Ultrasonographic vascular mechanics: feasibility, usefulness, and clinical applications

Tese de doutoramento em Ciências da Saúde, na especialidade de Medicina, apresentada à Faculdade de Medicina da Universidade de CoimbraThe development of accurate non-invasive methods of early diagnosis of vascular degenerative changes is of considerable clinical interest, given that cardiovascular disease remains the leading cause of death worldwide and large artery damage is a major contributor to cardiovascular disease. Ultrasound delivers dynamic images of the heart and central arteries. Two-dimensional speckle tracking echocardiography (2D-STE) is a semi automated analysis based on frame-by-frame tracking of tiny echo-dense speckles within the myocardium, from which deformation variables such as strain, strain rate, velocity and displacement can be studied. Initial attempts to study cardiac mechanics were focused on the left ventricular chamber, but its usage has been expanded and validated for the right ventricle, as well as the thin-walled atrial chambers. Later, direct vessel-wall tracking has been achievable through 2D-STE. The focus on previous vascular mechanics studies was the circumferential expansion and recoil of the vessel wall, which enabled the assessment of a positive systolic strain plus a positive and negative strain rate. Vascular mechanics assessment with 2D-STE has been validated with sonomicrometry studies and an association with vascular mechanics and the collagen content of vascular wall has also demonstrated, promoting vascular mechanics with 2D-STE as a new imaging surrogate of vascular stiffening. We used 2D-STE to study aortic mechanics in patients with aortic stenosis (AS), with hypertension, and atrial fibrillation (AF), in order to assess i) the methodology feasibility and reproducibility; ii) to study the variability of vascular mechanics; iii) to assess the association of vascular mechanics and vascular stiffness. In the first part of our research we studied 45 patients with moderate to severe AS (aortic valve area ≤ 0.85 cm2/m2) with 2D-STE at the level of the thoracic ascending aorta. We demonstrated that the left ventricular stroke volume index was the most important variable to explain aortic strain variability. Moreover, the vascular rigidity assessed with the aortic β1 stiffness index was useful to explain the aortic strain rate variability. As an exploratory results, we have showed that aortic mechanics were associated with mortality. Subsequently we used 2D-STE to study vascular mechanics at the level of the aortic arch. We enrolled a cohort of 61 apparently healthy participants, and we reported normal values. In this study we have also included a group of 46 hypertensive patients that had lower values of aortic mechanics than the healthy group (strain: 6.3±2.0% vs 11.2±3.2% and strain rate: 1.0±0.3 vs 1.5±0.4 s-1, respectively, both P<0.01). We have demonstrated that aortic arch mechanics correlated with the gold standard method used to study vascular stiffness (pulse wave velocity, with the Complior® method) and finally we have also identified that parameters of vascular mechanics were associated with left ventricular relaxation. After adjustments for age and pulse pressure, aortic arch strain was significantly lower in hypertensive patients, when compared to healthy subjects. Finally, we studied aortic mechanics at the level of the descending aorta in a cohort of 44 patients with non-valvular AF who needed cardioversion and were referred for transesophageal echocardiography (TEE). We concluded for a positive association of vascular mechanics and the left atrial appendage function. Moreover, as the CHA2DS2VASc score increased both the vascular strain (r=-0.38, P=0.01) and the vascular strain rate (r=-0.42, P<0.01) decreased. Aortic strain remained independently associated with a past history of stroke after adjustment for the CHA2DS2VASc score. The feasibility values for vascular mechanics with 2D-STE ranged from 85% to 95% for the selected patients included in the three studies. Of the total 1176 segments included in the studies, we extracted 2D-STE data for 1075 aortic wall segments. Regarding reproducibility, data was considered adequate, in particular for the assessment of global strain and strain rate. In conclusion, it was possible to study vascular mechanics with 2D-STE at three different aortic levels. Our worked contributed to promote vascular mechanics as an imaging vascular risk marker. The usefulness of