新生児における高フレームレート心エコー検査による血液スペックルイメージングによる心臓内渦の評価

Summary

現在のプロトコルは新生児の心臓内血行動態を視覚化するのに心エコー検査得られた血の斑点イメージ投射技術を使用する。この技術の臨床的有用性が調査され、左心室内の液体の回転体(渦として知られる)がアクセスされ、ダイアストロジーの理解におけるその重要性が決定されます。

Abstract

左心室(LV)には、血行動態充填の独特のパターンがあります。拡張期には、心臓のキラル形状により、渦として知られる回転体または液体のリングが形成されます。渦は、LVに入る血流の運動エネルギーを保存する役割があると報告されています。最近の研究では、LV渦は、新生児、小児、および成人集団における安静時の拡張期機能を説明する上で予後的価値があり、早期の無症候性介入に役立つ可能性があることが示されています。しかし、渦の可視化と特性評価は、まだほとんど研究されていません。心臓内の血流パターンと渦リングを視覚化および記述するために、多くのイメージングモダリティが利用されています。この記事では、血球スペックルイメージング(BSI)として知られる技術が特に注目されています。BSIは、高フレームレートのカラードップラー心エコー検査に由来し、他のモダリティに比べていくつかの利点があります。つまり、BSIは安価で非侵襲的なベッドサイドツールであり、造影剤や広範な数学的仮定に依存しません。この研究は、私たちの研究室で使用されているBSI方法論の詳細なステップバイステップの適用を示しています。BSIの臨床的有用性はまだ初期段階にありますが、小児および新生児集団において、容積過負荷の心臓における拡張期機能を説明することが期待されています。したがって、この研究の二次的な目的は、このイメージング技術を使用した最近および将来の臨床研究について議論することです。

Introduction

心臓内血流パターンは、胎児の形態形成から始まり、生涯を通じて続く心臓の発達において重要な役割を果たし^ます1。血行動態せん断ストレスは、特定の遺伝子の活性化を介して心室の成長と構造の刺激に極めて重要な^{役割を果たします2,3}。これは子宮内期と人生の初期段階の両方で起こるため、初期の心臓の発達と成人期への持ち越しに対する血行動態の影響の重要性が強調されています³。

流体力学の法則によると、血管壁を通過する血液は、壁に最も近いとゆっくりと動き、抵抗の少ない血管の中心にあると速くなります。この現象は、典型的なドップラー速度時間積分包絡線⁴として脈波ドップラーを持つ任意の大型容器で実証することができる。血液が心臓などの大きな空洞に入ると、心内膜表面から最も遠い血液は、その表面に最も近い血液に対して速度を上げ続け、渦として知られる液体の回転体を作ります。いったん発生すると、渦は自走式の流れ構造になり、通常は負圧勾配を介して周囲の流体を引き込みます。したがって、渦は同等の液体のまっすぐな噴射よりも多くの量の血液を動かすことができ、より高い^{心臓効率を促進し}ます^4,5。

文献によると、渦の進化の目的は、運動エネルギーを節約し、せん断応力を最小限に抑え、^{流れ効率を最大化する}ことである^4,5,6。特に心臓の場合、図1に示すように、回転運動で血行動態エネルギーを蓄え、弁を閉じやすくし、流出路への血流の伝播を促進します。心臓内血流パターンの変化は、容積過負荷状態などの病理学的状況や人工弁の場合に予想されます^7,8。したがって、ここに、成人の心血管転帰の早期予測因子としての渦の真の診断の可能性があります。

