Ekkokardiografi

Ekkokardiografi er undersøking av hjartet på menneske eller dyr med ultralyd. Prosedyren kan brukast diagnostisk, eller for å rettleie terapeutiske intervensjonar. I daglegtale på sjukehus blir han ofte kalla ekko-Doppler, ekko for det todimensjonale strukturbiletet, og Doppler for fartsmålingane.

Ill. 1. Eit 2D firkammersnitt av hjarte. Dei venstresidige kammera til høgre i biletet, atria øvst. Mørkt er blod, lyst er muskel. Klaffane mellom atria og hjartekammera er tydeleg viste. (Illustrasjon: Kjetil Lenes)

Hjartet kan visast som to-dimensjonale skiver, som eit tredimensjonalt volum eller berre langs ein isolert stråle. Dette kan ein visa som still-bilete eller levande film. Fartsmålingar frå blod eller muskelvev kan visast isolert som kurver eller lagde oppå strukturbileta, med fargekodar som viser fart og retningar for rørsler.

Føremoner med metoden er at han er ufarleg, rask, gjev dynamisk informasjon om hjartet, relativt billeg og kan nyttast på alle legekontor. Ulemper med metoden er at han er særs operatøravhengig og krev mykje røynsle og ekspertise av operatøren, det er vanskeleg å sjå nokre delar av hjartet og dei store kara og at det for mange problemstillingar er vanskeleg eller umogeleg å gje ut svar i form av tal som kan samanliknast mellom pasientar og undersøkingar.

Bruk av kontrastmiddel hos pasientar med dårleg innsyn, automatiserte målingar og betre utstyr gjer ulempene mindre.

Utstyr

Prinsippskisse av korleis ultralydapparatet produserer ein lydpuls i transdusaren, pulsen går gjennom geleen inn i kroppen, møter grenseflater (til dømes mellom blod og hjartemuskel) og sender ekko attende til transdusaren. Desse ekkoa blir handsama i apparatet, og synte fram som bilete på ein skjerm.

Eit apparat for ekkokardiografi skil seg lite frå apparat for annan medisinsk ultralyd-diagnostikk. Ultralyden blir laga av krystallar som blir sette i vibrasjon av ei elektrisk spenning. Dette skjer i korte intervall, slik at lyden blir send ut i pulsar. Lydbølgjene går inn i kroppen, gjennom ein gelé eller ei væske, og når den reflekterte lyden (ekkoet) kjem att blir desse vibrasjonane omdanna attende til spenning. Det er oftast dei same krystallane som vekselvis sender og lyttar. Ved ekkokardiografi nyttar ein frekvensar frå 1,5 MHz til 15 MHz. Dei lågaste frekvensane gjev lydbølgjer som trengjer langt inn i vevet og difor gjev gode bilete av strukturar i djupet, mens dei høge frekvensane viser finare detaljar. Val av frekvens blir derfor ei avveging av desse omsyna. Ofte bruker ein fleire ulike frekvensar i løpet av ei undersøking.

Krystallane er samla i ei rekkje med frå femti til over tusen krystallar, monterte i ein probe operatøren held i handa. Den tekniske nemninga for ei slik innretning som sett om energi frå ei form til ei anna er transdusar. Krystallane blir sette i svingingar kvar for seg med litt tidsforskyving, på dette viset blir det danna ein einskild ultralydstråle. Strålen er styrbar langsmed krystallrekka og sveipar hjartet i ei vifteform. I somme nye prober kan det vera fleire rader med krystallar, for betre fokusering og opptak av tredimensjonale bilete.

Ultralydapparatet gjev operatøren mange måtar til å manipulera både dei pulsane som blir sende ut, og det signalet som kjem attende. Dette er er ein av grunnane til at kvaliteten på ekkokardiografiske undersøkingar blir rekna som særs avhengig av operatøren.

Bileta blir viste på ein skjerm under undersøkinga. Dei kan bli lagra for seinare vurdering og analyse. Opptaka blir gjerne lagra digitalt, og kan enkelt utvekslast mellom sjukehus. Teknologien utviklar seg raskt, og kva som er mogeleg å sjå og måle er i stadig endring.

