Caracterización tisular miocárdica por ultrasonidos: Backscatter

INTRODUCCIÓN

Principios básicos de física que se aplican en la caracterización tisular

La caracterización tisular por ultrasonidos es una técnica diagnóstica basada en la aproximación a la definición de las propiedades estructurales y funcionales del tejido cardiovascular, mediante el principio de que el estado físico del tejido puede expresarse de forma cuantitativa por el análisis de las interacciones entre el ultrasonido y el tejido mismo ^1-3 . Son pertinentes algunas definiciones que se exponen a continuación.

Impedancia acústica

Es el producto de la densidad y velocidad de propagación en un medio dado y depende de las interacciones fisiológicas y dinámicas que en este tejido se producen.

La longitud de onda del ultrasonido es directamente proporcional a su velocidad de propagación e inversamente proporcional a la frecuencia de transmisión utilizada. Aunque teóricamente aumentando la frecuencia mejoraría la resolución de la imagen, al disminuir la longitud de onda, esto en la práctica no es cierto debido a un fenómeno acústico conocido como atenuación, que consiste en la disminución de la amplitud de las ondas a medida que avanza el ultrasonido en el tejido. La atenuación es, por tanto, una pérdida de energía por absorción, retrodispersión y/o reflexión del haz de ultrasonidos. Tiene una relación lineal con la frecuencia y es posible conocer las características físicas de un tejido si modificamos sus condiciones patofisiológicas y analizamos su curva de atenuación/frecuencia ⁴ .

Backscatter

Cuando el ultrasonido alcanza el límite de separación entre dos zonas con diferente impedancia acústica se produce una reflexión de la onda que se denomina especular y es la que observamos en ecocardiografía convencional, al ser su longitud de onda menor que el límite de separación entre las dos zonas (interfase sangre-tejido), pero cuando la longitud de onda es mayor que la interfase (estructuras extracelulares-estructuras intracelulares), la reflexión ocurre debido a «scattering», es multidireccional, y si se analiza la que vuelve hacia el transductor se denomina entonces Backscatter o retrodispersion. En estudios iniciales el procesamiento de las señales Backscatter frecuencia-dependientes requerían su normalización comparándola con la señal recibida de un reflectante puro (plancha de acero) dando lugar a la función Backscatter ⁵ . La integral del Backscatter (IBS) es el promedio de los valores «backscatter» cuando se tiene en cuenta toda la banda de frecuencias emitida por el transductor utilizado ⁶ .

Variación cíclica del IBS

La estimación del IBS puede obtenerse también por el análisis de las señales Backscatter tiempo-dependientes normalizadas con respecto a un valor referencia de voltaje expresándose como una escala en decibelios ⁷ . La IBS varía a lo largo del ciclo cardíaco, «Cyclic Variation of Integrated Backscatter» (CVIBS), presentando los valores máximos al final de diástole y los mínimos al final de sístole ^8,9 (fig. 1). El valor medio o promedio de la amplitud del CVIBS es de 5 dB en el miocardio normal. Otro parámetro determinado habitualmente es el tiempo de retraso de la CVIBS, que es el intervalo en ms entre la onda Q del electrocardiograma hasta el mínimo de la variación cíclica dividido por el intervalo QT en ms (fig. 2). El resultado nos ofrece una idea sobre el grado de sincronía entre la CVIBS y los acontecimientos electromecánicos de la sístole ventricular izquierda. Su valor normal es 0,8-1,0 ms ^10,11 .

Con los sistemas actuales en tiempo real se ha conseguido que la imagen sea paramétrica y que cada elemento de ella represente el valor relativo del IBS. El aspecto granulado que se observa en las imágenes IBS se debe en parte a las interferencias entre las imágenes retrodispersadas.