心臓内血行動態は、成人集団と小児集団の両方で文献への関心が高まっています。心臓内血行動態の定性的および定量的評価にはいくつかのモダリティが利用可能であり、最近のレビューでは、特に心臓内渦に重点が置かれて包括的に要約^{されています9。}大きな期待が寄せられているモダリティの1つは、心エコー検査由来の血液スペックル画像法(BSI)であり、これは、比較的低コストで優れた再現性で、以下に述べる多くの定性的および定量的渦特性を非侵襲的に測定する能力を提供する¹⁰。BSIは現在、S12またはS6 MHzプローブを備えたハイエンドの心臓超音波システムを使用して市販されています。スペックル追跡機能は、心筋変形を研究するために組織のスペックル追跡で使用される機能に類似しています11,12,13。赤血球は周囲の組織よりも速く、ドップラー周波数が高い傾向があるため、2つの信号は時間フィルターを適用することで分離できます。BSIは、ベストマッチアルゴリズムを使用して、造影剤を使用せずに血斑の動きを直接定量化します。血流速度測定値は、下層カラードップラー画像の有無にかかわらず、矢印、流線、または経路線として視覚化することができ、複雑な流れの領域を強調することができる¹⁰。

BSIは、心臓内血流パターンの定量化に優れた実現可能性と精度を持つことが示されており、リファレンスファントム機器やパルスドップ^{ラー7,10,11}と比較して優れた妥当性があります。BSIは、まだ非常に斬新ですが、さまざまな心臓病態生理学の早期診断のための有望な臨床ツールです。ボルテックスイメージングの臨床応用は、新生児への応用が有望視されています。具体的には、左心室(LV)の渦の挙動は、心臓のリモデリングと心不全の素因に長期的な影響を与える可能性があります。

渦と左心室リモデリングを結びつけるメカニズムは、まだ比較的未解明であるが、最近、当研究室で研究が進められており、現在進行中の研究¹¹の対象となっている。この方法論の記事は、心臓内渦の探索におけるBSIの使用について説明し、さまざまな集団における拡張期機能の評価における渦の実用的および臨床的使用について議論することを目的としています。副次的な目的は、BSIの臨床的関連性について議論し、以前に新生児で実施された研究のいくつかを提示することです。

Protocol

ヒトの参加者が参加する研究で実施されたすべての手順は、機関および/または国の研究委員会の倫理基準、および1964年のヘルシンキ宣言およびその後の改訂版または同等の倫理基準に従っていました。インフォームドコンセントは、研究に含まれるすべての個々の参加者の家族から得られました。すべての画像とビデオクリップは、取得後に匿名化されました。

1. 患者様の準備

1. 患者の簡易ベッドに隣接して超音波装置を設置し、3誘導心電図を接続します( 材料表を参照)。
2. 患者コードと体長や体重などの関連情報を入力し、前述の基準¹²に従って心エコー図を実行します。

2. 画像取得

1. 特にBSIの場合、狭いセクター幅の頂端4チャンバービューでLVの浅いビューを取得し、400〜600Hzの取得フレームレートを可能にします。
2. 左心室腔の上にカラーボックスを開き、僧帽弁から心内膜尖までの領域、および中隔心内膜境界から側壁心内膜境界までの領域のみを含むように最大限に狭めます。
3. 斑点ができるまでカラーゲインを上げ、わずかに減らします。カラードップラー速度スケールの限界を適切な拡張期速度(早産児では20-30 cm / s)に設定して、動きの遅い拡張期流入でカラーボックスを最大限に満たします。
4. 機器のタッチスクリーンコントロールパネル( 材料表を参照)で、 BSI モードをタップして、心臓内の流れの方向と渦をRAWカラー形式で表示します。BSIボックスの位置とサイズを調整して、関心のあるフロー領域を含め、少なくとも2つの心周期を記録します。
5. 頂端LV長軸図または心臓内血行動態評価が必要な他の図で手順を繰り返します(図2 および 図3)。

3. 画像解析

注:LV渦の画像解析技術については、私たちの研究室¹¹の以前の研究で簡単に説明されています。心臓内渦の評価に使用されるプロトコルは次のとおりです(図3 および 図4)。

