HeartAssist™ – инструмент автоматической классификации проекций и выполнения измерений при трансторакальной эхокардиографии взрослых

Эхокардиография (ЭхоКГ) играет важную роль в диагностике и лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Точная количественная оценка структур и функции сердца необходима для первоначальной оценки, планирования лечения и последующего наблюдения пациентов. Хотя количественная эхокардиографическая оценка, несомненно, повышает качество лечения пациентов, врачам тем не менее приходится измерять параметры вручную, что является трудоемкой задачей даже для опытных специалистов. Такие процедуры не только зависят от опыта врача, но и характеризуются также вариабельностью результатов как между исследованиями, так и между различными операторами.

В последнее время в области диагностической визуализации, включая ЭхоКГ, все чаще применяют методы искусственного интеллекта (ИИ). Благодаря использованию методов глубокого обучения качество алгоритмов ИИ было существенно повышено, что позволило эффективно и согласованно выполнять автоматизированные измерения в ЭхоКГ с необходимой точностью [1]. HeartAssist™ - это программное обеспечение, в котором используются методы ИИ на базе глубокого обучения. В основе HeartAssist™ лежит алгоритм SONIX HEALTH™, разработанный компанией ON:TACT HEALTH. Это программное обеспечение доступно в качестве встроенной функции на ультразвуковых аппаратах V7/V8 (Samsung Medison, Сеул, Корея). Ожидается, что за счет устранения ручных действий оператора функция HeartAssist™ позволит проводить измерения с воспроизводимыми результатами и снизит их вариабельность, устранив необходимость в выполнении повторяющихся трудоемких задач. Учитывая растущее бремя сердечно-сосудистых заболеваний и одновременный рост спроса на ЭхоКГ, полностью автоматизированная количественная эхокардиографическая оценка может быть чрезвычайно полезной с точки зрения снижения рабочей нагрузки медицинского персонала и обеспечения устойчивого развития отделения ультразвуковой диагностики.

Обычная количественная эхокардиографическая оценка состоит из следующих этапов: 1) определение проекции, 2) выбор соответствующих фаз сердечного цикла, включая конечно-диастолическую (ED) и конечно-систолическую (ES), 3) выбор целевой структуры, 4) выбор измеряемых параметров, 5) проведение ручных измерений (рис. 1). Для полного эхокардиографического исследования пациента обычно необходимо выполнить 20-30 измерений. Кроме того, чтобы учесть вариабельность между сердечными сокращениями, каждое измерение рекомендуется выполнять для двух или более сердечных циклов: трех для пациентов с нормальным синусовым ритмом и не менее пяти для пациентов с фибрилляцией предсердий [2]. Однако в повседневной практике эти рекомендации реализуются не в полной мере, поскольку весь процесс требует большого количества времени и усилий.

Рис. 1. Автоматизированные эхокардиографические измерения в B-режиме с помощью функции HeartAssist™ для взрослых.
HeartAssist™ снижает рабочую нагрузку за счет интеграции нескольких ручных действий при измерении в B-режиме в единую команду. Так, например, для ручного измерения параметров левого желудочка в парастернальной проекции по длинной оси требуется 14 нажатий клавиш, а в автоматическом режиме всего одно (уменьшение количества ручных действий на 93%).
HeartAssist™ автоматически идентифицирует полученное изображение в B-режиме, обнаруживает соответствующую фазу, например конечно-диастолическую и конечно-систолическую, и выполняет необходимые измерения. Для взрослых: а) пациент с фибрилляцией предсердий и трикуспидальной регургитацией; измерение максимальной скорости выполняется по всем доступным сердечным сокращениям; б) на экран выводится средняя максимальная скорость трикуспидальной регургитации; чтобы учесть вариабельность между сердечными сокращениями, каждое измерение рекомендуется выполнять для двух или более сердечных циклов (трех для пациентов с нормальным синусовым ритмом и не менее пяти для пациентов с фибрилляцией предсердий), однако в повседневной клинической практике эти рекомендации реализуются не в полной мере, поскольку весь процесс требует большого количества времени и усилий.
Автоматизированные измерения с помощью функции Heart Assist™ можно выполнять для нескольких сердечных циклов. По желанию пользователя автоматическое измерение можно продолжить на любое количество сердечных сокращений. Таким образом, в соответствии с клиническими рекомендациями пользователи могут получить среднее значение по нескольким последовательным сердечным циклам без дополнительных затрат времени.

