Автоматизированный количественный анализ левых камер сердца при трансторакальной трехмерной эхокардиографии

В настоящее время трёхмерная эхокардиография в режиме реального времени является ценным инструментом для оценки объёмов левого желудочка (ЛЖ), левого предсердия (ЛП) и фракции выброса левого желудочка (ФВЛЖ). В многочисленных исследованиях показано, что 3D-ЭхоКГ обеспечивает более высокую точность и воспроизводимость результатов по сравнению с 2D-ЭхоКГ, поскольку позволяет напрямую измерять объемы без необходимости использовать геометрические допущения о форме полости сердца и без ограничений, связанных с укороченными проекциями.

Несмотря на хорошо известные преимущества 3D-ЭхоКГ, эта методика не используется в рутинной клинической практике по ряду причин, включая (1) необходимость специальных навыков работы с 3D-ЭхоКГ и (2) дополнительное время, требуемое для проведения 3D-визуализации. Для широкого внедрения 3D-ЭхоКГ в повседневную клиническую практику необходимы средства автоматизированной количественной оценки, позволяющие избежать прерывания или замедления рабочего процесса.

Недавно компания Philips разработала HeartModel — полностью автоматизированное программное обеспечение для анализа данных 3D-ТТЭ, которое одновременно определяет эндокардиальные поверхности левого предсердия (ЛП) и левого желудочка (ЛЖ) на протяжении всего сердечного цикла с использованием алгоритма адаптивной аналитики. Алгоритм включает распознавание исходной глобальной формы и ориентацию на основе данных базы знаний с последующей адаптацией к индивидуальным особенностям пациента (рис. 1). Процесс начинается с оценки программой кадра конечно-диастолической фазы (КДФ) левого желудочка (ЛЖ) на основе анализа движения в области пика зубца R электрокардиограммы. На основе этого кадра определяется общая форма и ориентация, а затем с помощью анализа движения выполняется оценка кадра конечно-систолической фазы (КСФ) левого желудочка (ЛЖ), соответствующего минимальному размеру полости ЛЖ. После оценки кадров конечно-диастолической (КД) и конечно-систолической (КС) фаз левого желудочка (ЛЖ) формируются предварительные модели ЛЖ и левого предсердия (ЛП) для обеих фаз с использованием автоматически определённой эндокардиальной поверхности и информации из базы данных 3D-ТТЭ-изображений ЛЖ и ЛП. Эта база данных включает широкий спектр форм ЛЖ и ЛП в фазах КД и КС, полученных примерно из 1000 наборов данных 3D-ТТЭ с различным качеством изображения у пациентов с широким диапазоном размеров камер сердца и их функциональных характеристик. Программа сопоставляет характеристики анализируемого объёма ЛЖ с выбранными формами из базы данных. Затем выбранная форма подвергается локальной адаптации к исследуемому объёму ЛЖ с помощью серии последовательных этапов уточнения. Кадры КД и КС затем определяются путём оценки объёмов ЛЖ вблизи конечной диастолы и конечной систолы и выбора кадра с максимальным и минимальным объёмом соответственно. Алгоритм был разработан для адаптации к различным условиям визуализации, включая вариации выпадения сигнала, акустические помехи, форму желудочков и ориентацию сердца относительно датчика. Однако, аналогично ручным измерениям, для точной оценки объёма камеры необходимо визуализировать минимальное количество сегментов эндокардиальной границы (примерно 14–15 из 17 сегментов ЛЖ). Наконец, при запуске на одном и том же наборе данных алгоритм демонстрирует детерминированную сходимость, обеспечивая нулевую вариабельность результатов. После окончательной оптимизации модели контуры ЛП и ЛЖ отображаются на 2D-срезах, сформированных на основе наборов данных 3D-ЭхоКГ, с визуализацией 4-, 3- и 2-камерных проекций в фазах КС и КД (рис. 2). Если пользователь недоволен контурами ЛП и ЛЖ, их можно отредактировать вручную.

