制御されていない環境での片脚膝伸筋運動中のドップラー超音波ベースの脚の血流評価

1980年代に導入されたドップラー超音波は、特に片足膝伸筋モデルにおいて、収縮する筋肉の血流を測定するために広く使用されており、小筋肉量の活性化中の総大腿動脈(CFA)の血流を測定できます1,2,3,4,5,6 .ドップラー超音波ベースの血流技術は、健康な成人^7,8、糖尿病患者⁹、高血圧患者10、COPD11,12、心不全^13,14など、さまざまな集団の血管調節に関する貴重な洞察を提供しています。

ドップラー超音波の利点の1つは、熱希釈などの他の血流測定方法と比較して非侵襲性であり、必要に応じて動脈および静脈カテーテル法と組み合わせることができます3,4,6,15。また、拍動間の血流速度測定も可能になり、急激な変化の検出が可能になります¹⁶。しかし、ドップラー超音波による血液測定には限界があり、最大に近い運動強度での過度の四肢運動中に安定した記録を得ることが困難であることや、エルゴメーターによる自転車運転中の評価を除いて、標的血管への超音波アクセス性が要求されるなどがある¹⁵。したがって、片脚膝伸筋モデルは、最大下強度での動的運動中にドップラー超音波を使用したLBF評価に適しており¹⁷、運動関連の心臓および肺の制限の影響を最小限に抑え、健康な被験者と心肺疾患の患者との比較を容易にします¹¹。

広く使用されているにもかかわらず、ドップラー超音波を使用した片脚膝伸筋モデルの日中信頼性は、ここ数十年で大規模に調査されておらず、以前の研究では小さな集団(n = ²⁾3,18,19,20が対象となっています。

本研究は、(1)0W、6W、12W、18Wでの片脚膝伸筋運動中のLBF評価のためのドップラー超音波の評価者間信頼性、(2)日中のテスト-再テストの信頼性、および(3)評価者間の信頼性を調査することを目的とした。測定は、測定と測定の間にプローブを取り外すという臨床的に現実的なシナリオで実施されました。LBFに影響を与えることが知られているいくつかの内因性および外因性の環境要因は、測定中に制御されていなかったため、ばらつきが生じ、信頼性に影響を与える可能性があることに注意することが重要です。ドップラー超音波技術と血流分析ソフトウェアの進歩を考慮すると、制御されていない設定でも、同じ超音波検査技師が実行した場合、LBF測定の許容可能な日内および日中の信頼性がすべての強度で達成できるという仮説を立てました。

この研究は、デンマーク首都圏の地域倫理委員会(ファイル番号H-21054272)によって評価され、質の高い研究であると判断されました。したがって、デンマークの法律に従って、この研究は、リグスホスピタレットの臨床生理学および核医学部門の内部研究および品質改善委員会によって現地で承認されました(ファイル番号。KF-509-22)。この研究は、ヘルシンキ宣言のガイドラインに従って実施されました。すべての被験者は、登録前に口頭および書面によるインフォームドコンセントを提供しました。≥18歳の男女が研究に含まれた。末梢動脈疾患、心不全、神経学的および筋骨格系疾患のある個人 KEEの取り組み、および研究前2週間以内の疾患の症状は除外されました。

1. 参加者の設定

1. 参加者を片脚膝伸筋椅子に置き、参加者の背もたれを椅子に寄り付けます(補足図1)。超音波プローブで鼠径部にアクセスできるように、参加者に下着を着せます。
2. 参加者に3つのECG電極( 材料表を参照)を配置します。胸壁の右側の第3肋間腔、左側の第3肋間腔、左側の第11肋間腔に電極を配置し、電極が心臓から等距離になるようにします。
3. 腹部と大腿部の間に>90度の角度で参加者を置きます。
4. 片膝伸筋椅子をフライホイールに接続しているアームを調整して、参加者が膝を完全に伸ばせるようにします。
5. 参加者の脚を椅子のペダルにしっかりと結び付けて、手足の下部の筋肉を使わないようにします。
6. 椅子やベンチを置いて、活動していない脚を安定させます。
   注意: >90度の角度は最小と見なされます。角度を大きくすると、鼠径部が開き、超音波プローブで大腿動脈へのアクセスが良くなります。このアプローチは、被験者がスキャンを妨げる可能性のある腹部脂肪を持っている場合によく使用されます。
   片脚膝伸筋チェアへの抵抗の追加は、タイプやモデルによって異なるため、詳細には説明されていません。絶対強度と相対強度の両方を報告できます。相対強度を報告するには、前日に疲労度までのテストを実行します。