La CVIBS en el miocardio normal puede verse afectada por fenómenos como la anisotropía que implica la dependencia del ángulo de incidencia del haz de ultrasonidos con respecto a las fibras musculares, de tal forma que su valor es mayor cuando el haz es perpendicular a las fibras, y menor cuando es paralelo o a lo largo de su eje ^12-14 . Otros factores que alteran su valor son las diferencias en la resolución y en la relación señal-ruido entre campo cercano y lejano. También es dependiente de los controles de la máquina (poder acústico y ganancias), ya que si éstos son bajos no producen suficiente señal para conseguir una variación cíclica significativa, mientras que si son altos causan saturación de la señal y enmascaran su magnitud ¹⁵ . Los mecanismos responsables de la CVIBS no se conocen y se han postulado desde cambios en la impedancia acústica o cambios en la orientación o forma de las fibras durante el ciclo cardíaco hasta cambios en los módulos elásticos durante el acortamiento sistólico ¹⁶ , pero probablemente representan más el estado de la contractilidad intramural que un fenómeno puramente geométrico ¹⁷ . Las propiedades acústicas del miocardio en sujetos sanos varían según la localización de la zona estudiada y también se ven influidas por el envejecimiento ¹⁸ . Cambios en la precarga, postcarga y contractilidad no parecen afectar al valor de la IBS calibrada. Sin embargo, la respuesta de la CVIBS a los cambios en la contractilidad es controvertida. Algunos grupos han referido que el aumento del inotropismo con dobutamina incrementaría su magnitud ^19,20 . Nuestras series experimentales y en pacientes sugieren que esto no es así, y que la magnitud de la CVIBS representa una medida de estructura del tejido en sí ^21-23 .

IBS calibrado

Todavía no existe acuerdo definitivo en cómo calibrar la IBS para que sus valores sean comparables entre pacientes. Cohen correlacionó las medidas obtenidas experimentalmente en perros con las medidas de la superficie epicárdica en perros con tórax abierto, pero las condiciones de atenuación son distintas en humanos ²⁴ . Otros autores, como Picano, han utilizado el pericardio como método de calibración pero ha sido invalidado en presencia de engrosamiento ²⁵ .

Naito ideó un método que consiste en calibrar el IBS del miocardio con la señal Power Doppler de la sangre en la cavidad del ventrículo izquierdo, próximo al endocardio septal, a lo largo del mismo haz de ultrasonido, para así evitar el fenómeno de atenuación ^26-28 . La calibración con sangre se puede ver afectada por los valores bajos del hematócrito (2dB por cada 10% con transductor de 3,5 MHz). Otra objeción a este método es la duda de que parte de la señal recibida desde la sangre sea un artefacto.

Densitometría acústica

Recientemente, hemos podido reproducir y validar los primeros estudios en IBS, realizados con imágenes analógicas y analizados con sistemas «off line» de videodensitometría mediante el uso de sistemas digitales de adquisición de imágenes fundamentales y armónicas ²⁹ . Éstos fueron analizados con sistemas «on line» como la densitometría acústica (DA), mejorando la calidad del estudio, acortando los tiempos de estudio y facilitando así el acercamiento de una técnica de investigación a la asistencia clínica diaria.

El análisis mediante DA tiene una buena correlación con el análisis por radiofrecuencia ³⁰ . Con este método se pueden adquirir «on line» hasta dos s (60 imágenes recogidas con intervalos de 30 ms) de imagen real en IBS que se almacenan en un disco óptico para posteriores análisis (figs. 3 y 4). Es preciso optimar los controles de ganancia, filtros e índice mecánico en cada caso para conseguir la mejor calidad posible de imagen (miocardio bien contrastado pero sin brillos intensos) porque es con la que se consiguen valores más consistentes de CVIBS. El análisis se efectúa colocando una zona de interés de forma y tamaño variable en el miocardio que el operador mueve durante el avance de las imágenes, evitando el contacto con zonas de reflexión especular (endocardio o epicardio) y siguiendo en el movimiento sistólico al miocardio más próximo al borde endocárdico porque es la zona de mayor actividad contráctil. De esta manera los valores del IBS miocárdico se adquieren a lo largo del ciclo cardíaco que había sido almacenado y se pueden presentar en un gráfico dB/tiempo del que se puede deducir la variación cíclica. Este mismo análisis se puede realizar cuando se utilizan contrastes intramiocárdicos; la única diferencia en la presentación del gráfico es que la intensidad de la señal IBS en dB se presenta como una función del tiempo según va pasando el contraste a través de la zona de interés.

