ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Summary
본 프로토콜은 심장 초음파 유래 혈액 스페클 이미징 기술을 사용하여 신생아의 심장 내 혈류역학을 시각화합니다. 이 기술의 임상적 유용성을 탐구하고, 좌심실 내 유체의 회전체(소용돌이로 알려짐)에 접근하고, 이질학을 이해하는 데 있어 그 중요성을 결정합니다.
Abstract
좌심실(LV)은 독특한 혈류역학적 충전 패턴을 가지고 있습니다. 이완기 동안, 소용돌이로 알려진 회전체 또는 유체 고리는 심장의 카이랄 기하학적 구조로 인해 형성됩니다. 소용돌이는 LV로 들어가는 혈류의 운동 에너지를 보존하는 역할을하는 것으로보고되었습니다. 최근 연구에 따르면 LV 소용돌이는 신생아, 소아 및 성인 인구의 휴식 시 이완기 기능을 설명하는 데 예후 가치가 있을 수 있으며 조기 무증상 개입에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 소용돌이의 시각화 및 특성화는 최소한으로 탐구된 상태로 남아 있습니다. 심장 내 혈류 패턴과 소용돌이 고리를 시각화하고 설명하기 위해 다양한 이미징 양식이 활용되었습니다. 이 기사에서는 BSI(blood speckle imaging)로 알려진 기술에 특히 관심이 있습니다. BSI는 높은 프레임 속도의 컬러 도플러 심초음파에서 파생되었으며 다른 양식에 비해 몇 가지 이점을 제공합니다. 즉, BSI는 조영제나 광범위한 수학적 가정에 의존하지 않는 저렴하고 비침습적인 침상 도구입니다. 이 연구는 우리 실험실에서 사용되는 BSI 방법론의 상세한 단계별 적용을 제시합니다. BSI의 임상적 유용성은 아직 초기 단계에 있지만, 소아 및 신생아 인구 내에서 용적 과부하 심장의 이완기 기능을 설명할 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 따라서 이 연구의 두 번째 목표는 이 이미징 기술에 대한 최근 및 미래의 임상 작업에 대해 논의하는 것입니다.
Introduction
심장 내 혈류 패턴은 태아의 형태 형성에서 시작하여 평생 동안 계속되는 심장 발달에 중요한 역할을 합니다1. 혈역학적 전단 응력은 특정 유전자 2,3의 활성화를 통해 심실 성장 및 구조를 자극하는 데 중추적인 역할을 합니다. 이는 자궁 내 단계와 생애 초기에 모두 발생하며, 따라서 초기 심장 발달과 성인기로의 이월에 대한 혈역학적 영향의 중요성을 강조한다3.
유체 역학 법칙에 따르면 혈관 벽을 따라 흐르는 혈액은 벽에 가까울 때 느리게 움직이고 저항이 낮은 혈관 중앙에 있을 때 더 빠르게 움직입니다. 이 현상은 전형적인 도플러 속도 시간 적분 엔벨로프4로 맥파 도플러를 갖는 모든 대형 선박에서 입증 될 수 있습니다. 혈액이 심장과 같은 더 큰 구멍으로 들어가면 심내막 표면에서 가장 멀리 떨어진 혈액은 해당 표면에 가장 가까운 혈액에 비해 속도를 계속 증가시키고 소용돌이라고 하는 유체의 회전체를 생성합니다. 일단 생성되면 소용돌이는 일반적으로 음압 구배를 통해 주변 유체를 끌어들이는 자체 추진 흐름 구조입니다. 따라서 소용돌이는 동등한 직선 유체 제트보다 더 많은 양의 혈액을 이동시켜 더 큰 심장 효율을 촉진할 수 있습니다 4,5.
문헌에 따르면 소용돌이의 진화적 목적은 운동 에너지를 보존하고 전단 응력을 최소화하며 흐름 효율을 최대화하는 것입니다 4,5,6. 특히 심장의 경우, 그림 1에서 볼 수 있듯이 혈류역학적 에너지를 회전 운동으로 저장하고, 판막 폐쇄를 촉진하고, 혈류를 유출관으로 전파하는 것이 포함됩니다. 변경된 심장 내 혈류 패턴은 부피 과부하 상태와 같은 병리학적 상황 및 인공 판막이 있는 경우에 예상된다 7,8. 따라서 성인의 심혈관 결과의 초기 예측 인자로서 소용돌이의 진정한 진단 잠재력이 여기에 있습니다.