2.超音波装置のセットアップ

1. [電源を入れる]ボタンを押します。
2. [患者]を押して、検査を保存するファイルを作成します。カーソルを「new patient」に移動し、Enterキーを押します。「患者ID」を入力し、カーソルを「作成」に移動して、Enterキーを押します(補足図2および補足図3)。
3. プローブを押し、リニアプローブ(9 MHz)を選択し、超音波ゲル(材料表を参照)をプローブに塗布します。
   注:「患者ID」を割り当てずに参加者のデータを保存することはできません。このシートにさらにデータを割り当てることは可能ですが、検査の実行に必須ではありません。

3.ドップラー超音波スキャン

1. 参加者に最も近い手でリニアプローブを操作し、鼠径部に配置します。LBF測定値を取得するための最良の動脈切片を慎重に見つけてください。これは鼠径靭帯の下にあり、動脈の直線部分の総大腿動脈の分岐部から3〜4 cm上にあります。
2. プローブを容器に対して垂直に保持します。2Dボタンを押して、総大腿動脈(CFA)の断面画像を作成します。
3. 実験全体を通して維持されるゲインと深さを最適化して、動脈が画面の中央にあり、血液が黒くなっていることを確認します。ゲインボタンを時計回りに回すとゲインが増加し、反時計回りに回すと ゲイン が減少します。深さを時計回りに回すと深さが増し、反時計回りに回すと 深さ が減ります。
   注意: ボタンの位置特定については補足図2と補足図3を、ゲインと深度で最適化された超音波画像については補足図4を参照してください。
4. 2Dモードで、 Freeze を1回押し、トラックボールを使用してスクロールして収縮期末の画像を見つけます。これは、心電図ガイダンスの下で、T波の最後に画像を停止することによって実行します。
5. [測定]を 1 回押して、カーソルを動脈の表在内膜層に移動し、Enter キーを押します。カーソルを動脈の深部内膜層に移動し、Enterを押して収縮末期の直径を取得します。直径は左上隅に表示されます。
6. フリーズを押して、動脈を画面の中央に保ち、動脈と平行に保持しながらプローブを時計回りに90度回転させて、縦方向のビューを作成します。パルス波ボタンPWを押してから、測定を押します。これにより、画面の右側にドロップダウンメニューが作成されます。カーソルを CFA に移動し、Enter キーを押します。
7. カーソルを「自動」に移動し、 Enterキーを押します。カーソルを「Flow volume」に移動し、 Enterを押します。カーソルを「Live」に移動し、 Enter を押してトレースを取得し、 Measure を1回押して終了します。
8. 可能な限り低い共振角で、常に60度未満で速度を取得します。 ステア角度 ボタンを時計回りに回すと減少し、反時計回りに回すと増加します。 角度補正 ボタンを回して、 補足図4に示すように、カーソルが動脈に対して水平な状態でトレースが得られるようにします。
9. Sample vol.を押して、動脈の幅に合わせて調整し、動脈の壁に近づけないようにします。サンプルサイズを小さくするには、左矢印を押します。サンプルサイズを大きくするには、右矢印を押します。
10. 動脈の2D可視化と視聴覚血速フィードバックを同時に行うことで、血流速度トレースを取得します。サウンドボタンを時計回りに回して、 サウンド がオンになっていることを確認します。
11. 最低 30 秒間座って休んでいるときに最初のトレースを取得し、 イメージ ストア を 2 回押してトレースを保存します。次に、テスト中は毎分60ラウンド(RPM)のペースを維持し、大腿四頭筋のみを使用して脚の伸展を行い、ハムストリングの筋肉をリラックスさせるように参加者に指示します。実験中はプローブを固定したままにしてください。
12. 参加者に、毎分60ラウンド(RPM)のペースを0Wで維持し、大腿四頭筋のみを使用して脚の伸展を行い、ハムストリングの筋肉をリラックスさせるように指示します。実験中はプローブを固定したまま、 Image Store を 2 回押してトレースを保存します。
13. 抵抗を追加し、参加者に少なくとも 150 秒の運動を完了してもらい、30 秒のトレースを取得してから、 画像ストア を 2 回押してトレースを保存します。

