Technische aspecten van aorta isthmus Doppler velocimetrie bij menselijke foetussen

De aorta isthmus is het segment van de aorta gelegen tussen de oorsprong van de linker subclavian arterie en de aansluiting van de ductus arteriosus op de descenderende aorta. In de postnatale periode na de sluiting van de ductus arteriosus fungeert het alleen als een vasculair kanaal dat bloed van de aortaboog naar de neergaande aorta transporteert. Tijdens de prenatale periode speelt de ductus arteriosus echter een belangrijke rol bij het handhaven van een goed evenwicht tussen de brachiocephale circulatie die het bovenlichaam (met inbegrip van de hersenen) van bloed voorziet en de subdiaphragmatische circulatie die het onderlichaam en de placenta van bloed voorziet1. De parallelle opstelling van de foetale circulatie maakt ongelijke rechter- en linker ventriculaire output mogelijk, aangezien de placenta-, pulmonale en lagere vasculaire weerstanden voornamelijk op de rechter ventrikel werken, terwijl de weerstanden van het bovenlichaam voornamelijk op de linker ventrikel werken2. Onder fysiologische omstandigheden en bij afwezigheid van structurele cardiovasculaire misvormingen, zoals hypoplastisch linkerhartsyndroom, kritieke aortastenose en onderbroken aortaboog, is de stroming in de isthmus van de aorta voorwaarts gedurende de gehele hartcyclus. Het volume en de richting van de bloedstroom in de isthmus aortae worden bepaald door de systolische werking van de afzonderlijke ventrikels en de perifere vasculaire weerstanden. Tijdens de systole vergemakkelijkt de linker ventrikeluitstoot de voorwaartse stroming, terwijl de rechter ventrikeluitstoot het tegenovergestelde effect heeft. Tijdens de diastole, wanneer de ventrikels geen bloed uitwerpen en beide semilunaire kleppen gesloten zijn, hangt de richting van de bloedstroom in de isthmus van de aorta hoofdzakelijk af van het relatieve verschil tussen de vaatweerstanden van het bovenlichaam (met inbegrip van de hersenen) en het onderlichaam (met inbegrip van de placenta)1. Daarom kunnen omstandigheden die leiden tot een verhoogde rechterventrikelnadruk (bv. intra-uteriene foetale groeibeperking door placenta-insufficiëntie) of een verlaagde linkerventrikelnadruk (bv. hypoxemie, cerebrovasculaire aneurysma’s, vasculaire tumoren van de hals) een omkering van de aorta isthmus-bloedstroom tijdens de diastole veroorzaken. Verschillende experimentele studies bij schapenfoetussen3-6 hebben de pathofysiologische basis gelegd voor het gebruik van Doppler-snelheidsmetrie van de isthmus aortae bij de evaluatie van de cardiovasculaire dynamiek van de foetus. Bovendien hebben klinische studies de haalbaarheid aangetoond van het registreren van aorta isthmus bloedstroomsnelheid golfvorm bij de menselijke foetus7-10, en abnormale bloedstroming patroon is aangetoond dat geassocieerd wordt met foetale circulatoire herverdeling of compromis11-15. Onlangs is aangetoond dat Doppler-snelheidsmetingen van de aortastreng de perinatale16 en neurologische17 ontwikkelingsresultaten op lange termijn bij placenta-insufficiëntie kunnen voorspellen, en het routinematige gebruik van Doppler-snelheidsmetingen van de aortastreng is voorgesteld bij de evaluatie van foetussen met intra-uteriene groeirestrictie18. Het is duidelijk dat sommige centra met expertise gebruik maken van aorta isthmus Doppler velocimetrie naast andere arteriële en veneuze Doppler parameters in het onderzoek van foetale hemodynamica, maar de waargenomen technische moeilijkheden hebben geleid tot enige scepsis met betrekking tot het potentieel voor bredere klinische toepassing. Een multicenter studie over de haalbaarheid en betrouwbaarheid van aorta isthmus Doppler velocimetrie, gepubliceerd in dit nummer van Ultrasound in Obstetrics and Gynecology19 , toonde aan dat, ondanks adequate visualisatie en accurate identificatie van dit vasculaire segment, geschikte plaatsing van de cursor voor pulsed-wave Doppler ondervraging van aorta isthmus bloedstroomsnelheidsgolfvormen een uitdaging blijft. Het doel van dit artikel is om enkele praktische adviezen te geven aan clinici over hoe de aorta isthmus Doppler bloedstroom velocimetrie uit te voeren bij de menselijke foetus.

