Strain e strain rate - princípios básicos

Considerando-se um objeto unidimensional que sofre tanto alongamento quanto encurtamento, o comprimento inicial é chamado de L₀ e o comprimento em um determinado período de tempo é tido como L(t). A deformação normal, strain (ε), pode ser matematicamente representada pela seguinte equação:

Este é o strain Lagrangiano, que ocorre quando o comprimento inicial é conhecido. Entretanto, quando não se conhece o comprimento original, o strain pode ser avaliado tomando-se as pequenas variações dε_N(t) durante um período de tempo infinitesimal dt, traduzido matematicamente pela equação abaixo:

onde L(t+dt) é o comprimento logo após o primeiro intervalo temporal considerado, a partir do tempo t.

A soma de todas as deformações nos diferentes intervalos de tempo infinitesimais compõe o strain total, e, se dt é pequeno o suficiente, a soma é a integral de dε, ou

Este é o strain natural, que representa variações durante o processo total de encurtamento ou alongamento. Para pequenas deformações, o strain Lagrangiano e o natural possuem praticamente o mesmo valor. Entretanto, considerando-se as amplas deformações cardíacas que ocorrem durante a sístole e a diástole, o strain natural é o mais apropriado, já que o comprimento original não é conhecido³.

O strain é uma medida adimensional das alterações na forma, ou deformação. O encurtamento ou alongamento ocorrem somente quando as velocidades entre os pontos são diferentes; sem este pré-requisito, o que se observa é apenas o movimento de um ponto a outro, sem que haja deformação. O strain rate (SR) é a velocidade na qual a deformação ocorre, espressa em s^-1 e representa a média da deformação num dado intervalo de tempo. Um SR igual a 0,8 s^-1 significa que o objeto se deforma, em média, 80% em 1 segundo³.

Para um objeto bidimensional existem dois tipos de strain: strain normal, que ocorre nos eixos x e y e o strain angular, mais conhecido como shear strain, e que se dá num plano perpendicular a dois planos paralelos. Objetos tridimensionais apresentam três strain normais (nos eixos x, y e z) e seis shear strains que combinam os diferentes planos espaciais (xy, xz, yx, yz, zx e zy)³.

Strain miocárdico avaliado pelo speckle tracking

O speckle tracking possibilita o estudo do strain e do SR por meio da escala de cinza da ecocardiografia 2D, permitindo, assim, avaliar a deformação nos planos longitudinal, circunferencial e radial, uma vez que não existe dependência do ângulo de incidência do ultrassom¹. Desta forma, podem ser obtidos os strains transmural, subendocárdico e subepicárdico. É bem estabelecido que, uma vez que o estresse sobre a parede é maior na camada subendocárdica, esta região se deforma mais durante a sístole do que a camada subepicárdica, com consequente aumento na pressão e no consumo de oxigênio⁴.

O strain radial durante a sístole é positivo, uma vez que reflete o espessamento miocárdico (o comprimento final é maior do que o inicial) - Figura 2A. Por outro lado, os strains longitudinal e circunferencial apresentam valores negativos, uma vez que o comprimento inicial é maior do que o final (Figuras 2B e 2C).

Figura 2 Curvas de strain nos planos radial (A), circunferencial (B) e longitudinal (C). Note que, para o strain radial, L₀ é menor do que L, resultando em curvas de strain positivas; ao contrário, para os strains circunferencial e longitudinal, L₀ é maior do que L, originando curvas negativas. Cada segmento do ventrículo esquerdo é identificado por uma cor diferente, que varia de acordo com o software 

O strain miocárdico avaliado pelo STE mostrou boa correlação tanto em modelos experimentais, quando comparado com a sonomicrometria como padrão ouro, como nos estudos clínicos iniciais que avaliaram pacientes com infarto do miocárdico, comparando esta tecnologia inovadora com outras técnicas ecocardiográficas já sedimentadas, como o Doppler tecidual (TDI) e o índice de escore da contratilidade do miocárdio^1,5.

A deformação miocárdica é afetada por condições de carga: o strain é o mais vulnerável, correlacionando-se mais com a fração de ejeção; já o SR é menos influenciado, relacionando-se primordialmente com a contratilidade ventricular⁶. Ainda, o strain e o SR estão sujeitos à alterações devido ao gênero e idade⁷.