HeartAssist™ помогает полностью автоматизировать каждый этап эхокардиографических измерений и, таким образом, избежать многоэтапной работы. Каждый автоматизированный этап интегрирован в единую последовательность, поэтому все процессы выполняются автоматически (рис. 1). HeartAssist™ автоматически сегментирует электрокардиограмму (ЭКГ) и выбирает соответствующие фазы сердечного цикла для измерений без участия оператора. Даже в отсутствие ЭКГ система автоматически определяет конечно-диастолическую и конечно-систолическую фазы по другим индикаторам. Кроме того, автоматические измерения с помощью функции HeartAssist™ можно выполнять как для одного, так и для нескольких сердечных циклов. Это позволяет снизить вариабельность между циклами и обеспечивает точные измерения для каждой эхокардиографической проекции без больших затрат времени и повторения одинаковых действий (рис. 2). Таким образом, HeartAssist™ - это перспективное решение для снижения рабочей нагрузки кабинета эхокардиографии за счет автоматизированного количественного анализа изображений. В этом информационном документе приводится обзор функции HeartAssist™ для взрослых и рекомендации по ее применению.

Рис. 2. Автоматическое измерение по нескольким сердечным циклам с помощью функции HeartAssist™.
Примечание. В настоящее время система выводит результат измерения только для одного сердечного цикла, однако со следующей версии (VI.03) можно будет отображать сразу несколько измерений.

Автоматическое определение проекций является фундаментальным этапом для автоматического анализа эхокардиографических изображений [1]. От правильности идентификации зависит точность последующей оценки. В предыдущих исследованиях моделей автоматической классификации проекций была достигнута точность в 84-92% для 15 проекций [3, 4]. При этом большинство исследований было посвящено классификации в B-режиме, и только в одном рассматривалась классификация допплеровских изображений - в нем общая точность классификации составила 96% [5]. Нам неизвестны какие-либо исследования, относящиеся к классификации изображений в M-режиме. Функция HeartAssist™ для взрослых не применяется отдельно в каждом режиме, вместо этого она обеспечивает автоматическую идентификацию проекций для наиболее часто используемых эхокардиографических изображений, включая 7 изображений в B-режиме, 2 изображения в M-режиме и 11 допплеровских изображений (табл. 1). Алгоритм классификации HeartAssist™ был проверен на 1237 изображениях, охватывающих широкий спектр сердечно-сосудистых заболеваний, включая пороки развития камер сердца и аритмии. Он превосходит по своим характеристикам ранее описанные методы. Средняя точность классификации с помощью HeartAssist™ для взрослых составила 98%. Сводная информация о точности классификации для каждой проекции приведена в табл. 1.

Таблица 1. Точность автоматической идентификации проекций.

Примечание. Точность автоматической идентификации этих 18 позиций оценивалась по 1201 изображению. Изображения, которые эксперты не смогли классифицировать, были исключены из анализа.
Точность распознавания определяется следующим образом:

CW - непрерывноволновой допплер; PW - импульсноволновой допплер.

После идентификации HeartAssist™ переходит к автоматическим измерениям параметров, соответствующих каждой позиции. Для оценки эффективности автоматического измерения с помощью функции HeartAssist™ для взрослых мы рассчитали коэффициент приемки, который определяется как процент измерений, принятых двумя специалистами (стаж работы 22 года и 6 лет).

Важным этапом трансторакальной ЭхоКГ является измерение размера и функции камер сердца - для этого необходимо точное оконтуривание эндокарда. В настоящее время границы эндокарда определяют вручную - это трудоемкая процедура, которая вариабельна как для разных исследований, так и в случае работы разных операторов. Именно поэтому возникает потребность в быстром, точном и автоматизированном анализе эхокардиограмм [1, 6]. Функция HeartAssist™ выполняет линейные измерения левого желудочка (ЛЖ), включая межжелудочковую перегородку, полость ЛЖ и заднюю стенку в парастернальной проекции по длинной оси, а также измерения левого предсердия (ЛП), синуса Вальсальвы и диаметра выносящего тракта правого желудочка (ПЖ) на проксимальном уровне (табл. 2) [2]. Кроме того, измеряются объемы ЛЖ и ПЖ по изображениям в верхушечных четырех- и двухкамерной проекциях. HeartAssist™ автоматически идентифицирует полученное изображение в B-режиме, обнаруживает соответствующую фазу, например конечно-диастолическую и конечно-систолическую, а затем выполняет необходимые измерения (рис. 1).