Это новое полностью автоматизированное программное обеспечение недавно прошло валидацию и продемонстрировало достаточно высокую точность по сравнению с ручными 3D-измерениями с использованием QLAB (3DQ)² в группе из более чем 150 пациентов в Чикагском университете. Это перспективное программное обеспечение открывает возможности для включения объемных измерений ЛЖ и ЛП с помощью 3D-ЭхоКГ в рутинную клиническую практику по всему миру.

В данном исследовании мы стремились определить потенциал экономии времени этого нового программного обеспечения по сравнению со стандартными методами 2D- и 3D-ЭхоКГ, используемыми для измерения объемов ЛЖ и ЛП.

2DE и 3DE визуализация была проведена у 30 последовательных пациентов с использованием системы EPIQ с матричным ультразвуковым датчиком X5-1 (Philips, Andover, MA). Было зарегистрировано время, необходимое для получения апикальных 4-камерных (A4C) и 2-камерных (A2C) проекций ЛЖ при 2D-ЭхоКГ, апикальных 4-камерных (A4C) и 2-камерных (A2C) проекций ЛП, а также полного объёмного набора данных 3D-ЭхоКГ для ЛЖ и ЛП. Кроме того, регистрировалось время, необходимое для измерения объемов ЛЖ (в конце диастолы и в конце систолы) и ЛП (в конце систолы) по 2D-изображениям с использованием бипланового метода дисков. И наконец, регистрировалось время, необходимое для завершения анализа данных и получения объёмов ЛЖ и ЛП из наборов данных 3D-ЭхоКГ с использованием QLAB и нового программного обеспечения HeartModel. Анализ с использованием HeartModel выполнялся как на стандартном персональном компьютере, так и на системе визуализации EPIQ как с глобальными и региональными корректировками, так и без них.

В таблице 1 приведены данные о времени, необходимом для сбора и анализа данных. В целом получение 3D-эхокардиографических изображений занимало меньше времени, чем получение нескольких 2D-проекций, необходимых для измерения объемов. Кроме того, анализ 3D-изображений выполнялся значительно быстрее, чем анализ 2D-изображений, а при использовании автоматизированного программного обеспечения HeartModel время анализа дополнительно сокращалось (рис. 3). Следует отметить, что общее время, сэкономленное на сборе данных и анализе изображений, составило 82 % в полностью автоматическом режиме и 63 % даже при ручной корректировке.

Чтобы в полной мере оценить время, которое HeartModel может сэкономить в течение дня в условиях загруженной эхокардиографической лаборатории, выполняющей 50 исследований ТТЭ ежедневно, суммарное время получения данных и анализа было умножено на 50 (рис. 4). Этот наглядный пример демонстрирует, что получение и анализ объемов ЛЖ и ЛП с помощью 2D-ЭхоКГ занимают почти 3 часа в день, тогда как при использовании HeartModel с минимальным редактированием требуется всего 66 минут, а в полностью автоматическом режиме — чуть более получаса. Таким образом, эхокардиографическая лаборатория может экономить 2,5 часа ежедневно.

В многочисленных исследованиях показано, что 3D-ЭхоКГ обеспечивает более высокую точность и воспроизводимость результатов по сравнению с 2D-ЭхоКГ. Для того чтобы технология 3D-ЭхоКГ могла использоваться в повседневной клинической практике, необходимо внедрение автоматизированных методов, позволяющих преодолеть трудоёмкость рабочего процесса, обусловленную текущим подходом к выполнению 3D-ЭхоКГ. Новое полностью автоматизированное программное обеспечение HeartModel недавно прошло валидацию и продемонстрировало точность и воспроизводимость, сопоставимые с ручными 3D-измерениями с использованием QLAB (3DQ). В этом исследовании мы установили, что этот новый полностью автоматизированный инструмент значительно быстрее анализа 2D-ЭхоКГ и ручного анализа 3D-ЭхоКГ (QLAB), поэтому он может помочь сократить время анализа 3D-ЭхоКГ, которое сегодня остается одним из факторов, ограничивающих применение этого метода, и упростить его внедрение в клинический рабочий процесс.