aortic strain and strain rate was established to identify higher risk subgroups of patients with degenerative AS and non-valvular AF. Aortic arch strain remained significantly lower for hypertensive patients, when compared to healthy subjects.O desenvolvimento de métodos não-invasivos para o diagnostico de alterações degenerativas vasculares é de considerável interesse clínico, dado que a doença cardiovascular permanece a principal causa de morte em todo o mundo. A ecocardiografia com speckle-tracking é um método de análise da imagem ecográfica semi–automatizado, baseado no seguimento de pontos ecodensos da parede do miocárdio ao longo do ciclo cardiaco. A integração informática do movimento dos segmentos miocárdicos, permite a determinação da velocidade, do deslocamento, da deformação (strain) e da taxa de deformação (strain-rate) dos segmentos miocárdicos. O estudo da mecânica cardiaca por speckle-tracking foi inicialmente focado na câmara ventricular esquerda, mas a sua utilização foi alargada e validada para o ventrículo direito, bem como para as câmaras auriculares, que apresentam uma espessura de parede mais reduzida. Recentemente, foi analisada a deformação da parede vascular com a metodologia de speckle-tracking. A atenção tem sido centrada na expansão circunferencial e no recuo da parede vascular. Tal conduz a um padrão de deformação vascular característico, com um pico sistólico positivo de deformação (strain) circunferencial e um pico positivo da taxa de deformação (strain rate) vascular. A avaliação da mecânica vascular com speckle-tracking foi validada com estudos de sonomicrometria, e uma associação entre a mecânica vascular e o conteúdo de colágeno da parede vascular foi também demonstrada. Desta forma foi sugerida a utilização da mecânica vascular por speckle-tracking como um marcador imagiólógico da rigidez vascular. Com a presente tese tivemos como objetivos a utilização da metodologia de speckle-tracking para estudar a mecânica vascular da aorta torácica em doentes com estenose aortica (EA) degenerativa, com hipertensão arterial, e com fibrilhação auricular (FA) não-valvular, a fim de avaliar i) a exequibilidade e reprodutibilidade da metodologia; ii) estudar a variabilidade da mecânica vascular; iii) avaliar a associação da mecânica vasculares à rigidez vascular. Nos primeiros dois estudos foram incluídos 45 doentes com EA degenerativa moderada a grave (área valvular aórtica ≤ 0,85 cm2/m2). Foi analisada a mecânica da aorta torácica ascendente, por ecocardiografia transtoracica e por speckle-tracking. Foi demonstrado que o volume ejeção do ventrículo esquerdo indexado foi a variável mais importante para explicar a variabilidade do strain da aorta torácica ascendente. Em contraste, a rigidez vascular avaliada com o índice β1 foi útil para explicar a variabilidade do strain rate vascular da aorta torácica ascendente. Como um resultado exploratório foi possível associar a mecânica vascular da aorta torácica ascendente ao prognóstico. Subsequentemente foi utilizada a mesma metodologia de speckle-tracking para estudar a mecânica vascular ao nível do arco aórtico. Foi incluída uma coorte de 61 participantes, aparentemente saudáveis, tendo sido apresentados os valores de normalidade para o strain e o strain rate vascular ao nível da crossa da aorta. Este estudo também incluiu um grupo de 46 doentes com hipertensão arterial, que apresentou valores mais reduzidos da mecânica da aorta do que o grupo saudável (strain: 6,3±2,0% vs 11,2±3,2% e strain rate: 1,0±0,3 vs 1,5±0,4 s-1, ambos com valor de P <0,01). Foi demonstrado que os valores da mecânica vascular do arco aortico se correlacionaram com a velocidade da onda de pulso (avaliada pelo método Complior®). Os parâmetros da mecânica vascular foram também associados à velocidade de relaxamento do miocárdio do ventrículo esquerdo. Após ajuste para idade e pressão de pulso, o strain vascular do arco aórtico foi significativamente menor no grupo de doentes hipertensos, quando comparado com o grupo de participantes saudáveis. Por último, estudamos a mecânica vascular ao nível da aorta torácica descendente, numa coorte de 44 doentes com FA não-valvular, referenciada para cardioversão eléctrica e ecocardiografia transesofágica. Demonstramos uma correlação positiva entre mecânica vascular e a função do apêndice auricular esquerdo. Para além disso, como o aumento da pontuação do score CHA2DS2VASc foi observada uma redução do strain vascular (r=-0,38, P=0,01) e do strain rate vascular (r = -0,42, P