4. 血流の定量

1. すべての画像を取得したら、[ レビュー]を押します。
2. トラックボールを押して、欲望の画像にカーソルを移動し、Enterをダブルクリックします。
3. 目的のトレースが表示されたら、[ 測定 ]を押し、画面右側のドロップダウンメニューの[流量]にカーソルを移動して、 Enterキーを押します。
4. カーソルを2D超音波画像に移動し、Enterを押してから、静止時に測定された直径に達するまでカーソルをドラッグし、もう一度Enterを押します。
5. カーソル選択ボタンを時計回りに2回回し、トラックボールをスクロールしてEnterキーを押して、2本の垂直線の間に表示される30秒のトレースを選択します。
6. LBFは、平均血流速度(cm / s)と大腿動脈の断面積(cm²)の積として計算し、左上隅に表示されます。
   注意: トレースの目視検査により、データ分析の前に品質管理を実行し、モーションアーチファクトや不整脈の影響を受ける脈波を除外します。検査終了後、 Angle Corr. ボタンを時計回りに回して下げ、反時計回りに回して大きくすることで、カーソルが動脈に対して水平になるように角度補正を調整することができます。

参加者
2022 年 5 月から 2022 年 10 月にかけて、合計 30 人の健康な男女が研究に参加するために募集されました。すべての参加者は、心血管疾患、代謝疾患、または神経疾患の病歴がありませんでした。カフェイン、アルコール、ニコチン、激しい運動、または血管機能に影響を与える可能性のあるその他の要因など、通常の習慣を変更するように指示されていません。

実験手順
参加者は、10日間隔で2つの異なる実験日に実験室に報告しました。各参加者について、実験は一日の同じ時間に行われましたが、時間帯は参加者間で異なっていました。さらに、実験は同じ部屋で行われ、光の露出が制限され、温度が制御され、音楽はなく、会話も制限されました。実験1日目と2日目には、同じ超音波検査技師(S1)によって測定が行われました。

参加者は、プロトコルと 補足図1に記載されている片足膝伸筋モデルに配置されました。本研究室の元教授(Bengt Saltin教授)が製作した片脚膝伸筋椅子は、「ソルティンチェア」とも呼ばれています( 資料表参照)。

10日間隔で2つの異なる実験日に、参加者は実験室に報告しました。実験は各参加者の同じ時刻に実施されたが、具体的な時間は参加者によって異なっていた。実験は、光の露出が制限され、温度が制御され、音楽がなく、会話が制限された管理された環境で行われました。実験日(1日、2日)は、同じ超音波検査技師(S1)で測定を行った。参加者は、プロトコルおよび 補足図1に記載されているように、片脚膝伸筋モデルに配置されました。「ソルティンチェア」( 資料表参照)としても知られる片脚膝伸筋チェアは、当研究センターのベングト・ソルティン教授によって開発されました。

当初、利き足の総大腿動脈(CFA)の血流は、脚をペダルに固定した状態で座った状態で測定されました。その後、参加者は運動を開始し、0W、6W、12W、18Wのワークロードで血流を測定しました。各エクササイズセッションは4分間続き、継続的に実行されました。定常状態を確保するために、各ワークロードで 2 回の血流測定が行われました。測定値は、各ワークロード21に2.5分および3.5分で得られた。その日の信頼性を評価するために、 図1に示すように、最初の測定後10秒間プローブを動脈から短時間持ち上げ、2回目の測定のために再配置しました。安静時に測定されたCFAの収縮末期直径を使用して、実験全体の流れを計算しました。

実験3日目に、2人の超音波検査技師間の変動が、上記と同じ運動プロトコルを使用して調査されました。6人の参加者が3回目の訪問についてインフォームドコンセントを提供した。臨床現場での血流測定の経験を持つ2人の熟練した超音波検査技師が、図1に示すように、同じ作業負荷で互いに 1分以内の測定を行いました。熟練した超音波検査技師は、エラー修正の監督を含め、片足の膝伸筋モデルで最低 20 時間のスキャン ボランティアを完了したと定義されました。両方の超音波検査技師は、日中の信頼性が同等であることを示しました。この演習では、2人の超音波検査技師が血流をランダムな順序で測定し、互いの測定値を知らされないようにしました。音声と視覚のフィードバックを避けるため、超音波検査技師は同時に部屋にいませんでした。最初の超音波検査技師は、与えられた作業負荷で150秒後に最初の測定を完了しました。トレースが完了した後、最初の超音波検査技師は超音波装置をデフォルト設定にリセットし、部屋を出ました。参加者は同じペースと負荷を維持し、その後、2人目の超音波検査技師が部屋に入り、新しいトレースを取得しました。両方の超音波検査技師は、実験 1 日目と 2 日目と同様に、4 つのワークロードの血流測定を実施しました。各作業負荷でスキャンする前に、コイントスによって超音波検査技師のランダムな順序が決定され、「勝者」が測定を開始することが保証されました。実験 3 日目、各超音波検査技師は、各運動セッション中に 1 つの血流測定のみを取得しました。