APLICACIONES CLÍNICAS DEL ANÁLISIS BACKSCATTER

Isquemia aguda

Desde los primeros estudios experimentales se observó que el valor promedio de la IBS aumentaba una hora después de la ligadura de una arteria coronaria en el perro ³¹ . En otros se sugería que este incremento era consecuencia de la disminución del engrosamiento sistólico de pared secundario a la isquemia ³² . Así mismo, se observaba una disminución del valor en la CVIBS ^9,17 , y que éste, a su vez, podía tener un incremento directamente proporcional a la frecuencia de emisión utilizada ³³ .

Utilizando señales de radiofrecuencia durante la realización de pruebas de esfuerzo en pacientes con afectación de la descendente anterior se evidenció caída del Backscatter en sístole y alargamiento del tiempo de retraso en el septo interventricular, con posterior normalización mientras que no se observó cambio alguno en la pared posterior, que estaba adecuadamente perfundida ³⁴ . Este mismo grupo comunicó en otra serie de las mismas características clínicas que la isquemia inducida por el ejercicio se asociaba a reducción de la CVIBS ³⁵ . En la isquemia inducida por estimulación auricular transesofágica en pacientes con sospecha de enfermedad coronaria estudiados con coronariografía se producía un descenso de la magnitud de CVIBS y una reducción del engrosamiento sistólico sólo en las zonas irrigadas por las arterias afectadas, volviendo a sus valores basales al finalizar la estimulación más precozmente que la normalización del movimiento de pared ³⁶ .

Viabilidad miocárdica

El diagnóstico de viabilidad después de una isquemia aguda (miocardio aturdido) ³⁷ , que se ha basado en signos como un pico de CPK pequeño o cambios ECG sin onda Q, o en la enfermedad coronaria crónica (miocardio hibernado), es decir, una historia de angina acompañada de segmentos asinérgicos por ecocardiografía convencional, han presentado una discordancia del 40% al compararlos con los estudios de viabilidad con la tomografía de emisión de positrones (TEP). Su diagnóstico precoz es de gran trascendencia clínica, pues los pacientes que teniendo viabilidad no son revascularizados presentan una tasa de eventos cardíacos del 48% a 1-3 años de seguimiento, frente al 11-16% de aquellos con viabilidad que fueron revascularizados o los que no tenían viabilidad ^38-40 . La identificación de miocardio viable es importante en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca congestiva de etiología coronaria, ya que un elevado número de pacientes puede beneficiarse de revascularización en vez de tratamiento exclusivamente médico de un trasplante cardíaco ⁴¹ . El eco de estrés con dobutamina (DSE) es comparable a la TEP ⁴² y al talio ⁴³ , pero están siendo utilizadas nuevas técnicas como la ecocardiografía de contraste y el Backscatter, que ofrecen un método de valoración de la contractilidad miocárdica independiente del movimiento de pared.

En estudios clínicos recientes hemos encontrado que la CVIBS en reposo puede predecir la isquemia y la viabilidad después del DSE ²³ . Los valores basales de CVIBS se correlacionan con la reserva contráctil en pacientes con asinergia crónica isquémica durante el DSE. En otro estudio realizado en un grupo de pacientes de estas características que presentaban asinergia de pared anterior o inferior y disfunción sistólica sometidos a esta prueba con dosis bajas de dobutamina, la magnitud de la CVIBS en situación basal fue mayor en los segmentos que respondieron favorablemente a la dobutamina que en los que persistió la asinergia durante la prueba ⁴⁴ .