Поскольку для обнаружения конечно-диастолической и конечно-систолической фаз используется площадь ЛЖ, функция HeartAssist™ для взрослых работает даже без ЭКГ. Это может быть полезно в ситуациях, когда отсутствует возможность использовать ЭКГ. Характеристики автоматических измерений в B-режиме приведены в табл. 2.

Таблица 2. Коэффициенты приемки автоматических измерений в B-режиме.

Примечание. Качество автоматических измерений в парастернальной проекции по длинной оси и в верхушечной проекции оценивалось в группах из 47 и 44 пациентов соответственно. Коэффициенты приемки рассчитывались на уровне пациентов. Изображения, которые эксперты сочли непригодными для ручных измерений, были исключены из анализа.
ED - конец диастолы, ES - конец систолы.

Для выполнения автоматических измерений с нужной точностью в B-режиме необходимо соблюдать следующие рекомендации.
Глубину среза следует выбирать так, чтобы размер изображения всех исследуемых структур был максимальным [2]. Этим рекомендациям соответствует, в частности, такое положение среза, при котором за пределами перикарда остается около 1 см (рис. 3а) [2]. Если глубина задана неправильно, возрастает вероятность ошибки измерения или сбоя при их автоматическом выполнении (рис. 3б, в).

Рис. 3. Оптимальная глубина среза для автоматического измерения в B-режиме.

В соответствии с текущими рекомендациями для точной сегментации ЛЖ и ЛП в верхушечной четырехкамерной проекции предпочтительно, чтобы левосторонние структуры появлялись в правой части отображаемого сектора и правосторонние структуры слева (рис. 4а) [2]. Аналогичным образом желательно, чтобы передняя стенка ЛЖ в верхушечной двухкамерной проекции находилась справа (рис. 4б) и передняя стенка и аорта в верхушечной трехкамерной проекции также отображались справа (рис. 4в). Сегментация возможна, даже если изображение получено с обратной ориентацией структур (рис. 4г-е), однако в этом случае точность, скорее всего, будет низкой. В этом случае рекомендуется выполнить автоматические измерения повторно, предварительно перевернув изображения слева направо.

Рис. 4. Оптимальное позиционирование на изображении для сегментации ЛЖ и ЛП.
а) верхушечная четырехкамерная проекция; предпочтительно, чтобы левосторонние структуры находились в правой части отображаемого сектора, а правосторонние структуры - в левой; б) предпочтительно, чтобы передняя стенка ЛЖ в верхушечной двухкамерной проекции находилась справа; в) предпочтительно, чтобы передняя стенка и аорта в верхушечной трехкамерной проекции также отображались справа; г-е) сегментация возможна, даже если изображение получено с обратной ориентацией, однако точность, скорее всего, будет низкой. В этом случае можно повторить попытку, перевернув изображение слева направо.

Для точного измерения объема ЛЖ его верхушка должна быть центрирована в секторе, а размер по длинной оси должен быть максимальным (рис. 5а) [2]. При неправильном выборе плоскости визуализации появятся геометрические искажения (укорочение), которые приводят к заниженной оценке объема ЛЖ (рис. 5б).

Рис. 5. Оптимальное позиционирование плоскости изображения для измерения объема ЛЖ.

Поскольку 2D-визуализация является предпочтительным методом по сравнению с M-режимом, текущие клинические руководства не рекомендуют выполнять стандартные линейные измерения в этом режиме в рамках количественного анализа [2]. Однако поскольку измерения в M-режиме через аорту и ЛП или через ЛЖ все еще используются многими специалистами, функция HeartAssist™ для взрослых обеспечивает проведение автоматических измерений для этих двух позиций (табл. 3). HeartAssist™ автоматически идентифицирует изображение и обеспечивает измерение одним касанием (рис. 6). Важно отметить, что автоматические измерения можно выполнять как для одного, так и для нескольких сердечных циклов. Таким образом, в соответствии с клиническими рекомендациями пользователи могут получить среднее значение по нескольким последовательным сердечным сокращениям без дополнительных затрат времени [2]. В нашей оценке эффективности автоматических измерений в M-режиме коэффициенты приемки результатов специалистами варьировались от 97,5 до 100% (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициенты приемки автоматических измерений в M-режиме.

Примечание. Качество автоматических измерений в M-режиме через аорту и ЛП и в М-режиме через ЛЖ оценивалось в группах из 55 пациентов (267 сердечных циклов) и 44 пациентов (221 сердечный цикл) соответственно. Сердечные циклы, которые эксперты сочли непригодными для ручных измерений, были исключены из анализа. Коэффициенты приемки рассчитывались на уровне сердечных циклов.
ED - конец диастолы, ES - конец систолы.

