtymää, kriittistä aorttastenoosia ja katkennutta aortan kaarta, virtaus aortan isthmussa on eteenpäin koko sydämen syklin ajan. Aortan isthmus-verenkierron määrä ja suunta määräytyvät yksittäisten kammioiden systolisen suorituskyvyn ja perifeeristen verisuoniresistanssien perusteella. Systolen aikana vasemman kammion ejektio helpottaa virtausta eteenpäin, kun taas oikean kammion ejektiolla on päinvastainen vaikutus. Diastolen aikana, kun kammiot eivät ponnista verta ja molemmat semilunaariset läpät ovat kiinni, veren virtaussuunta aortan isthmussa riippuu pääasiassa ylävartalon (aivot mukaan luettuina) ja alavartalon (istukka mukaan luettuna) verisuoniresistanssien välisestä suhteellisesta erosta1. Siksi olosuhteet, jotka johtavat oikean kammion jälkikuormituksen lisääntymiseen (esim. istukan vajaatoiminnasta johtuva kohdunsisäinen sikiön kasvun hidastuminen) tai vasemman kammion jälkikuormituksen vähenemiseen (esim. hypoksemia, aivoverisuonten aneurysmat, kaulan vaskulaariset kasvaimet), voivat aiheuttaa aortan isthmusverenvirtauksen kääntymisen diastolen aikana. Useissa lampaiden sikiöillä tehdyissä kokeellisissa tutkimuksissa3-6 on luotu patofysiologinen perusta aortan isthmusdoppler-nopeusmittauksen käytölle sikiön kardiovaskulaarisen dynamiikan arvioinnissa. Lisäksi kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että aortan isthmusverenkierron nopeuden aaltomuodon rekisteröinti on mahdollista ihmissikiöllä7-10, ja epänormaalin verenkierron mallin on osoitettu olevan yhteydessä sikiön verenkierron uudelleenjakautumiseen tai vaarantumiseen11-15. Viime aikoina on osoitettu, että aortan istumakohdan Doppler-verenkierron nopeusmittauksen avulla voidaan ennustaa perinataalista16 ja pitkäaikaista neurologista17 kehitystä istukan vajaatoiminnassa, ja aortan istumakohdan Doppler-verenkierron nopeusmittauksen rutiininomaista käyttöä on ehdotettu arvioitaessa sikiöitä, joilla on kohdunsisäinen kasvunvajaus18. On selvää, että joissakin asiantuntevissa keskuksissa käytetään aortan istumakohdan doppler-doppler-verenkierron nopeusmittausta muiden valtimo- ja laskimodoppler-parametrien lisäksi sikiön hemodynamiikan tutkimisessa, mutta havaitut tekniset vaikeudet ovat johtaneet epäilyksiin sen mahdollisuuksista laajempaan kliiniseen käyttöön. Tässä Ultrasound in Obstetrics and Gynecology -lehden numerossa julkaistu monikeskustutkimus aortan istumakohdan doppler-doppler-virtausnopeusmittauksen toteutettavuudesta ja luotettavuudesta19 osoitti, että huolimatta tämän verisuonisegmentin riittävästä visualisoinnista ja täsmällisestä tunnistamisesta kursorin asianmukainen sijoittaminen aortan istumakohdan verenvirtauksen virtausnopeuden aaltomuodon pulssi-doppler-kuulustelussa on edelleen haastavaa. Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa kliinikoille käytännön neuvoja siitä, miten aortan isthmusdoppler-verenvirtausnopeusmittauksia voidaan tehdä ihmisen sikiöllä.

Tänään, kun ultraäänikuvantamistekniikka on parantunut, asianmukaisesti koulutetut synnytyslääkärit ja sikiö-/perinataalikardiologit saavat sikiön sydämen ja suurten verisuonten vakionäkymiä ilman suuria vaikeuksia. Aortan isthmus voidaan tunnistaa helposti sekä pitkittäis- (kuva 1a-c) että poikkileikkausnäkymissä (kuva 1d), joita käytetään rutiininomaisesti sikiön kaikukardiografian aikana. Kun tämä verisuonisegmentti on tunnistettu, Doppler-verenkierron nopeusmittaus voidaan suorittaa missä tahansa kuvassa 1 esitetyistä näkymistä asettamalla Doppler-portti (kursori) sopivaan kohtaan ja pitämällä insonointikulma mahdollisimman pienenä. Vaikka Doppler-virtausnopeuden aaltomuodot voidaan saada käyttämällä B-moodikuvausta ja pulssidoppleria (kuva 1c), suositellaan väriohjattua pulssidoppler-kyselyä, koska se auttaa verisuonten tunnistamisessa ja näyttää verenkierron suunnan, mikä mahdollistaa kursorin optimaalisen sijoittamisen. Pulssiaaltoportin koko (näytemäärä) olisi säädettävä aortan isthmusin koon mukaan, joka riippuu sikiön gestationaalisesta iästä, jotta vältetään viereisten verisuonten signaalien tallentaminen. Veren virtausnopeuden aaltomuodot rekisteröidään sikiön lepotilan aikana.

