Schlagvolumen und Herzzeitvolumen (LVOT-VTI)

Klinischer Hintergrund

Die dopplerbasierte Berechnung von Schlagvolumen und Herzzeitvolumen über den linksventrikulären Ausflusstrakt (LVOT) ist das standardisierte nichtinvasive Verfahren der Flussmessung in der Echokardiographie. Es dient zwei wesentlichen Entscheidungen: der Beurteilung des Herzzeitvolumens in der hämodynamischen Abklärung und der Bestimmung des Schlagvolumenindex, der der Graduierung der Aortenklappenstenose mit niedrigem Fluss zugrunde liegt. Ohne eine zuverlässige Schlagvolumenberechnung lässt sich die Kontinuitätsgleichung nicht zur Bestimmung der Klappenöffnungsfläche nutzen, und Low-Flow-Phänotypen der Aortenklappenstenose können weder erkannt noch von einer mittelgradigen Stenose abgegrenzt werden.

Berechnung von Schlagvolumen und Herzzeitvolumen

Das Verfahren beruht auf der Annahme, dass der LVOT kreisrund ist und das Flussprofil flach verläuft. Die Querschnittsfläche wird aus dem LVOT-Durchmesser berechnet, und das Schlagvolumen ergibt sich durch Multiplikation der Fläche mit dem über einen Herzzyklus zeitintegrierten Geschwindigkeitsverlauf (VTI):

$$A_{\text{LVOT}} = \pi \times \left(\frac{d_{\text{LVOT}}}{2}\right)^{2}$$

$$SV = A_{\text{LVOT}} \times \text{VTI}_{\text{LVOT}}$$

$$CO = SV \times HR$$

$$CI = \frac{CO}{BSA}$$

Dabei ist $d_{\text{LVOT}}$ der LVOT-Durchmesser in cm, $\text{VTI}_{\text{LVOT}}$ das Geschwindigkeits-Zeit-Integral im LVOT in cm, $HR$ die Herzfrequenz in Schlägen/min und $BSA$ die Körperoberfläche in m².

Der LVOT-Durchmesser wird in der parasternalen langen Achse in der Mitsystole 5 bis 10 mm proximal der Aortenklappe gemessen und soll den kleinsten Durchmesser des Ausflusstrakts abbilden [1]. Das LVOT-VTI wird mit gepulstem Doppler im apikalen Fünfkammerblick gemessen, wobei das Messvolumen auf derselben Höhe liegt, auf der der Durchmesser bestimmt wurde. Drei aufeinanderfolgende Herzschläge sollten gemittelt werden, insbesondere bei Vorhofflimmern.

Das Verfahren wurde in seiner heutigen Form durch die gemeinsamen Leitlinien von ASE und EACVI zur echokardiographischen Untersuchung standardisiert, zuletzt 2019 überarbeitet [1]. Die Leitlinien definieren Messtechnik, Schnittebenen und Anforderungen an die Bildqualität, leiten aber keinen Score aus einer bestimmten Kohorte ab, da es sich um eine physikalische Berechnung und nicht um ein Risikomodell handelt.

Interpretation in der Praxis

Ein Schlagvolumenindex unter 35 mL/m² ist der etablierte Schwellenwert der Low-Flow-Aortenklappenstenose und entscheidet, ob eine Patientin oder ein Patient mit niedrigem Gradienten und erhaltener Ejektionsfraktion als paradoxe Low-Flow-Stenose oder als nicht hochgradige Stenose einzuordnen ist. Bei der Graduierung der Aortenklappenstenose entscheidet dieser Wert darüber, ob die mit der Kontinuitätsgleichung bestimmte Klappenöffnungsfläche als echt hochgradig oder als Artefakt eines niedrigen Flusses zu interpretieren ist.

Für das rein hämodynamische Monitoring, etwa auf der Intensivstation, ist das Verfahren eher zur Verlaufsbeobachtung als zur Absolutmessung wertvoll. Da der LVOT-Durchmesser bei Erwachsenen anatomisch fix ist, muss er nicht bei jeder Untersuchung erneut gemessen werden; Änderungen des LVOT-VTI bilden dann unmittelbar Änderungen des Schlagvolumens ab.

Validierung und Testgüte

Die Übereinstimmung des Verfahrens mit der Thermodilution wurde in mehreren Zusammenhängen untersucht. In einer prospektiven Studie an 167 Patientinnen und Patienten mit koronarer Bypass-Operation wurde das Herzzeitvolumen unter stabilen hämodynamischen Bedingungen mit dem LVOT-VTI mittels transösophagealer Echokardiographie und mit der Thermodilution über einen Pulmonalarterienkatheter gemessen [2]. Das mediane CO betrug 3,64 L/min (IQR 1,59) mit dem LVOT-VTI und 3,90 L/min (IQR 1,6) mit der Thermodilution, was auf eine systematische Unterschätzung um etwa 0,25 L/min durch das Doppler-Verfahren hinweist. Die Korrelation zwischen beiden Verfahren war jedoch nur mäßig (r = 0,28), was weite Übereinstimmungsgrenzen auf Individualebene widerspiegelt.