統計学
すべての統計分析は、統計ソフトウェアを使用して行われました。 p < 0.05(両側)の有意水準は統計的に有意であると見なされました。データは、平均 (標準偏差、SD) または平均 [95% 信頼区間、下限 (LL)、上限 (UL)] として表されます。対応のある t検定 を使用して、LBFの日内および日間の差を評価しました。p値はBonferroni補正され、統計的有意性のしきい値は0.005でした。

信頼性は、測定された変数22の変動によってもたらされるランダム誤差の量を測定する。絶対信頼性は、Bland-Altmanプロットを使用して評価され、一致限界(LOA)および最小実差(SRD)として提示され、95%のケースで2つの測定値間の期待差が推定されます23,24。一元配置分散分析(ANOVA)を使用して参加者内の標準偏差(SDw)を決定し、SRDは次の式24を使用して計算されました。

この方法を他のLBF測定技術と比較するために、信頼性の相対的な尺度として分散係数(CV)を計算しました。CVは、測定誤差25によって引き起こされる分散の比率を表します。

線形混合モデルからの平均推定値と残差分散の分布に基づいて、CVの分布をシミュレートし、CV26の95%信頼区間を求めました。CV値の品質レベルは、方法論と研究の種類に依存するため、公式のコンセンサスはありません。ただし、CVは一般的に、<10%の場合は低く、10%〜20%の場合は許容可能、25%を超える場合は許容できないと見なされます25,27。

この研究では、超音波検査技師1と超音波検査技師2のみが関心のある評価者であり、使用する適切なICCモデルを決定するために複数の測定が行われました。クラス内相関係数(ICC)は、絶対一致と複数の測定値ICC(3、k)を持つ二元混合効果モデルを使用して計算されました。最初の数字はモデル(1、2、または3)を示し、2番目の数字/文字はタイプを示し、単一の評価者/測定値(1)であるか、評価者/測定値の平均(k)であるかを示します28,29。

絶対信頼性と相対信頼性の両方が、測定の信頼性を評価するために一般的に使用されます。再現性とは、同じ条件下で測定を繰り返したときに同じ結果が得られる一貫性を指します。一方、再現性とは、測定がさまざまな条件または変化する条件下で実行されたときに一貫した結果を得る能力を指します。これらの用語は、測定方法22の信頼性を理解し、評価するのに有用である。

すべての参加者は研究を無事に完了し、実験計画に耐えました。合計30人の健康な被験者(年齢:33±9.3、男性/女性:14/16)が含まれ、平均体重は74.5 kg(標準偏差:13)、平均身長は174 cm(標準偏差:9.3)でした。

絶対値と内部整合性
LBFの絶対値には、日中または日中の測定値間で統計的に有意な差はありませんでした(表1)。LBFは、18Wでの安静時0.36(SD:0.20)L/minから運動中の2.44(SD:0.56)L/minまでの範囲で、増分ワークロード(図2)全体で徐々に増加し、ワークロードの進行とともに直線的に増加していることを示しています。

LBF測定値を示すBland-Altmanプロットは、図3に日内信頼性、図4に日中信頼性、図5に評価者間信頼性について示されています。日中のデータでは外れ値は見られませんでしたが、日間の測定ではいくつかの外れ値が観察され、評価者間の測定ではいくつかの外れ値が観察されました。

テスト-再テストの信頼性
最小実数差(SRD)、変動係数(CV)、およびクラス内相関係数(ICC)の値は、表 2に日内、 表3に日間、表 4に評価者間について記載されています。

日内のSRD値は、0Wで0.28[95%CI:0.22、0.38]L/minから18Wで0.39[95%CI:0.32、0.50]L/minの範囲であった。SRD値は、0Wで0.66[95%CI:0.41、1.32] L/minから18Wで0.71 [95%CI:0.53、1.01] L/minの範囲で、日間の測定値で高かった。SRDは、安静時の0.23 [95%CI: 0.12, 0.70] L/minから、18 Wでの運動時の1.55 [95%CI: 1.02, 2.82] L/minまでの範囲で、評価者間の測定でさらに高かった。