심장 내 혈류역학은 성인 및 소아 인구 모두에서 문헌에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 심장 내 혈류역학의 정성적 및 정량적 평가를 위해 몇 가지 양상을 사용할 수 있으며, 최근 문헌고찰에서 심장 내 소용돌이(intracardiac vortex)9에 중점을 두고 종합적으로 요약되었다. 큰 가능성을 가진 한 가지 양식은 심장 초음파 유래 혈액 스페클 영상(BSI)으로, 아래에 설명된 여러 정성적 및 정량적 소용돌이 특성을 비교적 저렴한 비용과 우수한 재현성으로 비침습적으로 측정할 수 있는 기능을 제공합니다10. BSI는 현재 S12 또는 S6 MHz 프로브가 있는 고급 심장 초음파 시스템을 사용하여 상용화되고 있습니다. 스페클 추적 기능은 심근 변형을 연구하기 위해 조직 스페클 추적에 사용되는 기능과 유사합니다 11,12,13. 적혈구는 주변 조직보다 더 빠르고 더 높은 도플러 주파수로 움직이는 경향이 있기 때문에 시간 필터를 적용하여 두 신호를 분리할 수 있습니다. BSI는 조영제를 사용하지 않고 혈액 얼룩의 움직임을 직접 정량화하기 위해 최적 일치 알고리즘을 사용합니다. 혈속 측정은 화살표, 유선, 또는 경로선으로 기본 컬러 도플러 이미지의 유무에 관계없이 시각화될 수 있으며, 복잡한 흐름(10)의 영역을 강조할 수 있다.
BSI는 기준 팬텀 기기 및 펄스 도플러 7,10,11에 비해 우수한 타당성으로 심장 내 혈류 패턴을 정량화하는 데 우수한 타당성과 정확도를 갖는 것으로 나타났습니다. BSI는 여전히 매우 새롭지만 다양한 심장 병태생리학의 조기 진단을 위한 유망한 임상 도구입니다. 소용돌이 영상의 임상 적용은 신생아에게 가능성을 보여주었습니다. 특히, 좌심실(LV)의 소용돌이 작용은 심장 리모델링 및 심부전 경향에 장기적인 영향을 미칠 수 있습니다.
소용돌이와 좌심실 리모델링을 연결하는 메커니즘은 아직 상대적으로 탐구되지 않았지만 최근 우리 실험실에서 조사되었으며 진행 중인 연구의 주제입니다11. 이 방법론 기사는 심장 내 소용돌이를 탐색하는 데 BSI를 사용하는 방법을 설명하고 다양한 인구 집단에서 이완기 기능을 평가하는 데 소용돌이의 실용적이고 임상적인 사용에 대해 논의하는 것을 목표로 합니다. 두 번째 목표는 BSI의 임상적 관련성을 논의하고 이전에 신생아에서 수행된 작업 중 일부를 제시하는 것입니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
인간 참가자를 대상으로 한 연구에서 수행된 모든 절차는 기관 및/또는 국가 연구 위원회의 윤리 기준과 1964년 헬싱키 선언 및 이후 개정안 또는 이에 준하는 윤리 기준에 따랐다. 연구에 포함된 모든 개별 참가자의 가족으로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다. 모든 이미지와 비디오 클립은 인수 후 식별이 해제되었습니다.
1. 환자 준비
- 환자의 유아용 침대에 인접한 초음파 기계를 설치하고 3리드 심전도를 연결합니다( 자료표 참조).
- 환자 코드와 몸길이 및 체중과 같은 관련 세부 정보를 입력하고 앞서 설명한 표준12에 따라 심장 초음파를 수행합니다.
2. 이미지 취득
- 특히 BSI의 경우 좁은 섹터 폭으로 정점 4챔버 보기에서 LV를 얕게 볼 수 있으므로 400-600Hz 사이의 획득 프레임 속도를 허용합니다.
- 좌심실강 위의 색상 상자를 열고 승모판막에서 심내막 정점까지, 중격 심내막 경계에서 외벽 심내막 경계까지의 영역만 포함하도록 최대한 좁힙니다.
- 얼룩덜룩할 정도로 색 게인을 높이고 약간 줄입니다. 컬러 도플러 속도 눈금 제한을 적절한 이완기 속도(조산아의 경우 20-30cm/s)로 설정하여 느리게 움직이는 이완기 유입으로 색상 상자를 최대한 채웁니다.
- 장비의 터치스크린 제어판( 재료 표 참조)에서 BSI 모드를 눌러 심장 내 흐름 방향과 소용돌이를 RAW 색상 형식으로 표시합니다. 관심 유동 영역을 포함하도록 BSI 상자 위치와 크기를 조정하고 최소 두 개의 심장 주기를 기록합니다.