Рис. 6. Автоматизированные эхокардиографические измерения в M-режиме с помощью функции HeartAssist™ для взрослых.
HeartAssist™ снижает рабочую нагрузку за счет интеграции нескольких ручных действий при измерении в M-режиме в единую последовательность. Например, для ручного измерения в M-режиме через левый желудочек требуется 11 нажатий клавиш. HeartAssist™ автоматически идентифицирует полученное изображение и обеспечивает необходимые измерения одним касанием (уменьшение количества нажатий клавиш на 91%).

Ниже приведены советы для выполнения точного анализа изображений в M-режиме.
Хотя анализ изображений в M-режиме можно проводить без ЭКГ на основе изменения размеров, при наличии аритмии или даже небольшого изменения размеров во время сердечного цикла точность обнаружения конечно-диастолической и конечно-систолической фаз может снизиться (рис. 7а, б). Поэтому для более точной оценки предпочтительно использовать ЭКГ (рис. 7в, г).

Рис. 7. Анализ в M-режиме с помощью ЭКГ.
а) при анализе изображения у пациента с аритмией в M-режиме без ЭКГ конец диастолы в четвертом сердечном цикле был ошибочно принят за временную точку раньше фактического конца диастолы (желтая стрелка);
б) при нормальном синусовом ритме небольшие изменения размеров в течение сердечного цикла привели к ложному обнаружению конечно-диастолической и конечно-систолической фаз (желтые стрелки); в то же время, когда это же изображение в M-режиме анализировалось с помощью ЭКГ;
в) конец диастолы правильно определялся в пределах комплекса QRS (белая стрелка) для всех сердечных циклов; г) при наличии ЭКГ конечно-диастолическая и конечно-систолическая фазы точно определялись для всех заданных сердечных циклов.
Примечание. В настоящее время на экран можно вывести измерение только для одного сердечного цикла, однако со следующей версии можно будет отображать сразу несколько измерений.

Изображение в M-режиме должно содержать все целевые структуры. Изображение в M-режиме через аорту и ЛП должно включать как аорту, так и ЛП, в частности его заднюю стенку (рис. 8а). Изображение в M-режиме через ЛЖ должно включать в себя все структуры ЛЖ, в том числе его заднюю стенку (рис. 8б). В противном случае автоматическое измерение может быть не выполнено (рис. 8в, г).

Рис. 8. Изображение в M-режиме должно включать всю целевую структуру.
а) изображение в M-режиме через аорту и ЛП должно включать как аорту, так и ЛП, в том числе его заднюю стенку; б) изображение в M-режиме через ЛЖ должно включать в себя все структуры ЛЖ, в том числе его заднюю стенку. В противном случае (в) автоматическое измерение может не выполняться или (г) измерения окажутся неточными.

При обычном исследовании оператор после выбора целевого клапана и допплеровского параметра проводит все измерения вручную (рис. 9). Функция HeartAssist™ упрощает эту процедуру: она автоматически идентифицирует допплеровское изображение и выполняет необходимые измерения по одному нажатию кнопки оператором. Например, если получено изображение аортального клапана в непрерывноволновом допплеровском режиме (CW), алгоритм распознает и идентифицирует изображение, измеряет максимальную скорость (V_max) и интеграл скорости по времени (VTI) по огибающей допплеровской кривой, а затем вычисляет значения клинических параметров, таких как максимальный и средний градиент давления, и выводит их на экран вместе с V_max (рис. 9).

Рис. 9. Автоматизированные эхокардиографические измерения в допплеровских режимах с помощью функции HeartAssist™ для взрослых.
При измерении в допплеровских режимах функция HeartAssist™ снижает рабочую нагрузку за счет интеграции нескольких ручных действий в единую последовательность. Например, для ручных измерений аортального клапана в CW-режиме требуется 6 нажатий клавиш. В то же время HeartAssist™ автоматически идентифицирует полученное допплеровское изображение и обеспечивает необходимые измерения одним касанием (уменьшение количества нажатий клавиш на 83%).

Функция HeartAssist™ автоматически идентифицирует 11 допплеровских изображений, включая изображения в режимах PW, CW и TDI, и обеспечивает 25 измерений (табл. 4). Уровень приемки измерений клиническими специалистами колеблется от 97 до 100% (табл. 5). Важно отметить, что, как и в M-режиме, пользователи могут выполнять автоматические измерения для нужного количества сердечных циклов. Поэтому ожидается, что проблемы, связанные с вариабельностью измерений между различными сердечными сокращениями, будут таким образом устранены без дополнительных усилий и времени.