Aortan isthmusin virtausnopeuden aaltomuodot, jotka on saatu jommastakummasta sonografiatasosta (pituussuuntaisesta aortan kaaren näkymästä tai kolmesta verisuonesta ja henkitorvesta otetusta näkymästä), ovat melko samankaltaisia (kuvio 2) ja toistettavissa9, 20. Kursorin tarkka paikannus voi olla yksinkertaisempaa pitkittäisnäkymässä, koska vasemmanpuoleisen solisvaltimon alkulähde on suhteellisen helpompi havaita tässä tasossa ja koska on vähemmän mahdollista saada veren virtausnopeuden aaltomuodot poikittaisesta aortan kaaresta kuin isthmusesta. Toisaalta voi olla yksinkertaisempaa, helpompaa ja vähemmän aikaa vievää ottaa kolme verisuonta ja henkitorvea pituussuuntaisen aortan kaaren sijaan.

Aortan isthmusen virtausnopeuden aaltomuodolla on tyypillinen muoto, ja se on useimmiten helposti tunnistettavissa. Sillä on nopea systolinen nousutahti (lyhyt kiihtyvyysaika), ja keskimääräiset systoliset huippunopeudet vaihtelevat noin 30 ja 100 cm/s välillä 11 viikosta terminaaliin10, 21. Tätä seuraa asteittaisempi nopeuden hidastuminen ja kapea incisura (useimmissa tapauksissa) systolen lopussa. Pieni virtauksen kääntyminen hyvin lyhyeksi ajaksi on yleensä nähtävissä systolen lopussa (kuva 3a) raskauden kolmannella kolmanneksella7, 8. Tätä lyhyttä loppusystolisen virtauksen kääntymistä ei kuitenkaan esiinny ennen 20. raskausviikkoa7, 21, ja se havaitaan harvemmin, kun aortan istumakohdan virtausnopeuden aaltomuodot saadaan poikkileikkauskuvantamistasossa (kolmen verisuonen ja henkitorven näkymä)10 . Verenvirtauksen kääntyminen diastolen aikana tai verenvirtauksen nettokääntyminen (eli retrogradinen kokonaisvirtaus > antegradinen kokonaisvirtaus sydämen syklin aikana) aortan isthmussa (kuva 3b) on aina epänormaalia.

Koska ductus arteriosus on lähellä aortan isthmusia (kuvat 1a ja d), hyvin pienetkin liikkeet voivat johtaa siihen, että aaltomuodot saadaan jommastakummasta verisuonen aaltomuodostelmasta pulssi-doppler-kuulustelun aikana (kuva 4). B-moodi- tai värivirtauskuvien usein toistuva päivittäminen voi olla tarpeen sen varmistamiseksi, että pulssiaaltoportti pysyy oikeassa asennossa Doppler-virtausnopeuden aaltomuotoja otettaessa. Yleisesti ottaen ductus arteriosuksen Doppler-aaltomuodot eroavat hieman aortan isthmusin aaltomuodoista (kuva 5). Raskausikäkohtaiset keskimääräiset systoliset huippunopeudet ductus arteriosuksessa ovat paljon suuremmat kuin aortan istumakohdan nopeudet, ja ne vaihtelevat välillä 40-120 cm/s 11 viikon iästä terminaaliin22-24. Itse asiassa ductus arteriosus on sikiön verenkierron suurin verenvirtausnopeus25. Toisin kuin aortan isthmusissa, ductus arteriosuksessa ei yleensä havaita virtauksen lyhyttä kääntymistä loppusystolessa, ja fysiologisissa olosuhteissa esiintyy lähes aina positiivisia diastolisia nopeuksia. Systolen aikainen eteenpäin suuntautuva virtaus alkaa ja saavuttaa huippunsa aortan isthmusissa aikaisemmin kuin ductus arteriosuksessa (kuvat 3 ja 6). Lampaiden sikiöillä tehdyt kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että oikean kammion pre-ejektiojakso on pidempi kuin vasemman kammion (57 vs. 48 ms)26 , ja ductus arteriosus -virtaus alkaa noin 48 ms myöhemmin kuin istmuksen virtaus, ja sen kiihtyvyysaika on pidempi (52 vs. 18 ms)27 . Toisinaan, erityisesti kun käytetään suurempaa näytemäärää, voidaan saada samanaikaisesti aortan isthmus- ja ductus arteriosus -verenkierron nopeuden aaltomuodot päällekkäin (kuva 6), jolloin suora vertailu sydämen syklin aikana on mahdollista ihmissikiöillä.