1. 各患者の2つの心周期をRAW DICOM形式で外部メディアに保存し、詳細なオフライン分析のために画像処理ソフトウェア( 材料表を参照)をインストールしたラボステーションに転送します。
2. オフラインになったら、最も目立つ渦または主要な渦を特定します。
   注:主渦は、中隔近くの左心室の左上象限に位置する細長い楕円形の反時計回りの回転構造として視覚化され、早産児の拡張後期(伝達A波中)に見られる最大の渦領域があります(ビデオ1)。主な渦は、通常、年長の乳幼児の送信型E波の間に見られます。
3. 各クリップの心周期全体で形成される独立した完全な楕円形の渦の数を記録します。
4. LV内の既知のランドマークに対する主渦の位置を測定します。 渦の深さを決定するには、分析ソフトウェアの「距離測定」ツールを使用して、渦目から僧帽弁輪の中央までの垂直距離を測定します。 渦横位置の場合、渦眼から心室中隔の心内膜境界までの水平距離を測定します。
5. LVの長さと幅に対する主渦の垂直方向と水平方向のエッジ間距離を測定して、渦の形状を取得します。
   注:これにより、長さを幅で割った渦球 状度指数 を推定することもできます。
6. 解析ソフトの「トレース計測」ツールを使って、一番 外側の渦 リングをクリックして、主渦が最も目立つところをトレースし、主渦域を求めます。
7. ピーク渦形成時間(PVFT)を評価するには、主渦が最も目立つ心臓フレームに渦が最初に現れたときの心臓フレーム(円形のリングが描かれている)を記録し、患者の1つの心臓周期のフレームの総数に対するフレーム数を計算します。
8. 渦の持続時間を評価するには、渦が円環の形成を失ったときに渦が最初に現れるフレームを測定します。次に、渦の持続時間は、その患者の1つの心周期におけるフレームの総数に対するフレーム数として計算されます(図5)。

Representative Results

渦クリップの取得は、カラードップラークリップの取得に広く採用されている標準的な方法論に匹敵します。成人を対象とした先駆的な研究では、頂端の2室、3室、4室の視点を使用して渦が説明されています¹⁴。LV渦は、底面から頂点に向かって移動するリング状の構造です。BSIはリングの内径を可視化します(図2)。通常、渦リングは対称的な形状ではないため、別のイメージング面では、さまざまな渦の形態や位置を示すことができます。20人の患者を対象とした小規模な分析では、渦の位置が同等であることがわかりました。特に、渦球度指数は、3室図に比べて4室図の方が高かった(図3)。本研究では、渦イメージングに3チャンバービューを採用し、私たちの経験の中で最も再現性の高い画像が得られました。

私たちの研究室の最近の研究は、心エコー検査由来の^BSI11の臨床応用の成功を報告しています。50人の早産新生児が、血圧や呼吸状態などの従来の臨床データに加えて、BSI評価を含む包括的な心エコー検査を受けました。新生児における渦の取得と解釈の実現可能性と信頼性は高く、上記の方法論に基づいて渦を詳細に記述できることが実証されました。具体的には、渦の面積、位置、形態、見かけの渦の数、タイミング特性、および従来の心臓の構造と機能のパラメータに関するさまざまな値が特定されました。さらに、母集団はインデックス化されたLVボリュームに基づいて四分位数に細分化され、さまざまな主要な渦パラメータについて、高四分位群と低四分位群の間に有意差があることを示しました(表1)。

分析により、新しいBSI渦パラメータと、拡張期機能およびLV形態の従来の心エコー検査由来パラメータとの間にいくつかの重要な関連が明らかになりました。渦面積とLV拡張末期寸法(r = 0.50、 p < 0.01)の間には強い正の相関が見られ、渦持続時間とLV拡張末期血圧¹² (r = -0.56、 p < 0.01)の代理尺度であるEe'比との間に逆相関が見られました。これらのデータは、ボルチスが新生児集団の拡張期機能に関する独自の洞察を提供し、従来の確立されたパラメータに追加のサポートを提供する可能性があることを示唆しています。