CV値は、18Wで4.0 [95%CI:3.0、5.1]%、0 Wで4.2 [95%CI:3.1、5.3]%の範囲でした。CVは、安静時の20.2 [95%CI:14.7、27.2] %から6 W中の10.1 [95%CI:7.5〜13.1] %までの範囲の日間測定でも高かった。評価者間の測定では、安静時のCVが26.8 [95%CI:11、51]%から6 W時の17.9 [95%CI:8.5、29.2]%の範囲で、さらに高い値が得られました。

ICC 値は、日中と日中の両方で、すべてのワークロードの信頼性が >0.90 であることを示しました。逆に、評価者間の測定では、ICC値は0.41(0.1〜0.84)と低くなりました。

図1:試験デザインの概要。 合計 30 人の健康な参加者が、0 から 18 W の範囲の増分作業負荷で片足の膝伸筋プロトコルを受けました。このプロトコルは 10 日以内に繰り返されました。6人の参加者のサブグループが、3日目の評価者間信頼性調査に志願した。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:片脚膝伸筋運動に対する脚の血流反応。 1 日目と 2 日目の平均値は、それぞれ黒と灰色の点で表され、ひげは標準偏差を示します。安静時に 1 つの測定値を取得し、各ワークロード (0、6、12、および 18 W) で 2 つの測定値を取得しました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:Bland-Altmanプロットで描かれた、片脚膝伸展中の脚血流の日内テスト-再テストの信頼性。 プロットは、両日(n = 60)の日内測定値から作成されました。増分ワークロードごとに、0 W (A)、6 W (B)、12 W (C)、18 W (D) の 1 つのプロットが表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:Bland-Altmanプロットで描かれた、片脚膝伸展中の脚血流の日間テスト-再テストの信頼性。 プロットは、日間の測定値(n = 30)から作成されました。休止量(A)、0 W(B)、6 W(C)、12 W(D)、18 W(E)の各条件について1つのプロットが表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:Bland-Altmanプロットで描かれた片脚膝伸展中の脚血流の評価者間テスト-再テストの信頼性。 プロットは、評価者間の測定値(n = 6)から作成されました。休止量(A)、0 W(B)、6 W(C)、12 W(D)、18 W(E)の各条件について1つのプロットが表示されます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

表1:脚の血流。 この表は、1日目と2日目の1日目と2日目の血流測定中に得られた絶対血流量値と総大腿動脈径測定値を示しています。データは平均(標準偏差)として表されます。対応のある t検定 を実施して、日内および日間の差を評価しました。略語:W =ワット、CFA =総大腿動脈。ボンフェローニ補正後に統計的に有意と見なされる p値は 、p = 0.005に設定されました。

表2:日中の信頼性測定。 この表は、日中の信頼性測定の平均値(95%信頼区間、下限、上限)を示しています。W = ワット。SRD = 最小実数差、CV = 分散係数、ICC = クラス内相関係数。

表3:日間の信頼性測定。 この表は、日間の信頼性測定の平均値(95%信頼区間、下限、上限)を示しています。W = ワット。SRD = 最小実数差、CV = 分散係数、ICC = クラス内相関係数。

表4:評価者間の信頼性測定。 この表は、評価者間の信頼性測定の平均値(95%信頼区間、下限、上限)を示しています。W = ワット。SRD = 最小実数差、CV = 分散係数、ICC = クラス内相関係数。

補足図1:片足膝伸筋モデル。 この画像は、片足膝伸筋モデルを使用している試験中の参加者を示しています。この画像の使用については、参加者と超音波検査技師の両方から事前の同意を得ました。テキストボックスは、プロトコルに記載されているすべての資料を強調表示するために使用されます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図2:超音波装置。 この画像は、ドップラー超音波検査を行うために使用されるボタンを示しています。プロトコルに記載されているすべてのボタンは、簡単に参照できるように強調表示されています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図3:脈波モードの超音波装置。 この画像は、脈波モードでドップラー超音波検査を実施するために採用されたボタンを示しています。プロトコルセクションに記載されているすべてのボタンは、わかりやすくするために強調表示されています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図4:ドップラー超音波信号。 この画像は、脚の血流の計算に使用される血流速度トレースを示しています。プロトコルのセクションで説明されているすべての関連メトリックとボタンは、簡単に識別および参照できるように強調表示されています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

著者らは、この研究は、潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または金銭的関係がない状態で実施されたと宣言しています。