Aortan istmuksen tilavuusverenkiertoa (Qai) on mahdollista arvioida noninvasiivisesti21 mittaamalla sen halkaisija ja verenvirtausnopeudet: Qai (ml/min) = aikakeskiarvoistettu maksiminopeus (TAMXV, cm/s) × π(halkaisija/2, cm)2 × 60. Tilavuusvirtausmittausten rajoitusten ja monimutkaisuuden vuoksi kliiniseen käyttöön on kuitenkin ehdotettu useita muita indeksejä. Nämä indeksit eroavat toisistaan pääasiassa yhden periaatteen osalta: toiset käyttävät absoluuttisia nopeuksia laskennassaan, kun taas toiset käyttävät nopeus-aika-integraalia (VTI). Fouron ja muut7 ehdottivat alun perin niin sanottua tasapainoindeksiä eli (systolinen huippunopeus – loppudiastolinen nopeus/(antegradinen VTI – retrogradinen VTI), joka vastaa pulsatiliteetti-indeksiä (PI), kun käytetään absoluuttisia nopeuksia, sillä systolisen ja diastolisen VTI:n summa kerrottuna sikiön sydämen sykkeellä antaa TAMXV:n ja PI = (systolinen huippunopeus – loppudiastolinen nopeus)/TAMXV. Myöhemmin ehdotettiin istmaista virtausindeksiä (IFI) eli (systolinen VTI + diastolinen VTI)/systolinen VTI8 , mutta se ei ole saavuttanut suurta suosiota kliinikkojen keskuudessa. Perusteluna VTI:hen liittyvien indeksien käyttämiselle nopeuteen liittyvien indeksien sijasta on ollut oletus, että ne antavat parempaa tietoa verenvirtauksen määrästä ja suunnasta. Tämä oletus ei kuitenkaan pidä täysin paikkansa. Esimerkiksi TAMXV kuvastaa todennäköisesti tilavuusverenkiertoa, kuten muissakin verisuonissa28, 29, ja positiivinen TAMXV (tai PI) merkitsee, että veren nettovirtaus on sydänsyklin aikana antegradoitunut, kun taas negatiivinen arvo tarkoittaa, että nettovirtaus on retrogradoitunut samalla tavalla kuin antegradoituneen virtauksen VTI:n ja retrogradoituneen virtauksen VTI:n suhde >1 tai <1. Vastaavasti PI kuvastaa todennäköisesti myös käänteisvirtauskomponentin kokoa, jos se on olemassa, koska TAMXV (joka vastaa VTI:tä yhden sydänsyklin aikana × syketaajuus) on sen laskemiseen käytetyn kaavan nimittäjä.

Aortan isthmusverenkierron IFI voidaan jakaa viiteen eri tyyppiin8 seuraavasti: Tyyppi I: IFI > 1, kun virtaus on koko syklin ajan antegradinen; tyyppi II: IFI = 1, kun diastolinen virtaus puuttuu; tyyppi III: IFI = 0-1, kun diastolinen virtaus on kääntynyt, mutta nettovirtaus on edelleen antegradinen; tyyppi IV: IFI = 0, kun antegradinen ja retrogradinen virtaus ovat yhtä suuret; ja tyyppi V: IFI < 0, kun nettovirtaus on retrogradinen. Tärkeintä on kuitenkin se, onko diastolinen verenvirtaus käänteinen ja onko veren nettovirtaus retrogradinen, sillä nämä ovat merkkejä sikiön hemodynamiikan heikkenemisestä. Tässä yhteydessä normaalit ja epänormaalit aaltomuodot voidaan tunnistaa yksinkertaisella laadullisella (visuaalisella) arvioinnilla siten, että niissä on antegradinen diastolinen virtaus (IFI-arvot ≥ 1) ja retrogradinen diastolinen virtaus (IFI < 1). Aaltomuodon kuvioiden tarkempi luokittelu IFI:n avulla useampiin tyyppeihin ei näytä parantavan haitallisen perinataalituloksen ennustearvoa8.