Rotação, twist e torção do ventrículo esquerdo

A torção é um processo complexo da mecânica cardíaca, envolvendo deformação nos planos circunferencial e longitudinal, dada a disposição oblíqua das fibras subendocárdicas e subepicárdicas dispostas, respectivamente, no sentido de mão direita e esquerda, interagindo entre si para promover o twist do ventrículo esquerdo (VE). Este último, quando visto pelo ápice cardíaco, se dá em consequência dos giros opostos da base no sentido horário e do ápice no sentido anti-horário, sendo mensurado como a diferença entre estes ângulos (θ_ap e θ_b, respectivamente). A torção é o twist dividido pelo comprimento (h) do VE no plano longitudinal, expressando o twist em relação à distância observada entre as porções apical e basal do ventrículo. A torção relativa ao raio epicárdico médio do ápice e da base (ρ_ap and ρ_b, respectivamente), é definida como o ângulo torsional T, e calculado de acordo com⁸:

O ângulo torsional permite comparações entre corações de tamanhos diferentes, uma vez que o twist cardíaco é qualitativamente semelhante em humanos e camundongos, diferindo em magnitude de acordo com o tamanho do coração. Entretanto, a torção é quantitativamente comparável em ambas a espécies, apesar do tamanho discrepante entre os corações⁹.

Seguindo a convenção adotada pela ressonância nuclear magnética (RNM), os valores da rotação basal obtidos pelo STE são negativos, e aqueles correspondentes à rotação basalpositivos. Devido à maior magnitude do raio epicárdico e aos valores mais elevados da rotação apical, em condições normais, o twist e a torção são positivos¹⁰.

Os estudos tem demonstrado que a mecânica torsional analisada pelo STE apresenta boa correlação com a sonomicrometria e com métodos que possuem boa resolução espacial (RNM) e temporal (TDI)^11,12.

A torção, medida como o twist dividido pelo comprimento do VE, aumenta com a idade¹³: durante a infância, tanto a base quanto o ápice giram no sentido anti-horário; gradativamente, entre os 5 e 10 anos de idade, a base passa a mudar seu padrão de rotação para o sentido horário, o que se consolida completamente na adolescência. Da fase adulta à meia-idade e velhice, a elevação na magnitude do twist se deve ao aumento da rotação apical. A mecânica torsional também é afetada por condições de carga e inotropismo, aumentando proporcionalmente com a pré carga e o inotropismo, e reduzindo-se frente à pós cargas maiores¹⁴.

A torção sistólica aumenta as pressões intracavitárias máximas, com menor encurtamento da fibra, resultando em menor consumo de oxigênio⁸.

A rotação reversa (recoil ou untwisting) ocorre no início da repolarização ventricular, quando o subendocárdio apical inicia o relaxamento e retorna à sua posição original, revertendo o giro sistólico anti-horário. A rotação apical reversa resulta da liberação de forças restauradoras acumuladas com a torção durante a ejeção ventricular; estas forças aumentam o gradiente de pressão intraventricular, o qual promove a sucção do sangue através da abertura da valva mitral durante a fase de enchimento diastólico precoce. Como ocorre antes da abertura da valva mitral, durante o período de relaxamento isovolumétrico, representa uma conexão entre a sístole e a diástole, e é menos influenciada por condições de carga. Adicionalmente, foi demonstrado que a rotação apical reversa apresenta boa correlação com o τ, a constante de tempo para a queda das pressões do VE¹⁵. Estudos também tem mostrado a relevância da rotação reversa na avaliação da função diastólica¹⁶.

Valores normais

Os valores normais obtidos pelo STE estão listados na Tabela 1; a ampla faixa de variação deve-se principalmente ao software utilizado (já que os valores não são intercambiáveis entre os diferentes fabricantes) e à heterogeneidade relacionada ao gênero e à idade^11,12,17-22.

De acordo com o estudo HUNT⁷, que arrolou 1266 indivíduos saudáveis, o strain e o SR longitudinal de pico sistólico diminuem com a idade e são menores nos homens. A média dos valores para o strain e o SR longitudinal foram, respectivamente, -17,4%, -1,05 s^-1 para as mulheres e -15,9%, -1,01 s^-1 entre os homens.

