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Hanrath u. a. Klinische Anwendung der Echokardiographie
Deutsche Medizinische Wochenschrift
Ubersichten
Dtsch. med. Wschr. loo (1975), 768-771 © Georg Thieme Verlag, Stuttgart
Hanrath, W. Bleifeld, S. Effert und D. Mathey P.
Abteilung Innere Medizin I und Helmholtz-lnstitut für Biomedizinische Technik, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Die Echokardiographie ist die diagnostische Anwendung des gepuisten, am Herzen reflektierten Ultraschalls. Als unschädliches, nicht invasives Verfahren bietet sie die Möglichkeit, die Strukturen des Herzens ohne Anwen-
dung von Kontrastmitteln und Röntgenstrahlen darzustellen und formale Bewegungsabläufe zu erfassen. Sie kann beliebig oft wiederholt werden. Allgemein bekannt ist die Anwendung des Impulsschalls beim Echolot-Verfahren: Gemessen wird die Laufzeit eines Schallimpulses vom Schallgeber zum Meeresgrund und zurück. Da die Schallgeschwindigkeit (näherungsweise 1 500 m/s) bekannt ist, ergibt sich aus der Laufzeit die zurückgelegte Wegstrecke. Der deutsche Physiologe Keidel hat 1950 als erster den Ultraschall in der kardiologischen Diagnostik eingesetzt (30). Alle heutigen Verfahren basieren auf der grundlegenden Arbeit von Edler und Hertz aus dem Jahre 1954 (12). Sie führte in den Jahren 1954-1958, insbesondere auch durch die Einführung eines Direktregistrierverfahrens (19), zu grundlegenden Erkenntnissen über die Diagnostik der Mitralklappenstenose (9, 10, 11, 13, 14).
zum Auftreten elektrischer Ladungen. Der Effekt ist umkehrbar. Legt man eine Wechseispannung an, so zieht sich der Kristall zusammen bzw. dehnt er sich aus mit der Frequenz der elektrischen Wechselspannung. Damit kann der gleiche Wandler sowohl als Schailgeber als auch als Schallempfänger benutzt werden. Die reflektierten Schallwellen werden nach Umwandlung in elektrische Spannungen auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen sichtbar gemacht.
Der Steigerung der Schallfrequenz sind biologische Grenzen gesetzt, weil die Absorption mit der Frequenz zunimmt. Als günstiger Frequenzbereich bezüglich Schallbündelung einerseits und Absorption der Schallenergie andererseits hat sich der Bereich von 2-5 Mhz erwiesen. Die verschiedenen Möglichkeiten der Anzeige der Echos ergeben sich aus Abbildung 1. Eine prinzipielle Erweiterung bedeutet die Einführung sogenannter Multielement-Schallköpfe: In einem Schallkopf sind 20 piezoelektrische Wandler untergebracht. Sie werden nacheinander zur Impulsabgabe veranlaßt und anschließend auf Empfang geschaltet. Es gelingt so
Physikalische Grundlagen Erhöhung der Schallfrequenz über den Bereich der Hörfähigkeit des menschlichen Ohres hinaus, also über mehr als etwa 20 000 Hz, führt zu einer Bündelung der Schallenergie, so daß bei hohen Frequenzen von einem Schallstrahl gesprochen werden kann. Im Bereich einer definierten Nahzone einer Ultraschallquelle hat das Schallfeld Zylinderform und erweitert sich im Fernfeld kegelförmig. Es gelten daher bezüglich Refraktion und Reflexion ähnliche Gesetze wie in der Optik. Ultraschallrefiexion findet grundsätzlich an der Grenze zweier Medien statt. Für den Grad der Reflexion einerseits und den der Durchlässigkeit andererseits ist der sogenannte Schallwellenwiderstand der jeweiligen Medien maßgebend. Er ergibt sich aus Dichte und spezifischer Schallgeschwindigkeit. Zur Ultraschallerzeugung werden im hier diskutierten Rahmen ausschließlich piezoelektrische Schallgeber benutzt. Es handelt sich um Kristalle mit sogenannten polaren Achsen. Druck auf die Kristalloberfläche führt Mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft SFB 109
..
A-MODE
-
B - MODE M - MODE
Abb. 1. Verschiedene Wiedergabemöglichkeiten des am Herzen reflektierten Ultraschalles (modifiziert nach Born). A-mode = Amplitudenmodulation, Auslenkung des Lichtstrahles nach vertikal. B-mode = nBrightnessn-modulation. Hellsteuerung durch die Schallimpulse. M-mode = Time-Motion-Verfahren. Hellsteuerung und kontinuierliche Bewegung längs der Y-Achse. Letzteres ist das Verfahren der Wahl der Echokardiographie.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
ohne mechanisch bewegliche Teile, Querschnittsbilder des schlagenden Herzens zu erhalten (Abbildung 2*) (2,3). Zweidimensionale Querschnittsbilder lassen sich auch mit einem Einzelelement-Schallkopf durch mechanische Schwenkung auf der Brustwand des Patienten in einem bestimmten Sektor erzielen. Unsere Untersuchungen wurden mit dem Echokardiovisor1 durchgeführt. Die Ultraschall-Echokurven, die mit einem Einzelelement-Schallkopf (2, 2,5 bzw. 4,5 Mhz) erhalten wurden, wurden über einen UV-Lichtschreiber2 direkt aufgenommen. Die Registrierungen mittels Multielement-Schallgeber erfolgten durch herzphasengesteuerte Polaroid-Aufnahmen des Bildschirmes. Im Routinebetrieb kann das Monitorbild auch mittels Fernsehkamera auf ein Videoband überspielt werden.