渦領域とLV形態の間の上記の重要な関連は、心臓内血行動態からの運動エネルギーが早産児のLVの早期心臓リモデリングに影響を与える可能性があるという仮説に関するさらなる進行中の研究を促しました。より大規模なプロスペクティブ研究により、超早産児の少なくとも4人に1人が退院時にLV心臓リモデリングの徴候を示すことが明らかになっている。ただし、基盤となるメカニズムに関する情報は限られています。予備的評価では、後に心臓リモデリングを発症した乳児では、早産後7日目に渦の伸長が少なくなることがわかり、心臓内の血流パターンが早産後の心臓の発達に重要な役割を果たしている可能性があるという仮説を支持しています¹⁵。これらの知見を検証し、早期かつ短期間の介入がこの異常な心臓発達の経路を予防できる可能性があるかどうかを調べるには、さらなる研究が必要である。

心臓内血行動態の特性評価におけるBSIの応用は、独自のフローパターンが存在する他の心臓ランドマークでも検討されています(図6)。拡張期の右心房(ビデオ2)と右心室流出路の血行動態(ビデオ3)で、バイキャバル流入パターンの予備評価が行われます。これらのパイロット研究は、さまざまなレベルの呼吸補助を伴う新生児の静脈還流のパターンをさらに説明し、呼吸変化と拡張期機能の相互関係についてさらに洞察を得ることを目的としています。

図1:左心室心臓内血行動態。 この図は、LV内の心臓内血流パターンと渦形成を視覚的に示しています。 この 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:左心室渦リング。 この模式図は、2次元カラードップラーとスペックルトラッキングイメージングを使用して、頂端の3チャンバービューから見た渦リングを示しています。頂端の3室図を用いた場合、主渦(Smain3室)は4室図(Smain4室)よりも小さくなる。主渦は、通常、二次渦(Ssec)と比較すると大きくなります。 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3:頂端図の血液スペックルイメージング由来の渦。 これは、頂端の4室図(左)と頂端の3室図(右)を使用して示したBSI由来の渦の比較です。グラフは、2つの頂端窓の渦のさまざまな形状と位置を表しています。 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:渦の形態評価。 この図は、私たちの研究室で、頂端の4チャンバービューから渦の形態パラメータを取得するために使用した手動の方法を示しています。 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:渦のタイミング特性の評価。 この図は、渦の持続時間やピーク渦形成時間などの渦のタイミング特性を得るための手法を示しています。赤い縦線は、心周期のどの段階で渦イベントが発生するかを示しています。 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6:他の心室での血斑の追跡。 この図は、他の心室における心臓内血行動態を示しています。右心室(RV)では、主渦は時計回りに回転する構造であり、肺動脈弁と動脈(PA)の直前に最大面積で中隔に沿って転がります。右心房(RA)では、側壁の下縁付近で下大静脈(IVC)と上大静脈(SVC) からの 流入が混ざり合い、反時計回りに回転し、時にはRA付属器の近くで時計回りに2回目の回転が起こり、主渦が形成されます。左心房(LA)は、4本の肺静脈の流れが直接混ざり合わない領域が限られており、渦を捉えるのが難しい場合があります。 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。

	LVEDVi 最低四分位数	LVEDVi 最高四分位数
駆出率(%)	67(5)	69(5)
縦ひずみ(%)	20.3(1.6)	23.5(2.7)*
MV VTI(cm)	6.4(1.9)	9.6(2.8)**
EA比率	0.69(0.12)	0.84(0.10**
Ee'比	13.3(2.9)	19.7(8.0)*
IVRT (ミリ秒)	54(8)	44(8)**
場所
渦の深さ	0.58(0.10)	0.56(0.07)
渦横位置	0.29(0.07)	0.37(0.15)**
幾何学
渦面積(cm2)	0.44(0.28)	0.57(0.21)
LV領域にインデックス付けされた渦領域	0.20(0.12	0.18(0.05)
時間プロパティ
渦開始時間(RRの%)	88(5)	76(8)**
ピーク渦形成時間(RRの%)	91(2)	82(8)**
渦持続時間(RRの%)	16(4)	11(2)**

表1:インデックス化されたLVボリュームの四分位数が最も低い乳児と最も高い四分位数を持つ乳児の比較。 データは平均+標準偏差(SD)として表されます。**p < 0.01、*p < 0.05。略語:IVRT =等量緩和時間;LVEDVi = 体重に指標付けされた左心室拡張末期容積;MV = 僧帽弁。この表は、参照¹¹ から再利用されています。