Heden ten dage, met verbeterde echografische beeldvormingstechnologie, verkrijgen goed opgeleide verloskundigen en foetale/perinatale cardiologen zonder veel moeite standaardbeelden van het foetale hart en de grote vaten. De aorta isthmus kan gemakkelijk worden geïdentificeerd in zowel de longitudinale (figuur 1a-c) en cross-sectionele (figuur 1d) standpunten die routinematig worden gebruikt tijdens foetale echocardiografie. Zodra deze vasculaire segment is geïdentificeerd, kan Doppler velocimetrie worden uitgevoerd in een van de standpunten getoond in figuur 1 door het plaatsen van de Doppler poort (cursor) op de juiste locatie, het houden van de hoek van insonatie zo laag mogelijk. Hoewel Doppler stroomsnelheidsgolfvormen kunnen worden verkregen met behulp van B-mode beeldvorming en pulsed-wave Doppler (figuur 1c), wordt kleurgerichte pulsed-wave Doppler-ondervraging aanbevolen, aangezien dit helpt bij de identificatie van de bloedvaten en de richting van de bloedstroom aangeeft, waardoor een optimale plaatsing van de cursor mogelijk wordt. De grootte van de pulsgolven (monstervolume) moet worden aangepast aan de grootte van de isthmus aortae, die afhangt van de zwangerschapsduur van de foetus, om te voorkomen dat signalen van de aangrenzende vaten worden geregistreerd. De golfvormen van de bloedstroomsnelheid worden geregistreerd tijdens de rustperiode van de foetus.

De aorta isthmus stroomsnelheid golfvormen verkregen uit een van de sonografische vlakken (longitudinale aortaboog weergave of drie vaten en luchtpijp weergave) zijn vrij vergelijkbaar (figuur 2) en reproduceerbaar 9, 20. Nauwkeurige positionering van de cursor kan eenvoudiger zijn in de longitudinale weergave, zoals de oorsprong van de linker subclavian arterie is relatief gemakkelijker te visualiseren in dit vlak en er is minder kans op het verkrijgen van de bloedstroom velocity golfvormen van de transversale aortaboog in plaats van de isthmus. Anderzijds kan het eenvoudiger, gemakkelijker en minder tijdrovend zijn om de drie vaten en de luchtpijp te bekijken in plaats van de longitudinale aortaboog te bekijken.

De aorta isthmus stroomsnelheid golfvorm heeft een typische vorm en is gemakkelijk te herkennen in de meeste gevallen. Het heeft een snelle systolische opgaande slag (korte acceleratietijd), met gemiddelde systolische pieksnelheden tussen ongeveer 30 en 100 cm/s vanaf 11 weken tot het einde van de zwangerschap10, 21 . Dit wordt gevolgd door een meer geleidelijke vertraging van de snelheid en een smalle incisura (in de meeste gevallen) aan het einde van de systole. Een kleine omkering van de stroomsnelheid gedurende een zeer korte periode wordt gewoonlijk gezien aan het eind van de systole (figuur 3a) in het derde trimester van de zwangerschap7, 8. Deze korte omkering van de end-systolische stroom is echter afwezig vóór 20 weken7, 21 en wordt minder vaak geregistreerd wanneer de stroomsnelheidsgolfvormen van de isthmus aortae worden verkregen in het dwarsdoorsnede-beeldvormingsvlak (drie vaten en trachea-aanzicht)10. Omkering van de bloedstroom tijdens de diastole of netto omkering van de bloedstroom (d.w.z. totale retrograde stroom > totale antegrade stroom tijdens de hartcyclus) in de isthmus aortae (figuur 3b) is altijd abnormaal.

