Sports cardiology diagnostics is a well-established cornerstone in the care of high-performance athletes. It is used, for example, in the diagnosis of acute illness or reduced performance in athletes as well as in the regular and mandatory medical competitive exercise eligibility examinations of the various associations. One basic component of the diagnostic process is echocardiography, which nowadays allows an experienced investigator to perform both a visual high-definition and software-assisted assessment of the function of cardiac structures and function. 

The ejection fraction (EF) has long been the most important parameter in the assessment of myocardial function. It involves tracing the endocardium in diastole and systole in 2D echocardiography in a two- and four-chamber view and calculating cardiac output using Simpson’s method (see Fig. 1).

In recent years the relatively new imaging technique of speckle tracking, specifically speckle tracking echocardiography (STE), has markedly increased the diagnostic options regarding the assessment of myocardial function. It involves tracking individual or several speckles in the visualised myocardium during the cardiac cycle using the echocardiography software. This allows conclusions regarding contractility at levels that cannot be followed by the naked eye (unlike the ejection fraction). It allows, for example, calculation of longitu­dinal strain (shortening of the distance between the apex and the base of the heart) and of radial strain (thickening of the myocardium) (see Figs. 2 and 3, respectively). The calculation is performed for different myocardial segments, ultimately allowing global values for the three-dimensional left ventricle to be calculated from different 2D echocardiography settings (the same applies, to a lesser extent, to the atria andthe right ventricle). Peak strain values are thus calculated for each myocardial segment from a two-, three- and four-chamber view and combined into a simplified view, the bull‘s eye.A separate mean is calculated for the left ventricle, giving the global longitudinal strain (GLS) (see Fig. 4).

The calculation of myocardial strain is now common practice in cardiology; GLS is used as a predictor for cardiovascular mortality in healthy individuals, as a parameter in the diagnosis of cardiac amyloidosis, to assess the cardiotoxic effects of chemotherapy and to detect myocardial inflammation and pathological myocardial hypertrophy [2]. The latter two applications in particular are now part of clinical routine in sports cardiology. Ambitious athletes often neglect the necessary rest that should be observed during and after an infection, which in the further course repeatedly leads to the possibility of myocarditis. With respect to this – often complex – issue, strain analysis is a new and useful tool for sports cardiologists/sports medicine physicians. Local reduction in longitudinal strain, detectable in the bull’s eye or in segment visualisation, may indicate a local inflammatory process [2]. In high-performance athletes, myocardial hypertrophy is considerably more common than inflammatory processes. In most cases, marked thickening of the ventricular septum is clearly detectable and understandable as a sports adaptation consistent with physiologic eccentric hypertrophy (see Fig. 5). In some cases, however, other factors may suggest pathological mechanisms as a possible cause of septal hypertrophy. These include concomitant arterial hypertension, elements of concentric hypertrophy or indications of possible hypertrophic cardiomyopathy (e.g. apical hypertrophy, familial clustering or very pronounced hypertrophy). Whereas, based on current knowledge, physiological adaptation as in an athlete’s heart has no effect on cardiac strain values; various pathological mechanisms reduce these values – sometimes markedly [2, 3]. Strain analysis with speckle tracking echocardiography therefore provides sports cardiologists and sports medicine physicians with an effective new tool in daily routine diagnostics. Further research regarding the effects of sports activity on the different cardiac strain parameters is required, e.g. to study differences in the various sports disciplines or between the genders – a task that we have also set ourselves at the German Sport University in the Institute for Cardiovascular Research and Sports Medicine.

Literature

[1] Rost R (1997) THE ATHLETE’S HEART: Historical Perspectives—Solved and Unsolved Problems. Cardiology Clinics 15(3): 493 – 512. doi: 10.1016/S0733-8651(05)70355-6

[2] Collier P, Phelan D, Klein A (2017) A Test in Context: Myocardial Strain Measured by Speckle-Tracking Echocardiography. Journal of the American College of Cardiology 69(8): 1043–1056. doi: 10.1016/j.jacc.2016.12.012

[3] D’Ascenzi F, Caselli S, Solari M et al. (2016) Novel echocardiographic techniques for the evaluation of athletes’ heart: A focus on speckle-tracking echocardiography. Eur J Prev Cardiol 23(4): 437–446. doi: 10.1177/2047487315586095

Dr. Henschen bediente sich übrigens der Auskultation und Perkussion, um die Herzdimensionen zu erfassen. Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die diagnostischen Möglichkeiten um das Röntgen, das EKG und – nicht zuletzt – die Echokardiografie erweitert [1]. Die sportkardiologische Diagnostik ist ein gut etablierter Eckpfeiler in der Betreuung von Spitzensportlern. So kommt sie bei akuten Fragestellungen erkrankter oder leistungsreduzierter Athleten zum Einsatz, als auch bei der regelmäßigen und obligaten Sporttauglichkeitsuntersuchung der diversen Verbände. Eine elementare Komponente dieser Diagnostik ist die Echokardiografie, die heutzutage durch hochauflösende Resolution sowohl visuelle als auch Softwaregestützte Beurteilung der Funktion kardialer Strukturen durch den Erfahrenen Untersucher zulässt. Lange galt – und gilt nach wie vor – die Ejektionsfraktion (EF) als wichtigster Parameter zur Beurteilung der myokardialen Funktion. Hierbei wird in der 2-D-Echokardiografie im 2- und 4-Kammer-Blick das Endokard jeweils in der Diastole und Systole markiert und mit der Simpson-Formel die Auswurfleistung des Herzens berechnet (Abb. 1). 