Impedans og refleksjon

Spesifikk akustisk impedans er definert som akustisk trykk delt på partikkelhastigheita, som òg er lik tettleik gonger forplantningshastigheita til lydbølgja. Det vil seie at dersom eit stoff har ein tettleik ρ kg/m³ og lydbølgjer forplantar seg gjennom stoffet med ein fart på c m/s, så har stoffet ein impedans på ρc Pa s/m. Luft (og luftfylde organ som lunger) har ein spesifikk akkustisk impedans som er mykje lågare enn musklar, vatn, blod og feitt, medan bein har ein mykje høgare spesifikk akustisk impedans.

Når lydbølgjer treffer grenseflater mellom stoff med ulik spesifikk akustisk impedans vil noko av energien bli reflektert, medan resten går gjennom grenseflata og vidare framover. Kor mykje som blir reflektert avheng av skilnaden i spesifikk akustisk impedanse i dei to stoffa. Det er liten skilnad mellom blod, vatn og muskelvev, og lite energi går tapt. Mellom muskelvev og bein blir mykje energi send attende, difor er det vanskeleg å sjå noko særleg gjennom brystbeinet. Mellom muskel og luft er det tilnærma full refleksjon, og difor er det ikkje mogeleg å sjå med ultralyd gjennom lungene. Difor nyttar ein også gele (tidlegare også vatn eller olje) mellom ultralydproben og kroppen til pasienten. Geleen syter for at det ikkje er luft til stades og at den spesifikke akustiske impedansen er mest mogeleg lik heile vegen frå transdusaren til det organet ein vil sjå på slik at energitapet blir minst mogeleg.

Korleis vise data

M-mode

Ill. 2. M-Mode av venstre hjartekammer med målingar av dimensjonar i systole og diastole

M-mode er den eldste forma for ekkokardiografi. Ho var lenge også den einaste. I denne metoden blir ein einskild ultralydstråle send inn, utan å sveipe. Biletet på skjermen syner korleis muskelen rører seg langs ultralydstrålen. Ein kan tenkja seg strålen som ein tynn ståltråd som vert stukken inn i hjartet, og biletet som ei framstilling av rørslene langsetter tråden. Biletet blir oppdatert fleire hundre gonger i minuttet, og bileta har difor særs god tidsoppløysing. Metoden blir oftast nytta for å vurdera storleiken på og arbeidet til venstre hjartekammer.

2D

Om ultralydstrålen frå M-mode-visinga endrar utgangsvinkel særs ofte, kan ein byggje opp eit todimensjonalt bilete, eit snitt gjennom hjartet. Sjå illustrasjon 1, øvst på sida. Gjer ein dette snøgt nok kan biletet oppdaterast fleire gonger kvart sekund og syne hjartet i arbeid. Kor mange bilete i sekundet ein får avheng mellom anna av kor breitt biletet er, eit typisk tal vil vera 60 til 80 bilete i sekundet.

3D

Ei tredimensjonal framstilling av eit hjarte. Det store biletet syner hjartet sett frå spissen (apeks) inn mot klaffane. Om lag halve hjartekammeret, mot spissen, er fjerna. Dei to små bileta til venstre syner tradisjonelle todimensjonale snitt, henta ut frå 3D-datasettet. Sjå teikninga under for forklaring.

Foto: Kjetil Lenes

Forklaring til 3D-bilete. MV: mitralklaffen, AV: aortaklaffen, TV: trikuspidalklaffen. Den raude lina syner kor den øvre 2D-sløyfa er teke frå, den blå lina viser til den nedre. Den heile lina er skiljeveggen (septum) mellom hjartekammera, og ytterveggen. Den stipla lina er yttervegg som ikkje er med.

Foto: Kjetil Lenes

Sida byrjinga på 1970-talet har ein prøva å lage tredimensjonale ultralydbilete. Lenge dreidde dette seg om ulike teknikkar for å ta opp ei rekke eller vifte med todimensjonale bilete med ein liten avstand, for deretter å få ein computar til å rekne ut dei data som låg mellom bileta. Med unntak av ein produsent som framleis gjer dette med transøsofagal ekkokardiografi, førte desse teknikkane aldri fram til noko av klinisk verdi. Dei hadde låg rom-oppløysing og det kravdest fleire timars etterabeide for kvart bilete.