Aangezien de ductus arteriosus in de nabijheid van de aorta isthmus (figuur 1a en d), kan zelfs zeer kleine bewegingen leiden tot de golfvormen worden verkregen van een of het andere schip tijdens pulsed-wave Doppler ondervraging (figuur 4). Regelmatig bijwerken van de B-mode of de kleurenbeelden kan nodig zijn om ervoor te zorgen dat de pulsed-wave gate in de juiste positie blijft tijdens de verwerving van Doppler stroomsnelheidsgolfvormen. In het algemeen verschillen de Doppler-golfvormen van de ductus arteriosus enigszins van die van de isthmus aortae (figuur 5). De gemiddelde systolische pieksnelheden van de ductus arteriosus zijn veel hoger dan die van de isthmus aortae, variërend van 40 tot 120 cm/s vanaf 11 weken tot het einde van de zwangerschap22-24. In feite heeft de ductus arteriosus de hoogste bloedstroomsnelheden in de foetale circulatie25. In tegenstelling tot de isthmus aortae wordt de korte omkering van de stroming aan het einde van de systole gewoonlijk niet gezien in de ductus arteriosus en positieve diastolische snelheden zijn bijna altijd aanwezig onder fysiologische omstandigheden. De voorwaartse stroming tijdens de systole begint en piekt in de isthmus aortae eerder dan in de arteriosus ductus (figuren 3 en 6). Experimentele studies bij schapen foetussen hebben aangetoond dat de pre-ejectie periode van de rechter ventrikel langer is dan die van de linker (57 vs 48 ms) 26, en de ductale stroom begint ongeveer 48 ms later dan doet de isthmic stroom en heeft een langere acceleratietijd (52 vs 18 ms) 27. Af en toe, vooral bij het ondervragen met behulp van een groter monstervolume, kan men gelijktijdig verkrijgen aorta isthmus en ductus arteriosus bloedstroom velocity golfvormen, over elkaar heen (figuur 6), waardoor directe vergelijking tijdens de hartcyclus mogelijk in menselijke foetussen.

Het is mogelijk om de aorta isthmus volume bloedstroom (Qai) niet-invasief21 schatten door het meten van de diameter en de bloedstroom snelheden: Qai (in mL/min) = time-averaged maximum velocity (TAMXV, in cm/s) × π(diameter/2, in cm)2 × 60. Wegens de beperkingen en de complexiteit van volumestroommetingen zijn echter verscheidene andere indices voor klinisch gebruik voorgesteld. In principe verschillen deze indices in één principe: sommige gebruiken absolute snelheden bij hun berekening, terwijl andere de snelheid-tijdintegraal (VTI) gebruiken. Fouron et al.7 stelden aanvankelijk een zogenaamde evenwichtsindex voor, d.w.z. (piek systolische snelheid – eind-diastolische snelheid/(antegrade VTI – retrograde VTI), die gelijkwaardig is aan de pulsatiliteitsindex (PI) wanneer absolute snelheden worden gebruikt, aangezien de som van de systolische en diastolische VTI vermenigvuldigd met de foetale hartfrequentie TAMXV oplevert en PI = (piek systolische snelheid – eind-diastolische snelheid)/TAMXV. Een isthmische flow-index (IFI), d.w.z. (systolische VTI + diastolische VTI)/systolische VTI, werd later voorgesteld8 , maar heeft bij de clinici niet veel populariteit verworven. Het argument om VTI-gerelateerde indices te gebruiken in plaats van snelheidsgerelateerde indices was de veronderstelling dat zij betere informatie geven over het volume en de richting van de bloedstroom. Deze veronderstelling is echter niet helemaal waar. Zo zal de TAMXV waarschijnlijk de volumebloedstroom weerspiegelen, zoals dat ook in andere vaten het geval is28, 29, en een positieve TAMXV (of PI) betekent dat de netto-bloedstroom tijdens de hartcyclus antegraads is, terwijl een negatieve waarde betekent dat de netto-bloedstroom retrograde is, net als een VTI van antegrade stroom/VTI van retrograde stroomverhouding van >1 of <1. Evenzo zal de PI waarschijnlijk ook de grootte van de omgekeerde stromingscomponent weergeven, indien aanwezig, aangezien TAMXV (die gelijk is aan VTI over één hartcyclus × hartfrequentie) de noemer is in de formule die voor de berekening ervan wordt gebruikt.