Aortan istumakohdan retrogradinen diastolinen verenvirtaus merkitsee sikiön verenkierron uudelleenjakautumista, mikä viittaa pienempään ylävartalovastukseen (aivovastus) verrattuna alavartalovastukseen (istukkavastus), kun taas nettovirtauksen kääntyminen päinvastaiseksi viittaa siihen, että sikiöllä on vaikeuksia ylläpitää aivojen hapensaantia3. Puolikvantitatiivisten indeksien, kuten PI:n ja vastusindeksin (RI), tiedetään heijastavan alavirtaimpedanssia, ja ne on helppo laskea useimpien ultraäänilaitteiden mukana saatavien ohjelmistopakettien avulla. Aortan isthmus PI on suurentunut ja absoluuttiset nopeudet (erityisesti TAMXV) ovat pienentyneet kohdunsisäisen kasvun rajoittuneilla sikiöillä IFI-tyypistä riippumatta16. Lisäksi absoluuttiset nopeudet ovat kvantitatiivisia muuttujia, joita käytetään PI:n ja RI:n sekä tilavuusverenkierron laskennassa. Sen vuoksi absoluuttisten verinopeuksien ja PI:n käyttäminen IFI:n sijasta voi olla yksinkertaisempaa ja tarkoituksenmukaisempaa kliinisessä käytännössä. On kuitenkin tärkeää olla tietoinen siitä, että virtauksen lyhytaikainen kääntyminen loppusystolen aikana, joka on normaali löydös kolmannella kolmanneksella, voi antaa virheellisen korkeita PI-arvoja, jos PI lasketaan (maksiminopeus – miniminopeus)/TAMXV:nä eikä (systolinen huippunopeus – loppudiastolinen nopeus)/TAMXV:nä.

Muutokset aortan isthmusveren virtausnopeuden aaltomuodossa ilmenevät aikaisemmin kuin laskevassa aortassa11, napavaltimossa12 ja ductus venosuksessa15, 30. Istukan resistanssin lisääntymisen, joka aiheuttaa 50 prosentin vähenemisen napaverenkierrossa, on osoitettu olevan yhteydessä käänteiseen aortan istumakohdan diastoliseen verenkiertoon lampaiden sikiöillä, vaikka napavaltimon diastolinen verenkierto pysyi eteenpäin4. Sikiöillä, joilla napavaltimon12, 16, 17 tai ductus venosuksen15, 16 diastolinen loppuvirtaus puuttuu tai on käänteinen, näyttää johdonmukaisesti olevan retrogradinen diastolinen virtaus aortan isthmussa. Aortan isthmusveren virtausnopeusmittaus antaa tärkeää tietoa sikiön kardiovaskulaarisesta toiminnasta eli kammioiden yksilöllisestä suorituskyvystä, ylemmän (aivot mukaan luettuina) ja alemman (istukka mukaan luettuna) elimistön vastusten suhteellisista muutoksista ja sikiön hapenottokyvystä, ja siitä voi tulla arvokas kliininen väline. Koska tämä sikiön aortan segmentti on kuitenkin suhteellisen lyhyt ja koska sen välittömässä läheisyydessä on useita muita verisuonia, veren virtausnopeuden aaltomuotojen saaminen voi olla teknisesti haastavaa. Jotta aortan istumakohdan verenkierron mittaaminen ja tulkinta Doppler-ultraäänitutkimuksella olisi tarkkaa, on tärkeää, että operaattorit saavat riittävän koulutuksen aortan kaaren pituussuuntaisen standardinäkymän ja kolmen verisuonen ja henkitorven näkymän saamiseksi, aortan istumakohdan visualisoimiseksi ja tunnistamiseksi B-tilassa ja verenkierron suunnan tunnistamiseksi värivirtaustilassa, kursorin asianmukaisen sijoittelun toteuttamiseksi, aortan istumakohdan aaltomuodon kuvioiden tunnistamiseksi, samoin kuin myös muiden vierekkäisten verisuonten aaltomuodon kuvioiden tunnistamiseksi, ja että operaattoreilla on käsitys tekijöistä, jotka voivat vaikuttaa verenkiertoon sikiön verenkierron kyseisessä segmentissä.