Strain angular (Shear Strain)

O strain angular ocorre quando dois planos paralelos se movem com velocidades diferentes, deformando um cubo em um paralelepípedo: conforme os planos deslizam um sobre o outro, a deformação se dá no plano perpendicular. Quando esta alteração tangencial na forma se estabelece, o plano perpendicular roda num certo ângulo - o ângulo shear. O shearstrain é calculado como o strain normal, mas no plano perpendicular. Considerando-se o coração, existem três tipos de shearstrain: CL (deformação entre os planos circunferencial e longitudinal), CR (shear entre os planos circunferencial e radial) e RL (shear entre os planos radial e longitudinal) - Figuras 3 a 5. Basicamente, o shear CR representa o gradiente secundário às diferenças entre as deformações no subendocárdio e no subepicárdio, RL espressa o espessamento e o shear CL a torção. Os gradientes no subendicárdio e no subepicárdio exercem influência em todas as três deformações angulares, determinando a heterogeneidade na deformação miocárdica regional e promovendo o deslizamento entre as fibras miocárdicas: quanto maior o gradiente, maior a deformação angular^23,24.

Figura 3 Strain Circunferencial-Longitudinal. Canto superior esquerdo: representação dos três planos ortogonais (L: longitudinal, C: circunferencial, R: radial). A região basal roda no sentido horário e a apical no sentido anti-horário, criando dois planos paralelos que se movem em direções opostas e originam uma deformação no plano perpendicular (strain angular). A rotação resultante do strain angular é o ângulo CL, que basicamente representa a TORÇÃO. FD: final da diástole; FS: final da sístole; θ_CL: ângulo formado pelos planos circunferencial-longitudinal. 

Figura 4 Strain Circunferencial-Radial. Canto superior esquerrdo: como na figura 3. Assumindo que o ápice do VE está aqui representado, as fibras subendocárdicas estão orientadas no sentido de mão direita e as subepicárdicas no sentido de mão esquerda (à esquerda e no canto esquerdo inferior). Entretanto, devido ao fato de o subepicárdio apresentar raio maior, as duas camadas deslizam uma sobre a outra no sentido anti-horário, resultando no strain CR (à direita). Setas vermelhas: orientação das fibras; setas azuis: direção da deformação. FD: final da diástole; FS: final da sístole; θ_CR: ângulo de deformação circumferential-radial. 

Figura 5 Strain Radial-Longitudinal. Canto superior esquerdo: representação dos três planos ortogonais (legendas como na figura 3). As setas vermelhas simbolizam a orientação das fibras subendocárdicas e subepicárdicas (mão direita e mão esquerda, respectivamente); o ângulo formado pelos planos radial-longitudinal (θ_RL – seta verde) é originado do deslizamento entre os planos paralelos das fibras oblíquas do subendocárdio e subepicárdio, em relação ao plano radial. 

A heterogeneidade na deformação miocárdica e a contribuição do shearstrain para a função sistólica foi previamente demonstrada em cães²⁴ e em humanos saudáveis²⁵.

Strain 3D

Maffessanti e cols.²⁶ observaram que o STE 3D apresentou valores maiores de deslocamento radial e rotação quando comparado ao STE 2D, indicando a limitação deste último em rastrear os speckles que saem do plano da imagem. O deslocamento longitudinal não diferiu entre os dois métodos, uma vez que a movimentação dos speckles fora do plano de imagem é menor no eixo longitudinal do que no radial. O conceito de strain de área, integrando dados obtidos a partir do strain longitudinal e circunferencial, foi recentemente introduzido com a finalidade de reduzir o erro no rastreamento. A validação contra a sonomicrometria mostrou forte correlação e boa reprodutibilidade para o STE²⁷.

Ensaios clínicos demonstraram que o STE 3D pode ser empregado na detecção precoce de alterações cardíacas, como na amiloidose familiar (Figura 6)²⁸, e para entender mais amplamente os aspectos fisiopatológicos das doenças cardíacas, como na anemia falciforme²⁹.

Figura 6 No painel superior observa-se a análise do ventrículo esquerdo pelo STE 3D (volumes, fração de ejeção, massa, twist, rotação) em voluntário saudável e no painel inferior em um paciente com amiloidose familiar (volumes, fração de ejeção, massa, strain de área, rotação e strain longitudinal). Nota-se a heterogeneidade dos strains de área e longitudinal relativos aos diferentes segmentos do ventrículo esquerdo, devido aos depósitos de amilóide. 

Provavelmente, uma das maiores contribuições da análise pelo STE 3D é aquisição de imagens em um único batimento, já que não se baseia na reconstrução 2D para formar o bloco volumétrico, superando problemas como baixas velocidades de quadros por segundo, arritmias, movimentos respiratórios e do paciente. Até o momento, os primeiros estudos para avaliar os volumes e a função do VE empregando esta tecnologia inovadora mostraram boas correlações quando comparada à RNM (valores de r ao redor de 0.90)^30,31.