De IFI voor de bloedstroom van de isthmus aortae kan als volgt in vijf verschillende typen8 worden onderverdeeld: Type I: IFI > 1, wanneer de stroming antegrade is gedurende de gehele hartcyclus; Type II: IFI = 1, wanneer de diastolische stroming afwezig is; Type III: IFI = 0-1, wanneer de diastolische stroming omgekeerd is, maar de netto stroming nog steeds antegrade is; Type IV: IFI = 0, wanneer de antegrade en retrograde stroming gelijk zijn; en Type V: IFI < 0, wanneer de netto stroming retrograde is. Wat echter werkelijk van belang is, is of de diastolische bloedstroom omgekeerd is en of de netto bloedstroom retrograde is, aangezien dit de tekenen zijn van gecompromitteerde foetale hemodynamica. In dit verband kunnen normale en abnormale golfvormen worden geïdentificeerd door eenvoudige kwalitatieve (visuele) beoordeling als die met antegrade diastolische flow (IFI waarden ≥ 1) en die met retrograde diastolische flow (IFI < 1), respectievelijk. Verdere classificatie van golfvormpatronen met behulp van IFI in meer typen lijkt de voorspellende waarde voor ongunstige perinatale uitkomst niet te verbeteren8.

Aorta isthmus retrograde diastolische bloedstroom duidt op herverdeling van de foetale circulatie, wat duidt op een lagere weerstand in het bovenlichaam (cerebraal) vergeleken met een lagere weerstand in het onderlichaam (placenta), terwijl de omkering van de netto bloedstroom erop wijst dat de foetus problemen heeft met het behouden van cerebrale oxygenatie3. Het is bekend dat semikwantitatieve indices zoals PI en de weerstandsindex (RI) de stroomafwaartse impedantie weerspiegelen en gemakkelijk kunnen worden berekend met behulp van softwarepakketten die bij de meeste echografieapparatuur verkrijgbaar zijn. De PI van de isthmus aortae is verhoogd en de absolute snelheden (vooral de TAMXV) zijn verlaagd bij foetussen met intra-uteriene groeibeperking, ongeacht het type IFI16. Bovendien zijn absolute snelheden kwantitatieve variabelen die worden gebruikt bij de berekening van PI en RI en van de volumebloedstroom. Daarom kan het gebruik van absolute bloedsnelheden en PI in plaats van IFI in de klinische praktijk eenvoudiger en geschikter zijn. Men moet zich er echter van bewust zijn dat de korte omkering van de stroming tijdens de end-systole, die in het derde trimester normaal is, ten onrechte hoge PI-waarden kan opleveren als men de PI berekent als (maximale snelheid – minimale snelheid)/TAMXV in plaats van als (pieksynstolische snelheid – einddiastolische snelheid)/TAMXV.

Veranderingen in de aorta isthmus bloedstroomsnelheid golfvorm zijn duidelijker eerder dan die in de descending aorta11, umbilical artery12 en ductus venosus15, 30. Een verhoging van de placentaweerstand die een vermindering van 50% van de navelstrengbloedstroom veroorzaakt, is geassocieerd met een omgekeerde aorta isthmus diastolische bloedstroom bij schapenfoetussen, ook al blijft de navelstrengbloedstroom voorwaarts gericht4. Foetussen met een afwezige/omgekeerde einddiastolische stroom in de navelslagader12, 16, 17 of in de ductus venosus15, 16 blijken consequent retrograde diastolische stroom in de aorta isthmus te hebben. Aorta isthmus bloedstroom velocimetrie levert belangrijke informatie over foetale cardiovasculaire functie, d.w.z. individuele prestaties van ventrikels, relatieve veranderingen in bovenste (met inbegrip van de hersenen) en onderste (met inbegrip van de placenta) lichaamsweerstanden en foetale oxygenatie, en heeft het potentieel om een waardevol klinisch instrument te worden. Echter, als dit segment van de foetale aorta is relatief kort en heeft een aantal andere bloedvaten in de nabijheid, het verkrijgen van bloedstroomsnelheid golfvormen kan technisch uitdagend. Voor nauwkeurige meting en interpretatie van de aorta isthmus bloedstroom met behulp van Doppler echografie, is het belangrijk dat operators een adequate opleiding krijgen in het verkrijgen van de standaard longitudinale aortaboog view en drie vaten en trachea view, het visualiseren en herkennen van de aorta isthmus in B-mode en de richting van de bloedstroom in kleur flow mode, juiste plaatsing van de cursor, herkenning van de golfvorm patronen van de aorta isthmus en andere aangrenzende vaten, en dat ze een goed begrip hebben van factoren die de bloedstroom in dit segment van de foetale circulatie kunnen beïnvloeden.