La magnitud de la CVIBS disminuida por la isquemia se normaliza después de la reperfusión antes de que lo haga el movimiento regional de la zona afectada. El retraso en la normalización del movimiento de pared se puede deber a varias causas: a) la recuperación de la contracción intramural puede ser heterogénea inmediatamente después de la reperfusión alternando zonas de contracción sincrónica con otras asincrónicas; b) el aumento de la poscarga impuesto a los segmentos dañados pero funcionantes por los segmentos normales, y c) durante la reperfusión se activa una proteasa intracelular por la sobrecarga del Ca ⁺⁺ que produce la desaparición de proteínas del citoesqueleto y probablemente la disfunción contráctil en el miocardio aturdido ⁴⁵ . Esto se ha comprobado experimentalmente en el modelo animal con perros ^10,46 . También en pacientes que habían sufrido un infarto agudo de miocardio, aquellos que tenían la arteria responsable permeable presentaban una recuperación de la CVIBS 24 h después del inicio de los síntomas, pero no los que tenían la arteria ocluida ¹¹ . En un grupo de pacientes con infarto agudo de miocardio se comprobó que cuanto mayor era la magnitud de la CVIBS-corregida (asignándole un valor negativo cuando el tiempo de retraso era mayor de 1,2 s como indicativo de asincronía) a los tres días del evento, mayor era la posibilidad de mejoría funcional de los segmentos afectados a los 21 días ⁴⁷ . En otro estudio durante la angioplastia de una arteria coronaria, en las zonas irrigadas por ésta había un descenso de la CVIBS que se normalizaba al deshinchar el globo del catéter ⁴⁸ .

Infarto

En el área de un infarto crónico, la magnitud de la CVIBS es significativamente más baja que en las zonas sanas con contractilidad normal ^49,50 (fig. 5). El análisis del Backscatter tiempo-dependiente mediante la cuantificación de la CVIBS está limitado por su falta de especificidad, ya que su descenso no permite distinguir entre un infarto agudo o crónico. En estos casos es más útil el análisis frecuencia-dependiente estudiado hasta ahora en tejidos aislados y en animales. Esta técnica permite diferenciar un tejido isquémico agudo pero viable de un infarto con daño irreversible aunque los dos presenten el mismo grado de asinergia. El miocardio normal y el isquémico agudo tienen una frecuencia-dependiente dada mientras que el infarto irreversible tiene una frecuencia-dependiente significativamente menor que la del tejido normal ^51,52 . La razón para esta coincidencia de valores entre el tejido isquémico agudo y el normal es la ausencia de grandes agregados «scatterers» como el colágeno, tan frecuentes en el infarto crónico, ya que está demostrada la correlación entre el contenido de colágeno valorado por la concentración de hidroxiprolina y el valor de la IBS ⁵³ .

La falta de homogeneidad transmural de fibrosis miocárdica o la presencia de viabilidad en una zona con infarto crónico, o dicho de otra manera, la distinción entre un infarto transmural y un infarto sin onda Q puede hacerse a través del análisis IBS calibrado. En el infarto anterior sin onda Q la IBS calibrada fue significativamente mayor y la CVIBS fue significativamente menor en la mitad del septo correspondiente al ventrículo izquierdo que en la mitad que correspondía al ventrículo derecho, pero esta diferencia no se observó en los de localización posterior entre la mitad epicárdica y la endocárdica ni en los infartos transmurales, fueran de localización anterior o posterior ⁵⁴ .