Strain do átrio esquerdo

O software utilizado é o mesmo que foi desenvolvido originalmente para a análise do VE, levando a certas limitações. Entretanto, estudos publicados previamente têm encorajado sua análise por meio desta tecnologia inovadora. Uma vez que o AE é preditor de eventos cardiovasculares, ferramentas que forneçam uma abordagem confiável desta câmara são de grande relevância³². Alguns estudos mostram íntima correlação entre a estrutura e a performance do AE em voluntários saudáveis, pacientes com IC esquerda e fração de ejeção normal e em indivíduos com disfunção diastólica³³. Pacientes com insuficiência cardíaca e fração de ejeção do VE normal apresentaram redução significativa do strain longitudinal do AE durante o enchimento diastólico precoce e tardio. Estes resultados indicam alteração na fibras do subendocárdio, uma vez que, na anatomia do AE, estas fibras estão dispostas principalmente no plano longitudinal³⁴.

Miocardiopatia Dilatada (MCD)

Uma das aplicações mais relevantes do STE é a possibilidade de prever o prognóstico em pacientes com MCD. Os estudos mostram valores de corte entre -4,9% e -12% para o strain global longitudinal na predição de eventos^35-37.

Os pacientes também podem apresentar rotações em direções opostas quando comparadas à população normal. Provavelmente, isto pode ser atribuído à evidência de fibrose e às alterações nos miocardiócitos orientados obliquamente. Em indivíduos normais, as fibras estão dispostas num ângulo de aproximadamente 60° em relação ao plano longitudinal; a dilatação altera este ângulo para aproximadamente 90°, numa direção mais transversal, influenciando as características normais de rotação³⁸.

Miocardiopatia hipertrófica (MCH)

Esta doença autossômica dominante apresenta diversas expressões fenotípicas, geralmente com alterações sub-clínicas na função diastólica e sistólica³⁹. Nenhum dos parâmetros ecocardiográficos é sensível e específico o bastante para detectar mudanças sutis ou diferenças entre os fenótipos; portanto, a abordagem pelo STE representa um marco na avaliação dos pacientes com esta doença⁴⁰.

A rotação apical e o twist apresentaram aumento em pacientes com hipertrofia septal assimétrica em comparação àqueles com septo sigmóide, provavelmente devido à isquemia subendocárdica que se instala nas regiões afetadas⁴¹; a rotação apical reversa mostrou-se retardada nos pacientes com MCH em comparação com voluntários saudáveis⁴². A importância de se entender a relação entre o genótipo, o fenótipo e a função está na possibilidade de categorizar os pacientes em sub-grupos clínicos específicos, estabelecendo prognósticos menos heterogêneos.

Popovic e cols.⁴³ mostraram redução no strain longitudinal do VE mesmo em áreas livres de hipertrofia e Paraskevaidis e cols⁴⁰. demonstraram o valor prognóstico do strain sistólico do AE determinado pelo STE em pacientes com MCH e hipertrofia do VE secundária à outras causas.

Doenças do pericárdio e miocardiopatia restritiva

Sem dúvida, um dos maiores desafios na cardiologia é o diagnóstico diferencial entre miocardiopatia restritiva e pericardite constritiva. A análise pelo TDI oferece algumas possibilidades; entretanto, esta avaliação retrata basicamente o que ocorre no plano longitudinal⁴⁴.

O strain longitudinal apresentou redução em pacientes com miocardiopatia restritiva, enquanto que, naqueles com pericardite constritiva, as alterações envolveram o strain radial e circunferencial, a torção e a rotação apical reversa. Uma vez que a miocardiopatia restritiva caracteriza-se por infiltração e fibrose, prejudicando principalmente o subendocárdio, o componente longitudinal da deformação cardíaca é aquele mais afetado. No que se refere à doença pericárdica, a mesma pode se estender para a camada subepicárdica, comprometendo principalmente os componentes radial e circunferencial da mecânica cardíaca⁴⁵.

Doença arterial coronária e infarto do miocárdio

O speckle tracking vêm surgindo como uma ferramenta útil no estudo da viabilidade miocárdica, por fornecer uma análise regional da função ventricular; além disso, não é influenciado pelo fenômeno de arrrastamento^5,1.