Frå rundt 2000 er det blitt mogeleg å gjera opptak av tredimensjonale volum med probar som inneheld tusenvis av krystallar og tar opp tredimensjonale volum i sanntid. Det er framleis grenser for kor store desse voluma kan vera. Lyden frå proben har ein fart på om lag 1500 m/s i kroppen. Kvart bilete er bygd opp av lydstrålar, også kalla skanneliner. Desse strålane må ligge tett dersom ein skal få høg nok oppløysing til å sjå små detaljar. Ein må òg oppdatera biletet ofte, minst 50 gonger i sekundet for vaksne, opp mot hundre når ein ser på born. Lydfarten i kroppen set difor fysiske grenser for kor store volum ein kan lage bilete av på ein gong. Ei løysing er å få pasienten til å halde pusten i fire-fem hjarteslag, for å få hjartet til å ikkje røre seg i brystkassa. Då kan ein ta fire-fem opptak side om side i hjartet, og sette desse saman til eit stort volum.

Frå 2007 finst det òg utstyr til born Til dømes kan ein no laga eit bilete av ein hjarteklaff, der ein kan snu på biletet i alle plan og sjå klaffen frå alle sider mens han rører seg. Dette kan gje kirurgen verdfull førehandsinformasjon. Metoden er ikkje i rutinemessig bruk (2008).

Måling av blodstraum

Ultralydsignalet som kjem attende til proben blir handsama slik at ein i staden for eit bilete av strukturar hentar ut informasjon om farten til ting som rører seg, og då berre dei med høg fart. I praksis vil dette vera dei raude blodlekamane. Målemetoden heiter Doppler-måling.

Ein kan sjå fart og retning på blodstraumar. Dette blir brukt til å oppdage tronge område i klaffar og blodårer, og til å rekna ut slagvolum. Data blir synt fram som ei kurve med fart over tid. Ein nyttar òg Bernoullis likning i forenkla form og kalkulerer trykkskilnader mellom område i hjartet.

2D med fargedoppler

Ill. 3. Ein ventrikkelseptumdefekt (VSD), eit hòl mellom hjartekammera. Den blå-grøne fargen syner ein blodsprut gjennom skiljeveggen. Biletet svarar til biletet øvst på sida, bortsett frå at det er snudd opp-ned.

Farten til blodstraumen kan òg visast grafisk. Biletet vert delt opp i små celler, og for kvar av desse blir data for fart henta inn. Ein fargekodar gjennomsnittsverdien for fart og retning på blodstraumen i cella (raudt mot proben, blått frå, medan grønt er turbulens). Når ein legg dette biletet over eit todimensjonalt bilete tatt opp samtidig kan ein visuelt søkja etter tronge parti, lekkasjar og defektar. Sjå illustrasjon 3.

Vevsdoppler

I blodstraumsmålingane måler ein farten til objekt som rører seg snøgt, og gjev svake ekko. Desse objekta er som regel dei raude blodlekamene (erytrocyttar). I vevsdopplermålingar måler ein motsett; det som rører seg sakte og gjev sterke ekko. Det er i praksis sjølve hjartemuskelen, myokard. Slike fartsmålingar kan analyserast på fleire ulike måtar. Mellom anna kan ein sjå på kor snøgt hjartemuskelen trekkjer seg saman og kor mykje han trekkjer seg saman. Dersom ein måler farten i to område som ligg i nærleiken av kvarandre og gjer det over ei tid, til dømes eit hjarteslag, kan ein rekne ut korleis og kor mykje muskelen vert deformert. En kan sjå når og kor mykje muskelen trekkjer seg saman eller strekkjer seg. Ein kan vidare sjå om det er skilnader mellom område av hjartet.

Ein kan til dømes sjå på tidsskilnader (dys-synkronitet) i samantrekninga som kjem ved somme former for impulsblokkering i hjartet. Vevsdopplermålinga blir då brukt i diagnostikken, og for å vurdere effekten av behandlinga (pacemaker). Ein kan òg avsløre at eit område trekkjer seg saman samstundes som eit anna ikkje rører seg eller tvert om strekkjer seg. Dette kan vera ein skade etter hjarteinfarkt.