Таблица 5. Коэффициенты приемки допплеровских автоматических измерений.

Примечание. Качество автоматических измерений в допплеровских режимах оценивалось в группе из 115 пациентов. Коэффициенты приемки рассчитывались на уровне сердечного цикла; сердечные циклы, которые, по мнению специалистов, не подходят для ручного измерения, исключались из анализа. Были проведены следующие измерения: митральный клапан в PW-режиме: скорость Е - 247 сердечных циклов, скорость A - 226 циклов, время замедления потока - 225 циклов; кольцо митрального клапана в режиме тканевого допплера (TDI): скорость e’ - 254 цикла, скорость a' - 237 циклов и скорость s' - 265 циклов; митральный стеноз в CW-режиме: V_max - 90 циклов, VTI - 90 циклов и время полуспада градиента давления - 89 циклов; митральная регургитация в CW-режиме: V_max - 20 циклов и VTI - 20 циклов; выносящий тракт ЛЖ в PW-режиме: V_max - 259 циклов и VTI - 259 циклов; аортальный клапан и клапан легочной артерии в CW-режиме: V_max - 213 циклов и VTI - 213 циклов; аортальная и легочная регургитация в CW-режиме: V_max - 77 циклов, время полуспада градиента давления - 77 циклов и конечно-диастолическая скорость - 77 циклов; выносящий тракт ПЖ в PW-режиме: V_max - 256 циклов и VTI - 256 циклов; трикуспидальная регургитация в CW-режиме: V_max - 142 цикла и VTI - 142 цикла. CW - непрерывноволновой допплер; PW - импульсноволновой допплер; V_max - максимальная скорость; VTI - интеграл скорости по времени.

Рис. 10. Оптимизация измерений на допплеровских изображениях с использованием функции HeartAssist™ для взрослых.

Функция HeartAssist™ хорошо работает без информации ЭКГ на всех допплеровских изображениях, кроме изображения митрального клапана в PW-режиме. Но и для этого изображения алгоритм будет по-прежнему хорошо работать, если у пациента синусовый ритм и типичные формы пиков E (раннее диастолическое наполнение) и A (позднее диастолическое наполнение) (рис. 11а). Однако у пациентов с аритмией обнаружение пиков Е и А при отсутствии ЭКГ может быть неправильным. Например, у пациентов с фибрилляцией предсердий, которая приводит к потере пика A, или у пациентов с тахикардией, которая может вызвать объединение пиков E и A, алгоритм может ошибочно принять пик E за пик A (рис. 11б, в). В то же время при наличии ЭКГ алгоритм автоматически идентифицирует фазу сердечного цикла и правильно определяет пики E и A (рис. 11 г-е).

Рис. 11. Измерения на допплеровских изображениях без ЭКГ с помощью функции HeartAssist™ для взрослых.
а) при оценке митрального клапана в PW-режиме алгоритм по-прежнему хорошо работает без ЭКГ, если у пациентов синусовый ритм и типичные формы пиков E и A, однако у пациентов с аритмией обнаружение пиков Е и А при отсутствии ЭКГ может быть неправильным; б) у пациентов с фибрилляцией предсердий, которая приводит к потере пика A, или (в) у пациентов с тахикардией, которая может вызвать объединение пиков E и A, алгоритм может ошибочно идентифицировать волну Е как волну A; г-е) при наличии ЭКГ алгоритм автоматически идентифицирует фазу сердечного цикла и правильно обнаруживает пики E и A.

Функция HeartAssist™ на основе ИИ обеспечивает быструю автоматическую идентификацию изображения и проведение измерений при трансторакальной ЭхоКГ взрослых путем сокращения количества нажатий клавиш, необходимых для выполнения измерений, на 88% и времени измерений в среднем на 90%. Таким образом, оператор освобождается от лишней физической нагрузки и от повторяющихся действий при длительных измерениях, что повышает эффективность его работы и качество обслуживания пациентов.

HeartAssist™ полностью автоматизирует каждый этап процесса трансторакальных эхокардиографических измерений, тем самым сокращая время и усилия, затрачиваемые медицинским персоналом. Кроме того, благодаря проведению измерений в M-режиме и допплеровских режимах для нескольких последовательных сердечных сокращений эта функция помогает повысить точность и снизить вариабельность результатов между сердечными сокращениями. Благодаря сокращению нагрузки и временных затрат специалист по эхокардиографии получает реальную пользу от применения HeartAssist™ для взрослых.

Поддерживаемые системы: V8, V7, V6.