R egis trierte ch n ik Der Einzelelement-Schallkopf wird zwischen dem dritten und fünften Interkostalraum links auf die äußere Thoraxwand aufgesetzt. In dieser Region liegt kein Lungengewebe zwischen Thoraxwand und Herz. Mau spricht von einem »Echofenster«, weil Lungengewebe den Ultraschall der in Rede stehenden Frequenz praktisch total reflektiert, so daß gewöhnlich nur von dieser Position aus das Herz durch den Schalistrahl erreicht wird. Bei der Standarduntersuchung liegt der Patient entweder auf dem Rücken, oder er wird um die Körperlängsachse nach links gedreht. Auch eine Anhebung des Oberkörpers um etwa 300 oder mehr kann die Registrierung erleichtern. In Ausnahmefällen, wie bei Emphysem, Thoraxdeformierung oder extremer Adipositas, kann das Herz aber auch vom epigastrischen Winkel, von der Suprasternalgrube oder von der rechten Seite des Sternums aus angelotet werden (5). Bei der Multielement-Echokardiographie des Erwachsenen wendet man im allgemeinen zwei Standardpositionen an. Einmal wird der Schallkopf senkrecht zur Körperlängsachse, Stellung A, zum anderen quer zur Längsachse des Herzens, Stellung B, gehalten (32, 37, 38).
Klinische Anwendung Mitralkiappe. Das vordere Segel der Mitralklappe ist die am leichtesten zu identifizierende Struktur im Echokardiogramm. Es wird deshalb auch zur allgemeinen Orientierung herangezogen. Das Kiappensegel ist an der typischen ruckartigen, M-förmigen Bewegung relativ großer Amplitude erkennbar (Abbildung 3). Das hintere Segel der Mitralis, das sich spiegelbildlich zum vorderen bewegt, wird durch eine leichte Drehung des Schallkopfes nach lateral und kaudal in Richtung Herzspitze erreicht. Von dieser Position aus kann man durch eine kontinuierliche Schwenkung des Schallkopfes (nM-mode scan«) den rechten Ventrikel, das Ventrikelseptum und
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Abbildungen 2-12 siehe Tafel Seite 744-748 Organon Teknika, Oss, Niederlande Honeywell, Denver/Colorado, USA
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die linksventrikuläre Ausflußbahn anloten; sie liegen alle vor dem Mitralklappenapparat. Dahinter liegen der linke Vorhof und die Hinterwand des linken Ventrikels (Abbildung 3). Alle Einzelheiten liber den Bewegungsablauf des vorderen Mitralsegels sind bereits in der iilteren Literatur mitgeteilt, auf die hier verwiesen sei (9, 10, 11, 13, 14, 15, 17, 18, 45).
Die Mitralstenose ist der Herzfehler, der bisher am intensivsten mittels Ultraschall untersucht wurde (Abbildung 4). Kennzeichen der Mitralstenose sind die Verlangsamung der frühdiastolischen Öffnungsbewegung des vorderen Mitralsegels, eine Abflachung der durch die Vorhofsystole bedingten A-Welle, eine Verdickung oder Calcif izierung des Mitralklappenapparates und die Tatsache, daß sich das hintere Segel nicht spiegelbildlich zum vorderen bewegt, sondern parallel zu ihm verläuft. Eine frühdiastolische Bewegungsverlangsaniung des vorderen Mitrlsegels kann man außer bei der organischen Mitralstenose in Fällen mit langsamer Vorhofentleerung hei erhöhten linksventrikulären Füllungsdriicken infolge einer verminderten linksventrikulären Dehnbarkeit beobachten (20, 21, 26). Hierher gehören die Aorteninsuffizienz und die hypertrophe Form einer Kardiomyopathie (s. auch Abbildung 6). Eine solche funktionelle Mitralstenose läßt sich von der organischen Mitralstenose durch den Nachweis einer A-Welle und eine spiegelbildliche Bewegung des hinteren Segels abgrenzen. Mitralinsuffizieuz. Es existiert kein direktes echokardiographisches Kriterium. Fälle mit hochgradiger Mitralinsuffizienz weisen allerdings im allgemeinen eine vergrößerte diastolische Bewegungsamplitude auf. Außerdem ist der Querdurchrnesser des linken Ventrikels gewöhnlich vergrößert. Sowohl bei der Mitralstenose als auch bei Mitralklappeninsuffizienz läßt sich die Vergrößerung des linken Vorhofes echokardiographisch messen. Vorhofturnoren und Vorhofthromben. In typischen Fällen resultiert aus den akustisch inhomogenen Tumormassen eine »Echowolke« hinter dem vorderen Klappensegel, am besten sichtbar in den letzten beiden Dritteln der Diastole. Je nach Beweglichkeit des Tumors kann er während der Systole in den Vorhof zuriickfallen oder auch relativ immobil während des ganzen Zyklus hinter der Mitralklappe nachweisbar sein (16). Es ist bisher nicht geklärt, wie sicher die Diagnostik in diesen Fällen ist, mit anderen Worten, in welchem Prozentsatz derartige ja nur selten zur Beobachtung konimende Vorhoftumoren und Vorhofthromben sich dem echokardiographischen Nachweis entziehen. Idiopathische hypertrophe Subaortenstenose (IHSS). Das Krankheitsbild ist charakterisiert durch eine asymmetrische Septumhypertrophie mit Einengung der Ausflußhahn des linken Ventrikels. Die Obstruktion der Ausflußbahn stellt sich in Mesosystole ein (Abbildung 5). Dabei bewegt sich das vordere Mitralsegel, unter Urnständen sogar beide Segel, gegen das Septum (Abbildung 6). Es wird diskutiert, ob das vordere Mitralsegel durch den Druckabfall in der pathologisch verengten
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Nr. 14, 4. April 1975, 100. Jg.