Slik informasjon om korleis hjartemuskelen rører seg og vert deformert kan òg hentast på anna vis, mellom anna frå det todimensjonale gråtonebiletet. Kvar produsent av ultralydapparat har gjerne sett sitt eige namn på desse teknikkane, det engelske omgrepet «Strain rate imaging» er framleis mykje brukt som fellesnamn for heile dette feltet.

Tilgjenge

Ein ekkoteknikar gjer ekkokardiografi på eit spedbarn.

Ein kan ikkje sjå hjartet frå alle avstandar og vinklar. Akustiske eigenskapar hjå ulike typar vev og indre organ set grenser for det. Til dømes er lungene ugjennomtrengjelege for ultralydbølgjene på grunn av lufta, mens levra på grunn av blodet lèt lyden breie seg godt. Det er derfor vanskeleg å sjå inn mange stader på brystkassa, mens ein kan sjå mykje frå magen og opp, dersom det ikkje er for mykje bukfeitt.

Transthorakalt

Gjennom brystveggen. Pasienten ligg på rygg, i sideleie eller meir eller mindre sitjande. Proben blir retta mot brystveggen, i halsgropa eller rett under ribbeina. Ein kan sjå det venstre hjartekammeret, framkammera og klaffane mellom framkammera og hjartekammera. I tillegg ser ein klaffen ut av venstre hjartekammer og skiljeveggen mellom hjartekammera godt. Høgre hjartekammer, klaffen ut av det og skiljeveggen mellom framkammera ser ein sjeldan godt hos vaksne. Ein kan òg vurdera væskeoppsamlingar i hjarteposen (perikard). Hos born kan ein òg sjå delar av livpulsåra (aorta) og lungepulsåra.

Transøsofagalt

Gjennom matrøyret. Pasienten er anten lett sedert (har fått roande medisinar) eller i full narkose (hos born eller under operasjonar), og ein miniatyrisert probe blir lagt ned i matrøyret. Sjølve transdusaren vil då ligge rett bak eller under hjartet. Fordelen er at kvaliteten på bileta blir dramatisk betre av di det er mindre vev mellom transdusaren og hjartet. Ulempa er at det er få strukturar ein får sett godt frå desse vinklane. Det er framkammera med inn- og utløp, utløpet frå venstre hjartekammer og livpulsåra. Skiljeveggene mellom dei to framkammera og dei to hjartekammera ser ein òg særs godt. Metoden nyttast derfor ved kateterbasert lukking av hòl i desse skiljeveggane. Han er også ofte nytta under hjarteoperasjonar for å rettleie kirurgen.

Denne metoden er mykje brukt på vaksne når ein treng detaljinformasjon om aortaklaffen, mitralklaffen eller framkammerskiljeveggen.

Intrakardielt

Inne frå hjartet. Ein svært liten probe blir ført inn i hjartet gjennom ei blodåre, som regel frå lysken. Metoden er dyr, og er ikkje mykje brukt.

Epikardielt

Mot hjartemuskelen. Dette kan gjerast under hjarteoperasjonar. Når hjartet er lukka, men brystkassa framleis er open kan ein setje ein probe rett på hjartet for å sjå resultatet av kirurgien.

Historie

Ekkokardiografi er eit døme på medisinsk diagnostisk bruk av ultralyd, første gong i 1953. Den første diagnostiske bruken av ultralyd var nevrologen Karl Dussik sine forsøk på hjernen i 1947. Han hadde ein sendar på den eine sida, og ein mottakar på den andre. Han kom òg med framlegg om å nytte refleksjon, men gjorde det ikkje i praksis.

Mellom føresetnadene for ekkokardiografi er Lazzaro Spallanzani si oppdaging på 1700-talet av at flaggermus navigerte med ein sans han ikkje kunne forklåre, det som ein no kjenner som ekko frå ultralyd. I 1880 demonstrerte brørne Jacques og Pierre Curie den piezoelektriske effekten, at særskilde krystallar får ei elektrisk spenning når dei blir elastisk deformerte. Den piezoelektriske effekten blei nytta i sonar og ASDIC som blei utvikla som eit middel i jakta på undervassbåtar under begge verdskrigane. I mellomkrigstida hadde russaren S. J. Sokoloff og amerikanaren Floyd A. Firestone begge utvikla apparat som nytta same teknologien for å finne feil inne i metallkonstruksjonar.