ビデオ1:LVボルテックスビデオのスクリーングラブ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ビデオ2:バイキャバル流入渦のビデオのスクリーングラブ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ビデオ3:右心室流出路渦のビデオからのスクリーングラブ。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

心臓内渦の可視化と理解の重要性
高フレームレート心エコー検査によるボルテックスイメージングには、多くの臨床応用が考えられます。心臓内血流動態に関する貴重な洞察を提供する彼らの能力は、最近の研究の関心となっています¹⁶。さらに、ボルテックスイメージングは、新生児のLV構造と機能の発症前の変化の検出を可能にする可能性があり、これは成人期までの長期的な心臓リモデリングに関係している可能性があります¹⁵。これにより、フォローアップ治療や手術の精度と予後アウトカムが向上する可能性があります。心臓内渦の可視化におけるBSIの使用は、最近、文献でいくらかの牽引力を得ていますが、ほとんど研究されていません。早産新生児に関する本研究室での研究は別として、他の臨床出版物は、心エコー検査によるBSIが、先天性心疾患^7,17、弁膜症¹⁸、さらには右心室病理学¹⁹の乳児において実行可能であり、臨床的に関連性があることを実証している。

拡張期機能評価におけるボルテックスイメージングの有用性
LVの拡張期機能は、血液で満たされ、排出のためのストローク量を準備する能力を表します。駆出率が保たれた心不全(HFpEF)患者の拡張期機能の理解において、特に心エコー検査による病態生理学、診断、および予後に関連して大きな進歩がありました^20,21。心臓の拡張期機能は、アクチンとミオシンの架橋が剥離し、心筋線維の緊張が低下し始める心筋弛緩の活発な生化学的プロセスを伴います。僧帽弁が開くと、心筋線維の弾性反跳によって生じる吸引力(復元力)によって血液がLVに入ります。これにより、LVキャビティの圧力が低下し、心房と心室の間に圧力勾配が生じます。拡張期機能の最終段階は、心房収縮によって発生し、心房収縮は、LA圧をLV圧以上に上昇させ、僧帽弁の閉鎖および収縮の開始前に、最終的なLV拡張末期圧力および容積を確立する²²。

血行動態の観点から、LV拡張期は、排出の準備のために心房から心室への酸素化された血液の柱の通過を含む。僧帽弁輪に隣接するLV流出路の位置は、血液が心室に基底から頂端に入り、心室から心室を頂端から基底に離れることを意味します。心臓内血行動態の理解における最近の進歩は、左心室充填から排出への移行で発生する血流のこのリダイレクトが特定の回転方向に従うことを示唆しています 心筋へのせん断力を最小限に抑え、移動する血液柱の運動エネルギーを節約するため、心室内渦^が形成されます^4,5(図1)。

ダイアストロジーのガイドラインは、米国心エコー学会および欧州心血管画像学会によって要約されています¹²。拡張期機能の標準的なドップラーおよび2次元導出評価には、いくつかの制限があります。これらには、心拍数、ドップラー角依存性、信号品質、および複数のパラメータを使用して拡張期機能障害を等級付けすることの難しさが含まれますが、これらに限定されません。したがって、角度と心拍数に依存しないパラメータの提案は、単一の一次測定から得られるLVの弛緩と充填に関する詳細な洞察の可能性を秘めており、心臓内渦の導入によって可能になります。