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Ausflußbahn angesaugt wird, also durch einen VenturiEffekt, der dann so stark sein kann, daß eine Mitralklappeninsuffizienz entsteht. Charakteristisch für die IHSS im Echokardiogramm ist also die Tatsache, daß das vordere Mitralsegel in Diastole das deutlich im Verhältnis zur Hinterwand asymmetrisch-hypertrophierte Septum berührt (Normwert Septumdicke - Hinterwand < 1,3), sich mesobzw. telosystolisch nach vorn bewegt und daß der linke Ventrikel einen relativ kleinen Durchmesser hat (5, 27). Fälle, bei denen in Ruhe kein Gradient zwischen linkem Ventrikel und Ausflußtrakt vorhanden ist, lassen sich zumeist durch Provokationstests nachweisen, die eine Ausfiußtraktobstruktion hervorrufen, echokardiographisch erkennbar an der systolischen Vorwärtshewegung des vorderen Mitralsegels. Wenn sich auch dann bei Nachweis aller übrigen Kriterien keine abnorme Mitralklappenbewegung einstellt, so liegt ein Krankheitsbild vor, das jetzt im angelsächsischen Sprachraum als asymmetrische Septumhypertrophie (ASH) bezeichnet wird (Abbildung 7) (28). Pathognomonisch handelt es sich um eine Variante der genetisch bedingten, familiär gehäuft auftretenden hypertrophen obstruktiven Myokardiopathie (6). Speziell für das Spektrum dieses Krankheitsbildes, das klinisch mit uncharakteristischen Befunden einhergeht, ist die Echokardiographie mit der Möglichkeit der exakten Septurndickenbestimmung ini Gegensatz zur Angiographie zur Diagnostik und Verlaufsbeobachtung besonders geeignet. Mit ralkiappenprolaps. Das Mitralklappensegel verhält sich in gewisser Hinsicht umgekehrt wie bei der IHSS, es bewegt sich systolisch nach hinten (31, 39). Dem Beginn der Dorsalbewegung eines oder bcider Segel entspricht auskultatorisch meist ein mesosystolischer Klick mit nachfolgendem spätsystolischern Geräusch (Abbildung 8). Neben diesem klassischen echokardiographischen Befund ist jüngst ein ganzes Spektrum echokardiographischer Charakteristika herausgearbeitet worden, die bei Patienten mit sogenanntern Mitralklappenprolapssyndrom vorliegen köiinen (8, 36). Künstliche Klappen. Je nach Art der implantierten Klappe variiert das typische echokardiographische Bild. Grundsätzlich lassen sich künstliche Klappen in Mitralposition leichter registrieren als in Aortenposition. Abnorme Öffnungs- und Schließungsbewegungen, thrombotische Auflagerungen und andere Bailvarianzen sind in der Literatur mehrfach beschrieben worden (35, 42).
Aortenklap pen. Bei entsprechender Schallrichtung erscheint die Aorta in Form doppelt parallel verlaufender Echos in einem Abstand von 3-5 cm (Abbildung 9). Die Aortenklappen stellen sich als schmale Echos dar, die diastolïsch in der Mitte der Aorta gelegen sind und parallel zu den Aortenwänden verlaufen. Die echokardiographische Analyse der Aortenwurzel ermöglicht quantitative Aussagen: Der Aortendurchrnesser korreliert gut mit angiographischen Befunden und beträgt bei Normalpersonen 2,0-3,7 cm, der Durchmesser der
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Aortenklappenöffnung schwankt zwischen 1,6 und 2,6 cm (25). Bei Aortenstenose ist die Klappenöffnungsfläche während der Systole verkleinert (Abbildung 9). Die Klappensegel können verdickt sein, bei Verkalkung sind sie fast immer extrem verbreitert. Eine grobe Abschätzung des Schweregrades der Stenose scheint möglich zu sein (44). Stellt sich die Aortenklappe in einer asymmetrischen Konfiguration zur Aortenwand dar, so besteht der Verdacht auf eine bikuspidale Aortenklappe (33). Subvalvuläre wie supravalvuläre Aortenstenosen können echokardiographisch ebenfalls diagnostiziert werden (7, 40). Der direkte Nachweis einer Aortenklappeninsuffizienz ist echokardiographisch nicht sicher möglich. Indirekte Hinweise sind eine Vergrößerung des Durchmessers des hypertrophierten linken Ventrikels, schnelle, regurgitatlonsbedingte diastolische Flatterbewegungen der Mitralsegel (Frequenz 30-40/s) mit kleiner Amplitude und funktionellem Mitralstenosezeichen (43) sowie ciii Auseinanderklaffen der Aortenklappen in Diastole (22). Trikuspidalklappe. Sie liegt näher an der vorderen Thoraxwand als die Mitralklappe, und zwar bei 5 cm (Abbildung 10). Ist der rechte Ventrikel nicht vergrößert, so gelingt es oft nicht, den gesamten Bewegungsablauf zu erfassen. Der Formablauf ist wegen der gleicheli häniodynamischen Gegebenheiten mit dem der Mitralsegel weitgehend identisch. Die Quantifizierung einer Trikuspidalstenose erfolgt nach den gleichen Kriterien wie bei einer Mitralklappenstenose(1). Pulmonalkiappe. Die Pulmonalklappe wird oberhalb der Aortenklappe angelotet (Abbildung 11). Es gelingt höchst selten, zwei Klappen simultan festzuhalten. Meist erfaßt man nur das hintere Segel. Wegen der erschwerten Aufnahmetechnik liegen bisher nur wenige echokardiographische Untersuchungsergebnisse der Pulmonalkiappenbewegung vor (23, 24, 34, 42). Perikarderguß. Flüssigkeit im Herzbeutel läßt sich in Form einer echofreien Zone zwischen den beiden Perikardblättern nachweisen. Ein kleiner Perikarderguß zeigt sich nur an der echofreien Zone zwischen Hinterwand des linken Ventrikels und Perikard, bei größeren Ergüssen läßt sich der Nachweis auch an der Vorderwand des rechten Ventrikels führen (Abbildung 12). Als nicht invasives, einfach anzuwendendes Verfahren ist die Echokardiographie hier insbesondere bei schwerkranken Patienten die Methode der Wahl (18, 33). Literatur Bleife]d, W., 5. Eifert: Über das Ulrraschallkardiogransrn der Trikuspidalklappe. Z. Kreisl.-Forsch. 55(1966), 154. Bom, N., C. T. Lancee, J. Honkoop, P. G. Hugenholez: Ultrasonic viewer for cross-sectional analysis of moving cardiac structures. Bio-med. Engng 6 (1971), 500.