O strain longitudinal parece ser o primeiro a ser alterado na isquemia, uma vez que as fibras subendocárdicas sofrem antes os efeitos das anormalidades na perfusão¹⁹. No entanto, Winter e cols⁴⁶. mostraram que o strain radial e circunferencial encontram-se igualmente reduzidos na isquemia miocárdica aguda. Os autores também observaram um atraso no pico do strain sistólico, principalmente no plano circunferencial, que é aquele relacionado à torção. Ainda, as alterações temporais também têm implicações importantes na rotação apical reversa e na função diastólica.

O strain global longitudinal pode predizer o tamanho do infarto em pacientes submetidos à trombólise ou revascularização⁴⁷, sendo este parâmetro superior à FEVE na identificação de áreas massivas de infarto (maiores do que 20%), quando comparado à RNM. O strain longitudinal regional também está relacionado ao tamanho da cicatriz do infarto avaliada pela RNM contrastada: valores de strain > -4,5% indicam segmentos miocárdicos não-viáveis (AUC = 0,88), uma vez que, no plano longitudinal, valores maiores representam magnitudes absolutas menores de deformação⁴⁸.

Doença hipertensiva

O estudo da mecânica cardíaca pelo STE permite acessar parâmetros que são menos afetados por condições de carga, como a rotação apical reversa, que ocorre durante o tempo de relaxamento isovolumétrico (TRIV). Takeuchi e cols.⁴⁹ demonstraram redução e retardo na rotação reversa paralelos à magnitude da hipertrofia do VE, resultando em sobreposição entre o untwisting e o enchimento diastólico rápido, com prejuízo a este último. Park e cols.⁵⁰ observaram que, tanto a torção quanto a rotação reversa aumentaram significativamente em indivíduos com disfunção diastólica grau 1 quando comparados à voluntários sadios e a pacientes com disfunção diastólica graus 2 e 3. Outros estudos mostraram redução na velocidade da rotação reversa e na velocidade do strain longitudinal precedentes à alterações na função sistólica avaliada pelo strain global longitudinal e pela FEVE^51,52.

Estenose valvar aórtica

Pacientes com estenose aórtica (EAo) importante, assintomáticos e com FEVE normal mostraram redução no strain longitudinal proporcionalmente à redução na área valvar⁵³. A mecânica torsional também apresentou alteração em pacientes com EAo moderada e importante: apesar do aumento na rotação apical, houve redução na rotação reversa, provavelmente devido à isquemia subendocárdica⁵⁴.

Existem evidências de melhora no strain longitudinal após troca valvar em pacientes com EAo importante e FEVE normal⁵⁵. Estes resultados indicam que a FEVE pode não ser o parâmetro mais indicado para identificar alterações sutis na função miocárdica nesta população.

Insuficiência mitral

Alguns estudos demonstraram redução no strain global longitudinal do VE⁵⁶ e na rotação reversa⁵⁷ em pacientes com insuficiência mitral moderada a importante, a despeito da FEVE e do dP/dt normais. Pacientes com insuficiência mitral podem apresentar o mesmo padrão de função sistólica do VE daqueles com estenose aórtica.

Avaliação do ventrículo direito

O STE acrescenta uma contribuição valiosa ao estudo do ventrículo direito, uma vez que não depende da aproximação com formas geométricas. Permite tanto a identificação da disfunção sistólica em pacientes com alterações primárias quanto em indivíduos que apresentam disfunção miocárdica devido à dependência interventricular^58,59.

Doenças sistêmicas que afetam o coração

O STE pode ser usado para demascarar alterações sutis na função cardíaca de pacientes com doenças sistêmicas como câncer^60,61 ou diabete melito⁶¹, bem como para diferenciar hipertrofia fisiológica da patológica que ocorre, respectivamente, em atletas e em pacientes com doenças de depósito, como Doença de Anderson-Fabry⁶². Esta tecnologia inovadora poderá levar a novas abordagens terapêuticas.

Limitações

Uam vez que o STE baseia-se em identificar marcadores naturais do miocárdio, é desejável a identificação dos bordos endocárdico e epicárdico, além do próprio miocárdio¹⁰. Ainda, para que os speckles possam ser adequadamente rastreados, o software dedicado requer uma faixa ideal de quadros por segundo, que, em humanos com frequência cardíaca normal, está em torno de 50 a 90 Hz⁶³. Valores menores predispõem à perda de informação, pois o algoritmo se baseia na soma das diferenças absolutas; por outro lado, uma quantidade excessiva de quadros por segundo prejudica o rastreamento devido aos speckles que praticamente não se movimentam, causando instabilidade matemática no algoritmo⁶⁴.