Speckle Tracking

In den letzten Jahren hat die relativ neue bildgebende Technik des Speckle Tracking, speziell die Speckle Tracking Echokardiografie (STE), die diagnostischen Möglichkeiten hinsichtlich der Beurteilung der myokardialen Funktion signifikant erweitert. Hierbei werden von der Echokardiografie-Software einzelne oder mehrere Punkte (engl. Speckles) des dargestellten Myokards im Verlauf der Herzzyklus verfolgt. Dies lässt Erkenntnisse hinsichtlich der Kontraktilität in Ebenen zu, die mit dem bloßen Auge nicht nachvollziehbar sind (im Gegensatz zur Ejektionsfraktion). So werden beispielsweise der longitudinale Strain (Annäherung zwischen Herzspitze und Herzbasis) oder der radiale Strain (Verdickung des Myokards) berechnet (Abb. 2 und 3 respektive). Diese Berechnung geschieht für diverse myokardiale Segmente, sodass letztlich aus verschiedenen Einstellungen der 2-D-Echokardiografie globale Werte für den dreidimensionalen linken Ventrikel berechnet werden können (gleiches gilt für die Vorhöfe und, eingeschränkt, für den rechten Ventrikel). So werden für jedes myokardiale Segment Strainspitzenwerte aus dem 2-, 3- und 4-Kammerblick berechnet und zu einer vereinfachten Ansicht, dem Bulls-Eye, zusammengefasst, sowie ein einzelner Mittelwert für den linken Ventrikel als Globaler Longitudinaler Strain (GLS) errechnet (Abb. 4).

Die Berechnung des myokardialen Strains findet mittlerweile eine breite Anwendung in der Kardiologie: So dient der GLS als Prädiktor kardiovaskulärer Mortalität bei Gesunden, als Parameter in der Diagnostik der kardialen Amyloidose, zur Beurteilung kardiotoxischer Effekte einer Chemotherapie, zur Detektion myokardialer Inflammation oder pathologischer Herzmuskelhypertrophie [2]. Speziell letztere zwei Anwendungen spielen eine Rolle im sportkardiologischen Alltag. Ambitionierte Athleten vernachlässigen oft die bei einem Infekt nötige körperliche Schonung, was im Verlauf wiederholt zu der Frage nach einer möglichen Myokarditis führt. Diesbezüglich – einer häufig komplexen Fragestellung – bietet die Strain Analyse dem Sportkardiologen bzw. Sportmediziner ein neues, hilfreiches Tool. Lokale Reduktion des longitudinalen Strains, erkennbar im Bulls-Eye oder der Segmentdarstellung, kann Hinweis auf einen lokalen entzündlichen Prozess sein [2]. Deutlich häufiger als inflammatorische Prozesse ist die myokardiale Hypertrophie bei Leistungssportlern. In den allermeisten Fällen ist eine signifikante Verdickung des Ventrikelseptums als Sportanpassung im Sinne einer physiologischen, exzentrischen Hypertrophie gut erkennbar und nachvollziehbar (Abb. 5). In einigen Fällen stellt sich jedoch die Frage, ob pathologische Mechanismen eine Septumhypertrophie verursacht haben könnten. Hierzu zählen eine begleitende Arterielle Hypertonie, ein konzentrischer Hypertrophieaspekt oder Hinweise auf eine mögliche hypertrophe Kardiomyopathie (z. B. apikale Hypertrophie, familiäre Häufung oder sehr ausgeprägte Hypertrophie). Während die physiologische Anpassung im Sinne eines Sportherzens nach derzeitigem Erkenntnisstand keine Effekte auf die kardialen Strainwerte hat, sind diese durch die diversen pathologischen Mechanismen – teils sehr deutlich – reduziert [2, 3].  

Fazit

Die Strainanalyse bietet durch Speckle Tracking Echokardiografie dem Sportkardiologen und Sportmediziner ein effektives neues Tool im diagnostischen Alltag. Weitere Forschung hinsichtlich der Effekte sportlicher Aktivität auf die diversen kardialen Strainparameter ist nötig, z. B. um Unterschiede in verschiedenen Sportdisziplinen oder zwischen den Geschlechtern zu untersuchen. Einer Aufgabe, der wir uns auch an der Deutschen Sporthochschule im Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin stellen.