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Dr. P. Hanrath, Prof. Dr. W. Bleifeld, Prof. Dr. S. F.ffert, Dr. D. Mathey Abteilung Innere Medizin I Technische Hochschule 51 Aachen, Goethestr. 27-29
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Zur Arbeit Hanrath
Li.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
Ao.- Klappen
vord.Mitralsegel
hint.Mitralsegel H interwand
-
Septum
-
.-s----
T
.s- Vorder wand
Septum 1cm
vord.Mitralsegel
-.
Hinterwand
is Abb. 2. Multielement-Echokardiogramm einer Normalperson (obere Bildhälfte). Möglichkeit der selektiven Anwahi eines Einzeikristalls und Darstellung der in diesem Schalistrahl liegenden Herzstrukturen im TimeMotion-Verfahren (untere Bildhälfte).
Septum vord. Mitralsegel hint. Mitralsegei Endokard HWI Epikard
\A.
Tricus pidal-
,segeI
Ii.Vorhof
Lunge
Abb. 3. Sogenannter M-Mode-Scan bei einer Normalperson. Durch kontinuierliche Drehung des Schallkopfes von der Herzspitze zur Herzbasis läßt sich ein bestimmter Sektor des Herzens als zweidimensionales Bild darstellen.
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Zur Arbeit Hanrath u.
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-.',..
..
-Septum
-
- vord. Mitralsegel - hint. Mitralsegel -HW 1cm
EKG
is Ao.- Klappen PÑTZEt-IJØ1Ø253 DRTE2'S-H-74
li. Vorhof
vord. Mitralsegel
hint.Mitralsegel
Abb. 4. Echokardiogramm einer dreijährigen Patientin mit angeborener Mitraistenose. Obere Bildhälfte: Multielement-Echokardiogramm mit deutlicher Vergrößerung des linken Vorhofes. Untere Bildhälfte: Time-Motion-Registrierung derselben Patientin mit den typischen echokardiographischen Kriterien einer Mitralstenose. Reduktion der Bewegungsgeschwindigkeit des vorderen Mitralsegels auf 17 mm/s.
mesosystol. Inzisur
-Ao.-Wand -
Ao.- Klappen
-Ao.-Wand
-li. Vorhof
1cm
Carotispulskurve
- Vorhof wand -'I
-EKG
Is Abb. 5. Mesosystolische Inzisur der Aortenklappen bei IHSS infolge linksventrikulärer Aus-
flußtraktobstruktion.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
-
--
VOADERWAND Re.
VEITR(KEL
VORDERES MITRALSEOEL systohsche VORWARTSEEWEGUNG der MITRALSEGEL
HINTERES MITHALSEGEL H INTER WA ND
icmj
-;
is Abb. 6. Echokardiogramm bei IHSS mit asymmetrischer Septumhypertrophie (Wanddicke SeptumHinterwand 2,0), systolische Vorwärtsbewegung des Mitralsegels, kleiner interventrikulärer Querdurchmesser, reduzierte frühdiastolische Öffnungsbewegung des Mitralsegels und breitflächiger diastolischer Kontakt zwischen Septum und vorderem Mitralsegel.
PRrzEHr-No:eae1?
DRTE:89-1 1-?4
LA
vord.Mitralsegel
hint.Mitralsegel Hinterwand LV
hypertrophiertes Septum Abb. 7. Multielement-Echokardiogramm bei IHSS mit '>bananenähnlicher« Struktur des Ausflußtraktes infolge sich kissenartig vorwölbender asymmetrischer Septumhypertrophie.
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INTERVENTRIKULARES SEPTUM
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
Re.Ventri kel
Septum vord.M itraIsege
hint.Mitralsegel H j nterwand EKG
O,5s
O,5s
Abb. 8. Klassischer echo- und phonokardiographischer Befund bei Mitralkiappenprolaps. Mesosystolische Dorsalbewegung des hinteren Mitralsegels (Pfeil). Phonokardiographisch: mesosystolischer Klick und spätsystolisches Geräusch.
AORTENWAND
iî-í r
(
AORTEN WAND AORTEN KLAPPEN AD RI E N k L APP E N
-
AORTENWAND AORTEN WAND
-
-.
1cm
1cm
=
is Abb. 9. Normale Aortenklappen (linke Bildhälfte), stenosierende, verkalkte Aortenklappen, deutlich verkleinerte Klappenöffnungsfläche (rechte Bildhälfte).
VORDERWAND
I
-
-
_.__,
----,
-
-
Re.
VENTRIKEL
VOR DE R ES
TRIKUSPIDALSEGEL HINTE RES
is Abb. 10. Normales Echokardiogramm des vorderen und hinteren Trikuspidalsegels.
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-Prolaps deshint.Mitralsegels
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Abb. 11. Anlotung einer Pulmonalarterienklappe von der Aortenposition aus durch Drehung des Schallkopfes nach links lateral kranial (linke Bildhälfte). Darstellung des hinteren Pulmonalklappensegels mit vanierender Klappcnöffnungsdauer infolge Vorhofflimmerns.
-
SEPTUM
Li. VENTR.
VORDERES
MIT RA LSE G E L HINTER ES
HINT ER WAND PERIKARDERGUSS
PERIKARD
1cm
t.
LUNGE t
I Abb. 12. Perikarderguf: echofreie Zone zwischen Perikard und Epikard der Hinterwand bei einem 32jährigen Patienten mit kongestiver Myokardiopathie.
