パラメータ化拡張期充満フォーマリズムを経由Transmitral流れの運動学的モデルベースの​​解析によるグローバル拡張期機能の定量化

本手順の全体的な目的は、パラメータ化拡張期充満（PDF）形式を用いて、患者の左室拡張機能の全般的評価を行うことです。まず、心機能の完全な心エコー検査から拡張機能に関するデータを収集し、解析のためにコンピュータへ転送します。次に、僧帽弁血流画像を用いて、1拍の心拍に焦点を当てて解析を行います。

カスタムプログラムを用いて、e波およびa波の従来の拡張機能パラメータを抽出し、次段階の解析に向けて画像を前処理します。次に、前処理済みの僧帽弁血流画像が半自動フィッティングプログラムに読み込まれます。EWAのセグメントがフィッティング用に選択され、暫定的なパラメータ化拡張期充満モデルが作成され、画像上に重ね合わされます。

最終ステップは、必要に応じてフィッティングを微調整し、入力されたewaに基づいた最終的なパラメータ化された拡張期充填モデルのパラメータをプログラムに生成させることです。最終的に、このプロセスにより、患者の拡張機能を規定する弛緩能、剛性、および負荷を定量化するパラメータが得られます。これらのパラメータは、正常な機能と病的な機能を区別し、新たな生理学的メカニズムを解明するために利用されてきました。

PDF法の主な利点は、ニュートンの運動法則を心室拡張期の実際の吸引ポンプ生理学と結びつけることで、波形自体から生理学的および臨床的に関連のある拡張機能パラメータを抽出できることです。心臓生理学において、弛緩能と剛性は拡張期を特徴づける非常に重要な生理学的パラメータです。PDF法は、拡張期の主要な駆動因子を非侵襲的に測定可能なパラメータに分離できるため、心臓生理学分野における重要な疑問への回答に寄与します。

PDF法は非侵襲的な手法であり、従来は侵襲的な手段でしか測定できなかった拡張期の決定要因に関する知見を提供できる可能性があります。この手法の利点は、DTEにおいて移動するあらゆるものに適用できるため、僧帽弁を通過する血流に対しても同様に有効であることです。僧帽弁環組織の動きに関しては、カスタムのMATLABおよびLabVIEWプログラムを用いてソノグラム解析を行います。

カスタムMATLABユーティリティを使用して、DICOM形式の画像をビットマップファイルに変換します。次に、[画像を含むフォルダを検索]ボタンをクリックし、僧帽弁血流パラメータを測定するためのカスタムMATLABプログラムにビットマップファイルを読み込みます。[次の画像を表示]をクリックして画像を確認し、僧帽弁血流の輪郭が明確で、心周期が完全に捉えられている画像を選択してください。

解析のため、読み込まれた画像では水平軸に時間が、垂直軸に速度が表示されます。TSRボタンをクリックして、時間サンプリングレートを決定してください。画像上のハッシュマークを使用して、時間軸上で1秒間隔となる2つの時点を特定します。

次に、十字カーソルを使用して、最初のハッシュマークの左下をクリックします。拡大画像内でさらにズームするには、目的のハッシュマークの左端をクリックすると、画像がズームアウトします。2番目のハッシュマークに対しても、同様の手順を繰り返します。

これは、最初のハッシュマークからちょうど1秒後です。まず速度サンプリングレートを求めるには、VSRボタンの隣にあるボックスで、マークする速度の単位を設定してください。デフォルトは1 m/s（または100 cm/s）に設定されています。

VSRボタンをクリックし、十字カーソルを使用して、拡大画像上の速度ゼロ（V＝0）の位置を特定するため、速度ゼロ地点の左下をクリックします。画像上のどこに速度スケールが表示されているかを確認してください。速度ゼロ地点の最下端をクリックすると、画像が縮小されます。

次に、選択した値（通常は100 centimeters per second）における速度ポイントの左下をクリックし、2番目のポイントの下端をマークします。ピクセル単位の速度キャリブレーションを完了するには、マークeとウェーブボタンをクリックします。まず、1心周期の開始点と終了点を定義します。

時間および速度のポイントをマークしたときと同様の手順で、ECGのピークに隣接する箇所をマークします。拍動時間は、ピクセル数と時間サンプリングレートに基づいて算出されます。心拍数を算出した後、生理学的マーカーを使用して等容性弛緩期の開始点を定義します。

次に、最も高い波のピーク上部をクリックして、目的の波の拡大表示を取得します。完了したら、十字カーソルを使用してドップラーEWAのピークポイントを選択してください。これにより、十字カーソルが固定されます。