Då legen Inge Edler og ingeniøren Carl Hellmuth Hertz laga det første biletet av eit menneskehjarte med reflektert ultralyd, i 1953, skjedde det med eit apparat lånt frå Kockums skipsverft i Malmö. Signala frå den reflekterte ultralyden (ekkoet), blei teikna ned med ein blekkskrivar på eit endelaust papirband. Dette blei det ein no kallar «M-mode»-opptak. Medisinsk diagnostisk bruk av ultralyd blei på denne tida utvikla av fleire fagmiljø, innan nevrologi, gynekologi og oftalmologi, uavhengig av kvarandre. For denne historia, sjå medisinsk ultralyd.

Frå starten av og lang tid framover, var transdusaren bygd opp av ein enkelt krystall. Ut over 1960-talet kom det ulike system for sanntids todimensjonal framstilling (2D), bilete der ein såg skiver av hjartet i rørsle. Desse systema var utvikla både i Japan og Europa, og var særs kompliserte, med svært store probar med fleire krystallar i parallell, og nokre med pasienten nedsenkt i vatn. Ettersom ultralydbølgjene skulle inn i kroppen mellom ribbeina var dei store probane lite brukande. I 1968 blei den første «phased array»-transdusaren konstruert, med utgangspunkt i bølgjefront-teorien til Christiaan Huygens frå 1600-talet. Denne transdusaren hadde fleire krystallar, men dei var ikkje aktive samstundes. Ved å la dei lage lyd med ei ørlita forseinking mellom kvar, kunne ein lage ei lydstråle ein kunne styre. Oppfinninga slo ikkje an. I 1974 kom ein transdusar med berre eitt krystall som blei vippa raskt i ulike vinklar (mekanisk sektorskanner). Med dette tok dei todimensjonale bileta over for M-mode i mange samanhengar. «Phased array»-transdusaren kom likevel sterkare attende, og er no einerådande til ekkokardiografi.

I 1842 hadde Christian Doppler lagt fram ein hypotese om at frekvensen på lysbølgjer endra seg proporsjonalt med den relative rørsla mellom kjelde og observatør. Dette fenomenet, som blir kalla dopplereffekten, gjeld òg for lydbølgjer. Shigeo Satomura kom i 1957 med det første vitskapelege verket der ultralyd vart nytta som metode for måling av fart i blodstraumen, tufta på dopplereffekten. I 1969 kom det på same tid tre artiklar frå ulike forskargrupper som hadde utvikla metoden til å kunne måle farten på eit avgrensa punkt. Dette hadde ein lite nytte av før ein i 1974 klarte å lage ein transdusar som både kunne lage bilete og måle fart. Først då kunne ein sjå kva ein målte. Dette er viktig ettersom ein ut frå farten på blodstraumen kan rekna ut trykkskilnader mellom ulike delar av hjartet. Det matematiske grunnlaget for dette var lagt av Daniel Bernouilli i skriftet Hydrodynamique i 1738. At den forenkla Bernouilli-likninga faktisk er gyldig på dette viset, blei først vist av Jarle Holen i 1977. I 1982 kom fartsmåling av blodstraumen over eit større område, fargekoda på skjermen. Dette blir framleis kalla «fargedoppler», sjølv om ein ikkje nyttar dopplereffekten til målinga, men autokorrelasjon. Ut over 1980-talet blei alle teknikkane over integrert i same maskin, og i same probe, slik at ein no kan gjere ein komplett analyse av oppbygging, funksjon og blodstraum på ein gong.

Litteratur

• Godt oversyn frå Dansk cardiologisk Selskab
• Støylen, A., Strain rate imaging, Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, Det medisinske fakultet, NTNU, Des. 2005.
• Roelandt, JRTC: Seeing the Invisible: A short history of Cardiac Ultrasound. Eur J Echocardiography. 2000 (1), 8-11.