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Abteilung Innere Medizin I und Helmholtz-lnstitut für Biomedizinische Technik, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Die Echokardiographie ist die diagnostische Anwendung des gepuisten, am Herzen reflektierten Ultraschalls. Als unschädliches, nicht invasives Verfahren bietet sie die Möglichkeit, die Strukturen des Herzens ohne Anwen-
dung von Kontrastmitteln und Röntgenstrahlen darzustellen und formale Bewegungsabläufe zu erfassen. Sie kann beliebig oft wiederholt werden. Allgemein bekannt ist die Anwendung des Impulsschalls beim Echolot-Verfahren: Gemessen wird die Laufzeit eines Schallimpulses vom Schallgeber zum Meeresgrund und zurück. Da die Schallgeschwindigkeit (näherungsweise 1 500 m/s) bekannt ist, ergibt sich aus der Laufzeit die zurückgelegte Wegstrecke. Der deutsche Physiologe Keidel hat 1950 als erster den Ultraschall in der kardiologischen Diagnostik eingesetzt (30). Alle heutigen Verfahren basieren auf der grundlegenden Arbeit von Edler und Hertz aus dem Jahre 1954 (12). Sie führte in den Jahren 1954-1958, insbesondere auch durch die Einführung eines Direktregistrierverfahrens (19), zu grundlegenden Erkenntnissen über die Diagnostik der Mitralklappenstenose (9, 10, 11, 13, 14).
zum Auftreten elektrischer Ladungen. Der Effekt ist umkehrbar. Legt man eine Wechseispannung an, so zieht sich der Kristall zusammen bzw. dehnt er sich aus mit der Frequenz der elektrischen Wechselspannung. Damit kann der gleiche Wandler sowohl als Schailgeber als auch als Schallempfänger benutzt werden. Die reflektierten Schallwellen werden nach Umwandlung in elektrische Spannungen auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen sichtbar gemacht.
Der Steigerung der Schallfrequenz sind biologische Grenzen gesetzt, weil die Absorption mit der Frequenz zunimmt. Als günstiger Frequenzbereich bezüglich Schallbündelung einerseits und Absorption der Schallenergie andererseits hat sich der Bereich von 2-5 Mhz erwiesen. Die verschiedenen Möglichkeiten der Anzeige der Echos ergeben sich aus Abbildung 1. Eine prinzipielle Erweiterung bedeutet die Einführung sogenannter Multielement-Schallköpfe: In einem Schallkopf sind 20 piezoelektrische Wandler untergebracht. Sie werden nacheinander zur Impulsabgabe veranlaßt und anschließend auf Empfang geschaltet. Es gelingt so
Physikalische Grundlagen Erhöhung der Schallfrequenz über den Bereich der Hörfähigkeit des menschlichen Ohres hinaus, also über mehr als etwa 20 000 Hz, führt zu einer Bündelung der Schallenergie, so daß bei hohen Frequenzen von einem Schallstrahl gesprochen werden kann. Im Bereich einer definierten Nahzone einer Ultraschallquelle hat das Schallfeld Zylinderform und erweitert sich im Fernfeld kegelförmig. Es gelten daher bezüglich Refraktion und Reflexion ähnliche Gesetze wie in der Optik. Ultraschallrefiexion findet grundsätzlich an der Grenze zweier Medien statt. Für den Grad der Reflexion einerseits und den der Durchlässigkeit andererseits ist der sogenannte Schallwellenwiderstand der jeweiligen Medien maßgebend. Er ergibt sich aus Dichte und spezifischer Schallgeschwindigkeit. Zur Ultraschallerzeugung werden im hier diskutierten Rahmen ausschließlich piezoelektrische Schallgeber benutzt. Es handelt sich um Kristalle mit sogenannten polaren Achsen. Druck auf die Kristalloberfläche führt Mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft SFB 109
..
A-MODE
-
B - MODE M - MODE
Abb. 1. Verschiedene Wiedergabemöglichkeiten des am Herzen reflektierten Ultraschalles (modifiziert nach Born). A-mode = Amplitudenmodulation, Auslenkung des Lichtstrahles nach vertikal. B-mode = nBrightnessn-modulation. Hellsteuerung durch die Schallimpulse. M-mode = Time-Motion-Verfahren. Hellsteuerung und kontinuierliche Bewegung längs der Y-Achse. Letzteres ist das Verfahren der Wahl der Echokardiographie.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
ohne mechanisch bewegliche Teile, Querschnittsbilder des schlagenden Herzens zu erhalten (Abbildung 2*) (2,3). Zweidimensionale Querschnittsbilder lassen sich auch mit einem Einzelelement-Schallkopf durch mechanische Schwenkung auf der Brustwand des Patienten in einem bestimmten Sektor erzielen. Unsere Untersuchungen wurden mit dem Echokardiovisor1 durchgeführt. Die Ultraschall-Echokurven, die mit einem Einzelelement-Schallkopf (2, 2,5 bzw. 4,5 Mhz) erhalten wurden, wurden über einen UV-Lichtschreiber2 direkt aufgenommen. Die Registrierungen mittels Multielement-Schallgeber erfolgten durch herzphasengesteuerte Polaroid-Aufnahmen des Bildschirmes. Im Routinebetrieb kann das Monitorbild auch mittels Fernsehkamera auf ein Videoband überspielt werden.