次に、十字線をewaの開始点に移動させます。十字線が、EWAのピークに一方の端を固定した直線を描いていることを確認してください。クリックする前に、固定された直線がewaの立ち上がりの位置から始まっていることを確認してください。

次に、ewaの終端をマークします。固定されたラインを移動させ、ewaの終端でクリックしてください。これらの視覚的に決定されたポイントにより、EWAの加速時間および減速時間を算出することが可能になります。同様の手順で、引き続き波のマークを行ってください。

これが完了すると、ソフトウェアにより、測定された従来の心エコーパラメータと、選択されたe波およびa波のみを含むクロップ画像が保存されたファイルが自動的に生成されます。e波のパラメータ化された拡張期充填解析を行います。カスタムラボビュープログラムにおいて、a波に対しても同様の手順に従います。従来の解析中に作成された画像ファイルを特定し、読み込みます。

LabVIEWプログラムがフィッティングさせるピクセルを自動的に選択し、波形の輪郭をより適切に表現するピクセルを選択できるよう、それらを青、緑、赤で表示します。「show fit」で「change MVE」が選択されていることを確認してください。次に、画像の左側にある最大速度エンベロープ（maximum velocity envelope）の閾値レベルスライダーを使用します。

しきい値を上げると、より輝度の高いピクセルが選択されます。しきい値を設定した後、「EWA start」スライダーに移動します。時間範囲の選択を開始するには、EWA開始時のノイズを除外するようにスライダーを配置し、関連する垂直線がピーク速度の約半分以上の立ち上がり部分（up slope）と交差するようにします。

次にEWA端のスライダーに移動し、ベースライン付近の通常ノイズが除外されるよう、対応する垂直線を減速スロープの約半分までの中ほどに配置します。なお、選択範囲内のピクセルは緑色で表示されます。配置が完了したら、「fit EWA」をクリックしてPDFフィッティングを開始し、フィッティング結果を確認するために「show fit」スイッチを切り替えて表示させてください。

データにノイズが多い場合、フィッティングが選択した最大速度しきい値に対して非常に敏感になることがあります。フィッティングがewaの近似として不十分な場合は、EWA時間および最大速度エンベロープしきい値のスライダーを調整してください。また、EWAパラメータを直接変更することも可能です。

フィッティングパラメータが画面に表示され、それぞれのテキストボックスに値を入力できます。また、上下の矢印を使用して値を変更することも可能です。パラメータを変更すると、フィッティングを表す緑色の曲線が変化し、納得のいくフィッティングが得られるまで調整します。

「update」をクリックして、平均二乗誤差の更新値を取得します。EWAの最適化が完了したら、「done」をクリックして、後で分析するためのプロットとデータファイルを生成します。ここに、従来の指標では区別できない、正規または擬似正規のEWAパターンを示します。

従来のEWAから導出された拡張能パラメータが画像の下に示されています。PDFのパラメータ値も併せて表示されています。さらに、PDFモデルによる予測適合曲線が緑色で重ねて表示されています。

優れた適合性を示しています。これはPDFモデルのフィッティングを伴う遅延緩和パターンです。正常な場合と比較して、このEWAは振幅が小さく、減速時間が短いことに留意してください。

心腔の粘弾性または弛緩を反映するPDFモデルのパラメータCは、正常パターンよりも高い値を示しています。この拘束性制限性パターンに対するPDFモデルの予測適合は、臨床的なEWAコンターと密接に一致しています。高く狭いEWA拘束性制限性パターンは、心腔の剛性の増加と駆出率の低下によって生成されます。

この例では、PDFの剛性パラメータKが、正常および遅延弛緩パターンの両方よりも高くなっています。この手法を習得すれば、適切に実施することで、解析に選択した各EWAにつき1〜2分で完了させることができます。この手順を行う際は、僧帽弁流速エンベロープが僧帽弁血流の制御に従っている、比較的ノイズの少ないEWAを選択することが重要です。

本手順に続き、心室腔の縦方向の剛性と弛緩に関するさらなる疑問に答えるため、組織の動きのフィッティングなどの他の手法を実行できます。概念的な導出とin vivoでの検証を経て、これらの手法により、心血管生理学の研究者が横方向対縦方向のインピーダンスを定量化することが可能になりました。拡張期において拡張機能の負荷独立指標を抽出し、EWA減速時間を剛性と弛緩の成分に分画します。

最近の研究では、これらの手法を用いて、健康な状態および疾患状態における拡張機能と渦流生成の関係が調査されています。本記事を読み、このビデオを視聴することで、PDF形式を用いて左室全体の拡張機能を評価する方法について、概念的な理解を深めることができます。