今回の結果で明らかになったように、渦を可視化することでいくつかのパラメータが得られ、拡張期心機能に関する洞察が可能になります。具体的には、渦の面積/形状とLVの形態との間に有意な関連があり、LV拡張末期血圧の予測における渦のタイミングの関連性が示されています。さらに、使用した画像面に基づく渦の位置の変化も見られ(図3)、他の著者の研究における先天性心疾患の小児における位置の違い(すなわち、容積過負荷の症例および弁膜症の患者における渦は心室中隔に近い位置にある^7,12).LVで見られる渦の数は、理論的にはLVアーキテクチャに関連している可能性がありますが、この研究と他の研究ではまだ統計的有意性を示していません。最後に、渦イメージングは、渦度、エネルギー損失、および蓄積された運動エネルギーなどのより複雑な数値測定を生じさせる可能性があり、これは、二尖弁大動脈弁などの先天性弁膜症の研究においていくつかの予後的価値を示している¹⁸。BSIの臨床応用は、従来のカラードップラーに実行可能な追加情報を提供し、シャント、弁閉鎖不全症、狭窄などの病状における異常な血行動態パターンの視覚化を強化するのに役立つ可能性があります¹⁷。

心臓内渦のイメージングと分析:長所と短所
前述したように、心臓内血流パターンは、心臓磁気共鳴画像法(MRI)、心エコー検査による粒子画像流速計、ベクターフローマッピング、^BSI6を用いて可視化することができる。新生児では、BSIは非侵襲性とベッドサイドでの適用により、最大の利点を持っています。さらに、画像解像度と超音波ビームの透過は反比例の関係にあるため、新生児の体表面積が非常に小さいため、浸透深さを犠牲にすることなく高解像度を利用することができます。逆に、BSIは心臓内渦を捕捉するために高いフレームレートと分解能を必要とするため、この技術は現在のところ、浸透要件が大きいために分解能が損なわれる成人などの大柄な患者には実行できません。これまでのところ、BSIの適用に成功した患者の最大数は、年齢中央値が7歳で、体表面積が最大1.22 m²⁷の小児集団でした。

BSIイメージングのもう一つの限界は、渦を正確に推定するために高品質の2次元画像に依存していることです。現在、BSIは3次元心エコー検査では利用できないため、この複雑な3次元構造の視覚化が制限されています。さらに、BSIは浸透深度が限られているため、S/N比が大幅に低下します。実際には、これは、検査中に動いている不安定な新生児と、LVの最適化および定義された4つのチャンバービューを妨げる身体構造が、この技術で重大な障害を形成する可能性があることを意味します。検査中に新生児を落ち着かせる方法(例えば、スクロースを使用)および4チャンバービューでLV画質を最適化するための他の技術(例えば、新生児の位置決めおよびオペレーター技術)は、容易に実施されるべきである。

最後に、この研究は商業的には、選択した技術(すなわち、心エコー検査から派生したBSI)の渦特性に限定されていました。これらの測定値の臨床的関連性と再現性は文献で注目を集めていますが、これらのマーカーがさまざまな病理学で何を意味するのか、そしてそれらが他のイメージングモダリティとどのように比較されるのかをさらに検証する必要があります。例えば、ボルテックスの構造、ポジショニング、タイミングは先天性心疾患において非常に有用であり、BSIではまだ利用できない運動エネルギーパラメータは、心臓リモデリングの長期連続研究において有用である可能性がある。

今後の方向性
要約すると、BSIは、心臓内の血行動態、より具体的には渦を評価するための低コストで非侵襲的で貴重なツールとして急速に認識されています。本研究室の研究により、その再現性が検証され、早産後の心機能評価とリモデリングの補助ツールとしての臨床的および実用的な有用性が実証されました⁸。今後、心筋に対する心臓内剪断力と、その後の心臓リモデリングとの関連が仮定されているが、これは早期発達のさまざまな時点で見られる。これまでのところ、渦の構造的および時間的特性のみが調査されています。しかし、前述したように、回転運動エネルギーや渦度などのエネルギーパラメータを取得することで、フローパターンと有害な心臓リモデリングを結びつけるメカニズムについて、さらなる洞察が得られる可能性があります。臨床的には、これにより、リスクのある患者に対してよりタイムリーな介入を実施できる可能性があります。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tomtec Imaging Systems GmbH	Phillips	GmbH Corporation	Offline ultrasound image processing tool, used for calculating all vortex measurements
Vivid E95	General Electrics	NA	Cardiac Ultrasound device used to capture Echocardiography-derived Blood Speckle Imaging