R egis trierte ch n ik Der Einzelelement-Schallkopf wird zwischen dem dritten und fünften Interkostalraum links auf die äußere Thoraxwand aufgesetzt. In dieser Region liegt kein Lungengewebe zwischen Thoraxwand und Herz. Mau spricht von einem »Echofenster«, weil Lungengewebe den Ultraschall der in Rede stehenden Frequenz praktisch total reflektiert, so daß gewöhnlich nur von dieser Position aus das Herz durch den Schalistrahl erreicht wird. Bei der Standarduntersuchung liegt der Patient entweder auf dem Rücken, oder er wird um die Körperlängsachse nach links gedreht. Auch eine Anhebung des Oberkörpers um etwa 300 oder mehr kann die Registrierung erleichtern. In Ausnahmefällen, wie bei Emphysem, Thoraxdeformierung oder extremer Adipositas, kann das Herz aber auch vom epigastrischen Winkel, von der Suprasternalgrube oder von der rechten Seite des Sternums aus angelotet werden (5). Bei der Multielement-Echokardiographie des Erwachsenen wendet man im allgemeinen zwei Standardpositionen an. Einmal wird der Schallkopf senkrecht zur Körperlängsachse, Stellung A, zum anderen quer zur Längsachse des Herzens, Stellung B, gehalten (32, 37, 38).
Klinische Anwendung Mitralkiappe. Das vordere Segel der Mitralklappe ist die am leichtesten zu identifizierende Struktur im Echokardiogramm. Es wird deshalb auch zur allgemeinen Orientierung herangezogen. Das Kiappensegel ist an der typischen ruckartigen, M-förmigen Bewegung relativ großer Amplitude erkennbar (Abbildung 3). Das hintere Segel der Mitralis, das sich spiegelbildlich zum vorderen bewegt, wird durch eine leichte Drehung des Schallkopfes nach lateral und kaudal in Richtung Herzspitze erreicht. Von dieser Position aus kann man durch eine kontinuierliche Schwenkung des Schallkopfes (nM-mode scan«) den rechten Ventrikel, das Ventrikelseptum und
2
Abbildungen 2-12 siehe Tafel Seite 744-748 Organon Teknika, Oss, Niederlande Honeywell, Denver/Colorado, USA
Hanrath u. a. Klinische Anwendung der Echokardiographie
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die linksventrikuläre Ausflußbahn anloten; sie liegen alle vor dem Mitralklappenapparat. Dahinter liegen der linke Vorhof und die Hinterwand des linken Ventrikels (Abbildung 3). Alle Einzelheiten liber den Bewegungsablauf des vorderen Mitralsegels sind bereits in der iilteren Literatur mitgeteilt, auf die hier verwiesen sei (9, 10, 11, 13, 14, 15, 17, 18, 45).
Die Mitralstenose ist der Herzfehler, der bisher am intensivsten mittels Ultraschall untersucht wurde (Abbildung 4). Kennzeichen der Mitralstenose sind die Verlangsamung der frühdiastolischen Öffnungsbewegung des vorderen Mitralsegels, eine Abflachung der durch die Vorhofsystole bedingten A-Welle, eine Verdickung oder Calcif izierung des Mitralklappenapparates und die Tatsache, daß sich das hintere Segel nicht spiegelbildlich zum vorderen bewegt, sondern parallel zu ihm verläuft. Eine frühdiastolische Bewegungsverlangsaniung des vorderen Mitrlsegels kann man außer bei der organischen Mitralstenose in Fällen mit langsamer Vorhofentleerung hei erhöhten linksventrikulären Füllungsdriicken infolge einer verminderten linksventrikulären Dehnbarkeit beobachten (20, 21, 26). Hierher gehören die Aorteninsuffizienz und die hypertrophe Form einer Kardiomyopathie (s. auch Abbildung 6). Eine solche funktionelle Mitralstenose läßt sich von der organischen Mitralstenose durch den Nachweis einer A-Welle und eine spiegelbildliche Bewegung des hinteren Segels abgrenzen. Mitralinsuffizieuz. Es existiert kein direktes echokardiographisches Kriterium. Fälle mit hochgradiger Mitralinsuffizienz weisen allerdings im allgemeinen eine vergrößerte diastolische Bewegungsamplitude auf. Außerdem ist der Querdurchrnesser des linken Ventrikels gewöhnlich vergrößert. Sowohl bei der Mitralstenose als auch bei Mitralklappeninsuffizienz läßt sich die Vergrößerung des linken Vorhofes echokardiographisch messen. Vorhofturnoren und Vorhofthromben. In typischen Fällen resultiert aus den akustisch inhomogenen Tumormassen eine »Echowolke« hinter dem vorderen Klappensegel, am besten sichtbar in den letzten beiden Dritteln der Diastole. Je nach Beweglichkeit des Tumors kann er während der Systole in den Vorhof zuriickfallen oder auch relativ immobil während des ganzen Zyklus hinter der Mitralklappe nachweisbar sein (16). Es ist bisher nicht geklärt, wie sicher die Diagnostik in diesen Fällen ist, mit anderen Worten, in welchem Prozentsatz derartige ja nur selten zur Beobachtung konimende Vorhoftumoren und Vorhofthromben sich dem echokardiographischen Nachweis entziehen. Idiopathische hypertrophe Subaortenstenose (IHSS). Das Krankheitsbild ist charakterisiert durch eine asymmetrische Septumhypertrophie mit Einengung der Ausflußhahn des linken Ventrikels. Die Obstruktion der Ausflußbahn stellt sich in Mesosystole ein (Abbildung 5). Dabei bewegt sich das vordere Mitralsegel, unter Urnständen sogar beide Segel, gegen das Septum (Abbildung 6). Es wird diskutiert, ob das vordere Mitralsegel durch den Druckabfall in der pathologisch verengten
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Nr. 14, 4. April 1975, 100. Jg.