Hipertrofia

La hipertrofia ventricular izquierda es un mecanismo de adaptación a sobrecargas de presión como la hipertensión arterial y la estenosis aórtica, y también está presente en la miocardiopatía hipertrófica. En el corazón del atleta no se observa diferencia en los parámetros acústicos con respecto a grupos control de la misma edad ⁵⁵ . La magnitud de la CVIBS es significativamente menor en el septo de los pacientes hipertensos y en los afectados de miocardiopatía hipertrófica que en la población sana ⁵⁶ . Pero, más aún, estas dos hipertrofias se pueden diferenciar, ya que en la miocardiopatía la IBS calibrada fue significativamente mayor en la mitad septal correspondiente al ventrículo derecho que en la del izquierdo y también mayor en la epicárdica que en la endocárdica de la pared posterior ²⁷ .

Miocardiopatía dilatada y diabetes

El diagnóstico de miocardiopatía dilatada se realiza a partir de la detección de una dilatación ventricular izquierda y depresión general de la contractilidad, asociada a ausencia de enfermedad coronaria. El análisis histológico aporta importante información en la confirmación del diagnóstico, estimación del pronóstico y selección del mejor tratamiento. La magnitud de la CVIBS está disminuida en esta patología ⁵⁷ . Sin embargo, no tiene una tan buena correlación con el grado histológico de fibrosis como la que se encuentra con los altos valores de la IBS calibrada ²⁸ . La miocarditis es una patología de difícil diagnóstico por caracterización tisular debido a que en muchos pacientes se encuentran asociadas inflamación y fibrosis, a pesar de algunos excelentes resultados que refieren una muy buena correlación con la biopsia miocárdica ⁵⁸ .

En la diabetes, antes de que aparezcan los signos ecocardiográficos convencionales de afectación miocárdica, se puede documentar reducción de la CVIBS y alargamiento del tiempo de retraso, que será mayor cuanto más importante sea la afectación sistémica de los pacientes, principalmente neuropatía, retinopatía y nefropatía ⁵⁹ .

Rechazo del injerto

Los cambios histológicos que se producen durante el rechazo del injerto en el trasplante cardíaco se caracterizan por edema miocárdico, infiltrados celulares y, en los casos más severos, afectación del miocito y hemorragia intersticial. Durante el rechazo se reduce la magnitud de la CVIBS, más en la pared posterior que en el septo, con una tendencia hacia la recuperación de sus valores prerrechazo una vez superado éste. La normalización completa no se consigue en todos los casos, tal vez por la fibrosis intersticial que sigue a la necrosis de miocitos ⁶⁰ . La magnitud del IBS en el final de diástole por señales de radiofrecuencia está aumentada durante el rechazo y permite distinguir entre los de grado leve, moderado o severo, ya que este último que está asociado a daño miocítico presenta los valores más altos y es independiente de cambios en la función contráctil ⁶¹ . La caracterización tisular por ultrasonidos comparada con otras técnicas tiene en el rechazo una sensibilidad del 96% y una especificidad del 84% ⁶² .

CONCLUSIONES

La caracterización tisular miocárdica por ultrasonidos y concretamente la cuantificación del Backscatter es una técnica útil para el estudio de las estructuras miocárdicas y de su patología, principalmente en el análisis de la isquemia-viabilidad miocárdica. Está dejando de ser una técnica experimental para convertirse, gracias a su comercialización en algunos equipos, en una herramienta complementaria en los laboratorios de cardiología, de bajo coste comparada con estudios de medicina nuclear y de fácil acceso tanto ambulatoriamente como a la cabecera del paciente crítico.

Tiene pendiente el desarrollo de métodos de compensación para importantes problemas técnicos como su calibración, y eliminación de otros factores que distorsionan el análisis (anisotropía, variabilidad según el índice mecánico, ganancias o filtros escogidos). Tampoco sabemos si en el futuro el Backscatter se desarrollará separadamente o estará íntimamente ligado a la ecocardiografía de contraste. De cualquier manera, la experiencia clínica mundial adquirida con el uso de la caracterización del miocardio la ubica en un lugar de importancia para suplementar la información diagnóstica del ecocardiograma convencional