Eine Studie an Intensivpatientinnen und -patienten, bei denen sich der LVOT-Durchmesser bei etwa 27 % nicht messen ließ, veranschaulicht die praktische Grenze [3]. Wurde die Körperoberfläche als Surrogat für den LVOT-Durchmesser verwendet, wurde der Fehler sehr groß: Der prozentuale Fehler betrug 58 % mit einer modifizierten BSA-Methode und 91 % mit der unbearbeiteten BSA als Surrogat. Selbst ein auf Patientenmerkmalen beruhendes Machine-Learning-Modell ergab im Vergleich zur Expertenmessung einen prozentualen Fehler von 33 %. Die Schlussfolgerung lautete, dass die Körperoberfläche nicht als Ersatz für den gemessenen LVOT-Durchmesser verwendet werden sollte.

Die Reproduzierbarkeit der VTI-Messung wurde in einer Studie mit 25 Untersuchenden und 20 Patientinnen und Patienten mit Aortenklappenstenose geprüft [4]. Der Variationskoeffizient des VTI im LVOT mit gepulstem Doppler betrug 18,0 % (Intra-Observer 11,9 %, Inter-Observer 12,9 %) gegenüber 10,1 % für die Messung der Spitzengeschwindigkeit auf derselben Kurve. Hauptursache der schlechteren Reproduzierbarkeit des VTI waren die steilen Flanken zu Beginn und am Ende der Doppler-Hüllkurve, die sich nur schwer konsistent nachzeichnen lassen. Das bedeutet, dass eine Änderung des LVOT-VTI von weniger als etwa 28 % bei einer einzelnen Patientin oder einem einzelnen Patienten mit 95 % Konfidenz nicht vom Messfehler zu unterscheiden ist.

Limitationen

Der LVOT-Durchmesser geht quadriert ein und ist damit die dominierende Fehlerquelle. Ein Messfehler von 2 mm bei einem Durchmesser von 20 mm ergibt einen Fehler der Querschnittsfläche von etwa 20 %. Die Messung erfolgt in der parasternalen langen Achse in der Mitsystole mit der Innenkante-zu-Innenkante-Technik an der Basis der Aortenklappensegel. Eine fehlerhafte Platzierung des Messvolumens für die VTI-Messung, zu weit proximal oder distal des Durchmessers, führt zu weiteren Fehlern.

Das Verfahren setzt eine kreisrunde LVOT-Geometrie voraus. Bei ausgeprägter konzentrischer Hypertrophie oder sigmoidem Septum kann der Querschnitt oval sein, was zu einem systematischen Fehler der Flächenschätzung führt. Das ist bei Aortenklappenstenose mit ausgeprägter Kammerhypertrophie besonders relevant.

Die Körperoberfläche darf nicht als Surrogat für den LVOT-Durchmesser verwendet werden [3]. Die interindividuelle Variation des LVOT-Durchmessers ist zu groß, als dass BSA-basierte Schätzungen klinisch akzeptabel wären.

Das Verfahren gilt nicht bei mechanischer Aortenklappenprothese, bei hochgradiger Aortenklappenstenose mit Verkalkung im LVOT oder bei hypertropher Kardiomyopathie mit dynamischer Ausflussobstruktion, da das Flussprofil dann nicht flach ist und die Doppler-Kurven schwer zu interpretieren sind. Bei unregelmäßigem Rhythmus, insbesondere Vorhofflimmern, ist über mehrere Schläge zu mitteln, und bei großer Schlag-zu-Schlag-Variabilität wird die Berechnung unsicher.

Die hohe Variabilität der VTI-Messung bedeutet, dass das Verfahren eher auf Gruppenebene und zur Verlaufsbeobachtung als zur absoluten Bestimmung bei der einzelnen Patientin oder dem einzelnen Patienten geeignet ist [4]. Bei klinischen Entscheidungen, die auf einer Einzelmessung beruhen, etwa der Graduierung einer Low-Flow-Aortenklappenstenose, sollte die Messung daher wiederholt und von einer erfahrenen untersuchenden Person über mehrere Schläge gemittelt werden.

Quellen

1. Mitchell C et al. Guidelines for Performing a Comprehensive Transthoracic Echocardiographic Examination in Adults: Recommendations from the American Society of Echocardiography. J Am Soc Echocardiogr 2019. PMID: 30282592
2. Komanek T et al. Quantification of left ventricular ejection fraction and cardiac output using a novel semi-automated echocardiographic method: a prospective observational study in coronary artery bypass patients. BMC Anesthesiol 2023. PMID: 36855077
3. Aligholizadeh E et al. A novel method of calculating stroke volume using point-of-care echocardiography. Cardiovasc Ultrasound 2020. PMID: 32819371
4. Sacchi S et al. Doppler assessment of aortic stenosis: a 25-operator study demonstrating why reading the peak velocity is superior to velocity time integral. Eur Heart J Cardiovasc Imaging 2018. PMID: 29346531