Hanrath u. a. Klinische Anwendung der Echokardiographie
Ausflußbahn angesaugt wird, also durch einen VenturiEffekt, der dann so stark sein kann, daß eine Mitralklappeninsuffizienz entsteht. Charakteristisch für die IHSS im Echokardiogramm ist also die Tatsache, daß das vordere Mitralsegel in Diastole das deutlich im Verhältnis zur Hinterwand asymmetrisch-hypertrophierte Septum berührt (Normwert Septumdicke - Hinterwand < 1,3), sich mesobzw. telosystolisch nach vorn bewegt und daß der linke Ventrikel einen relativ kleinen Durchmesser hat (5, 27). Fälle, bei denen in Ruhe kein Gradient zwischen linkem Ventrikel und Ausflußtrakt vorhanden ist, lassen sich zumeist durch Provokationstests nachweisen, die eine Ausfiußtraktobstruktion hervorrufen, echokardiographisch erkennbar an der systolischen Vorwärtshewegung des vorderen Mitralsegels. Wenn sich auch dann bei Nachweis aller übrigen Kriterien keine abnorme Mitralklappenbewegung einstellt, so liegt ein Krankheitsbild vor, das jetzt im angelsächsischen Sprachraum als asymmetrische Septumhypertrophie (ASH) bezeichnet wird (Abbildung 7) (28). Pathognomonisch handelt es sich um eine Variante der genetisch bedingten, familiär gehäuft auftretenden hypertrophen obstruktiven Myokardiopathie (6). Speziell für das Spektrum dieses Krankheitsbildes, das klinisch mit uncharakteristischen Befunden einhergeht, ist die Echokardiographie mit der Möglichkeit der exakten Septurndickenbestimmung ini Gegensatz zur Angiographie zur Diagnostik und Verlaufsbeobachtung besonders geeignet. Mit ralkiappenprolaps. Das Mitralklappensegel verhält sich in gewisser Hinsicht umgekehrt wie bei der IHSS, es bewegt sich systolisch nach hinten (31, 39). Dem Beginn der Dorsalbewegung eines oder bcider Segel entspricht auskultatorisch meist ein mesosystolischer Klick mit nachfolgendem spätsystolischern Geräusch (Abbildung 8). Neben diesem klassischen echokardiographischen Befund ist jüngst ein ganzes Spektrum echokardiographischer Charakteristika herausgearbeitet worden, die bei Patienten mit sogenanntern Mitralklappenprolapssyndrom vorliegen köiinen (8, 36). Künstliche Klappen. Je nach Art der implantierten Klappe variiert das typische echokardiographische Bild. Grundsätzlich lassen sich künstliche Klappen in Mitralposition leichter registrieren als in Aortenposition. Abnorme Öffnungs- und Schließungsbewegungen, thrombotische Auflagerungen und andere Bailvarianzen sind in der Literatur mehrfach beschrieben worden (35, 42).
Aortenklap pen. Bei entsprechender Schallrichtung erscheint die Aorta in Form doppelt parallel verlaufender Echos in einem Abstand von 3-5 cm (Abbildung 9). Die Aortenklappen stellen sich als schmale Echos dar, die diastolïsch in der Mitte der Aorta gelegen sind und parallel zu den Aortenwänden verlaufen. Die echokardiographische Analyse der Aortenwurzel ermöglicht quantitative Aussagen: Der Aortendurchrnesser korreliert gut mit angiographischen Befunden und beträgt bei Normalpersonen 2,0-3,7 cm, der Durchmesser der
Deutsche Medwinische Wochenschrift
Aortenklappenöffnung schwankt zwischen 1,6 und 2,6 cm (25). Bei Aortenstenose ist die Klappenöffnungsfläche während der Systole verkleinert (Abbildung 9). Die Klappensegel können verdickt sein, bei Verkalkung sind sie fast immer extrem verbreitert. Eine grobe Abschätzung des Schweregrades der Stenose scheint möglich zu sein (44). Stellt sich die Aortenklappe in einer asymmetrischen Konfiguration zur Aortenwand dar, so besteht der Verdacht auf eine bikuspidale Aortenklappe (33). Subvalvuläre wie supravalvuläre Aortenstenosen können echokardiographisch ebenfalls diagnostiziert werden (7, 40). Der direkte Nachweis einer Aortenklappeninsuffizienz ist echokardiographisch nicht sicher möglich. Indirekte Hinweise sind eine Vergrößerung des Durchmessers des hypertrophierten linken Ventrikels, schnelle, regurgitatlonsbedingte diastolische Flatterbewegungen der Mitralsegel (Frequenz 30-40/s) mit kleiner Amplitude und funktionellem Mitralstenosezeichen (43) sowie ciii Auseinanderklaffen der Aortenklappen in Diastole (22). Trikuspidalklappe. Sie liegt näher an der vorderen Thoraxwand als die Mitralklappe, und zwar bei 5 cm (Abbildung 10). Ist der rechte Ventrikel nicht vergrößert, so gelingt es oft nicht, den gesamten Bewegungsablauf zu erfassen. Der Formablauf ist wegen der gleicheli häniodynamischen Gegebenheiten mit dem der Mitralsegel weitgehend identisch. Die Quantifizierung einer Trikuspidalstenose erfolgt nach den gleichen Kriterien wie bei einer Mitralklappenstenose(1). Pulmonalkiappe. Die Pulmonalklappe wird oberhalb der Aortenklappe angelotet (Abbildung 11). Es gelingt höchst selten, zwei Klappen simultan festzuhalten. Meist erfaßt man nur das hintere Segel. Wegen der erschwerten Aufnahmetechnik liegen bisher nur wenige echokardiographische Untersuchungsergebnisse der Pulmonalkiappenbewegung vor (23, 24, 34, 42). Perikarderguß. Flüssigkeit im Herzbeutel läßt sich in Form einer echofreien Zone zwischen den beiden Perikardblättern nachweisen. Ein kleiner Perikarderguß zeigt sich nur an der echofreien Zone zwischen Hinterwand des linken Ventrikels und Perikard, bei größeren Ergüssen läßt sich der Nachweis auch an der Vorderwand des rechten Ventrikels führen (Abbildung 12). Als nicht invasives, einfach anzuwendendes Verfahren ist die Echokardiographie hier insbesondere bei schwerkranken Patienten die Methode der Wahl (18, 33). Literatur Bleife]d, W., 5. Eifert: Über das Ulrraschallkardiogransrn der Trikuspidalklappe. Z. Kreisl.-Forsch. 55(1966), 154. Bom, N., C. T. Lancee, J. Honkoop, P. G. Hugenholez: Ultrasonic viewer for cross-sectional analysis of moving cardiac structures. Bio-med. Engng 6 (1971), 500.
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Dr. P. Hanrath, Prof. Dr. W. Bleifeld, Prof. Dr. S. F.ffert, Dr. D. Mathey Abteilung Innere Medizin I Technische Hochschule 51 Aachen, Goethestr. 27-29
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Nr. 14, 4. April 1975, 100. Jg.
744
Zur Arbeit Hanrath
Li.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
Ao.- Klappen
vord.Mitralsegel
hint.Mitralsegel H interwand
-
Septum
-
.-s----
T
.s- Vorder wand
Septum 1cm
vord.Mitralsegel
-.
Hinterwand
is Abb. 2. Multielement-Echokardiogramm einer Normalperson (obere Bildhälfte). Möglichkeit der selektiven Anwahi eines Einzeikristalls und Darstellung der in diesem Schalistrahl liegenden Herzstrukturen im TimeMotion-Verfahren (untere Bildhälfte).
Septum vord. Mitralsegel hint. Mitralsegei Endokard HWI Epikard
\A.
Tricus pidal-
,segeI
Ii.Vorhof
Lunge
Abb. 3. Sogenannter M-Mode-Scan bei einer Normalperson. Durch kontinuierliche Drehung des Schallkopfes von der Herzspitze zur Herzbasis läßt sich ein bestimmter Sektor des Herzens als zweidimensionales Bild darstellen.
745
Zur Arbeit Hanrath u.
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-.',..
..
-Septum
-
- vord. Mitralsegel - hint. Mitralsegel -HW 1cm
EKG
is Ao.- Klappen PÑTZEt-IJØ1Ø253 DRTE2'S-H-74
li. Vorhof
vord. Mitralsegel
hint.Mitralsegel
Abb. 4. Echokardiogramm einer dreijährigen Patientin mit angeborener Mitraistenose. Obere Bildhälfte: Multielement-Echokardiogramm mit deutlicher Vergrößerung des linken Vorhofes. Untere Bildhälfte: Time-Motion-Registrierung derselben Patientin mit den typischen echokardiographischen Kriterien einer Mitralstenose. Reduktion der Bewegungsgeschwindigkeit des vorderen Mitralsegels auf 17 mm/s.
mesosystol. Inzisur
-Ao.-Wand -
Ao.- Klappen
-Ao.-Wand
-li. Vorhof
1cm
Carotispulskurve
- Vorhof wand -'I
-EKG
Is Abb. 5. Mesosystolische Inzisur der Aortenklappen bei IHSS infolge linksventrikulärer Aus-
flußtraktobstruktion.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
746 Zur Arbeit Hanrath u.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
-
--
VOADERWAND Re.
VEITR(KEL
VORDERES MITRALSEOEL systohsche VORWARTSEEWEGUNG der MITRALSEGEL
HINTERES MITHALSEGEL H INTER WA ND
icmj
-;
is Abb. 6. Echokardiogramm bei IHSS mit asymmetrischer Septumhypertrophie (Wanddicke SeptumHinterwand 2,0), systolische Vorwärtsbewegung des Mitralsegels, kleiner interventrikulärer Querdurchmesser, reduzierte frühdiastolische Öffnungsbewegung des Mitralsegels und breitflächiger diastolischer Kontakt zwischen Septum und vorderem Mitralsegel.
PRrzEHr-No:eae1?
DRTE:89-1 1-?4
LA
vord.Mitralsegel
hint.Mitralsegel Hinterwand LV
hypertrophiertes Septum Abb. 7. Multielement-Echokardiogramm bei IHSS mit '>bananenähnlicher« Struktur des Ausflußtraktes infolge sich kissenartig vorwölbender asymmetrischer Septumhypertrophie.
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INTERVENTRIKULARES SEPTUM
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
Re.Ventri kel
Septum vord.M itraIsege
hint.Mitralsegel H j nterwand EKG
O,5s
O,5s
Abb. 8. Klassischer echo- und phonokardiographischer Befund bei Mitralkiappenprolaps. Mesosystolische Dorsalbewegung des hinteren Mitralsegels (Pfeil). Phonokardiographisch: mesosystolischer Klick und spätsystolisches Geräusch.
AORTENWAND
iî-í r
(
AORTEN WAND AORTEN KLAPPEN AD RI E N k L APP E N
-
AORTENWAND AORTEN WAND
-
-.
1cm
1cm
=
is Abb. 9. Normale Aortenklappen (linke Bildhälfte), stenosierende, verkalkte Aortenklappen, deutlich verkleinerte Klappenöffnungsfläche (rechte Bildhälfte).
VORDERWAND
I
-
-
_.__,
----,
-
-
Re.
VENTRIKEL
VOR DE R ES
TRIKUSPIDALSEGEL HINTE RES
is Abb. 10. Normales Echokardiogramm des vorderen und hinteren Trikuspidalsegels.
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-Prolaps deshint.Mitralsegels
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Abb. 11. Anlotung einer Pulmonalarterienklappe von der Aortenposition aus durch Drehung des Schallkopfes nach links lateral kranial (linke Bildhälfte). Darstellung des hinteren Pulmonalklappensegels mit vanierender Klappcnöffnungsdauer infolge Vorhofflimmerns.
-
SEPTUM
Li. VENTR.
VORDERES
MIT RA LSE G E L HINTER ES
HINT ER WAND PERIKARDERGUSS
PERIKARD
1cm
t.
LUNGE t
I Abb. 12. Perikarderguf: echofreie Zone zwischen Perikard und Epikard der Hinterwand bei einem 32jährigen Patienten mit kongestiver Myokardiopathie.
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Klinische Anwendung der Echokardiographie