- 정점 LV 장축 보기 또는 심장 내 혈류역학적 평가가 필요한 다른 보기에서 절차를 반복합니다(그림 2 및 그림 3).
3. 이미지 분석
참고: LV 소용돌이에 대한 이미지 분석 기술은 우리 실험실11의 이전 작업에서 간략하게 설명되었습니다. 심장 내 소용돌이를 평가하는 데 사용되는 프로토콜은 다음과 같습니다(그림 3 및 그림 4).
- 각 환자의 두 심장 주기를 RAW DICOM 형식으로 외부 매체에 저장하고 자세한 오프라인 분석을 위해 이미지 처리 소프트웨어( 재료 표 참조)가 설치된 실험실 스테이션으로 전송합니다.
- 오프라인 상태가 되면 가장 두드러지거나 주요 소용돌이를 식별합니다.
참고: 주 소용돌이는 중격 근처 좌심실의 왼쪽 상단 사분면에 위치한 길쭉한 타원형의 시계 반대 방향으로 회전하는 구조로 시각화되며, 최대 소용돌이 면적은 조산아의 후기 이완기(투과성 A파 동안)에서 발견됩니다(비디오 1). 주요 소용돌이는 일반적으로 나이가 많은 유아와 어린이의 전송 E-파 중에 발견됩니다. - 각 클립에 대해 심장 주기 전반에 걸쳐 형성되는 독립적이고 완전한 타원형 소용돌이의 수를 기록합니다.
- LV 내에서 알려진 랜드마크를 기준으로 주 소용돌이의 위치를 측정합니다. 소용돌이 깊이를 결정하려면 해석 소프트웨어의 "거리 측정" 도구를 사용하여 소용돌이 눈에서 승모판 고리 중간까지의 수직 거리를 측정합니다. Vortex transverse position의 경우 vortex eye에서 interventricular septum의 endocardial border까지의 수평 거리를 측정합니다.
- LV 길이와 너비를 기준으로 주 와류의 수직 및 수평 가장자리 간 거리를 측정하여 소용돌이 모양을 얻습니다.
참고: 이것은 또한 와류 구형도 지수 를 길이를 너비로 나눈 값으로 추정할 수 있습니다. - 해석 소프트웨어의 "추적 측정" 도구를 사용하여 주 와류가 가장 두드러지는 지점에서 가장 바깥쪽 와류 링을 클릭하고 추적하여 주 와류 영역을 결정합니다.
- PVFT(Peak Vortex Formation Time)를 평가하려면 주 소용돌이가 가장 두드러지는 심장 프레임에 소용돌이가 처음 나타날 때(원형 링이 표시됨) 심장 프레임을 기록하고 환자의 한 심장 주기의 총 프레임 수에 대한 프레임 수를 계산합니다.
- 소용돌이 지속 시간을 평가하려면 소용돌이가 원형 고리 형성을 잃을 때 소용돌이가 처음 나타나는 프레임을 측정합니다. 그런 다음 소용돌이 지속 시간은 한 심장 주기에서 해당 환자의 총 프레임 수에 상대적인 프레임 수로 계산됩니다(그림 5).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
와류 클립의 획득은 컬러 도플러 클립을 얻는 데 보편적으로 사용되는 표준 방법론과 비슷합니다. 성인을 대상으로 한 선구적인 연구는 정점 2, 3, 4 챔버 보기를 사용하여 소용돌이를 설명했습니다14. LV 소용돌이는 바닥에서 정점으로 이동하는 고리 모양의 구조입니다. BSI는 링의 내경을 시각화합니다(그림 2). 소용돌이 고리는 일반적으로 모양이 대칭이 아니므로 대체 이미징 평면은 다양한 소용돌이 형태 또는 위치를 나타낼 수 있습니다. 20명의 환자를 대상으로 한 소규모 분석에서 소용돌이 위치가 비슷하다는 것이 밝혀졌습니다. 특히, 소용돌이 구형도 지수는 3 챔버 보기와 비교할 때 4 챔버 보기에서 더 높았습니다(그림 3). 본 연구는 소용돌이 이미징을 위해 3 챔버 뷰를 채택하여 경험상 가장 재현 가능한 이미지를 생성했습니다.
우리 실험실의 최근 연구는 심장 초음파 유래 BSI11의 성공적인 임상 적용을 설명했습니다. 50명의 조산생을 대상으로 혈압 및 호흡기 상태와 같은 전통적인 임상 데이터와 함께 BSI 평가가 포함된 종합 심초음파를 받았습니다. 신생아에서 소용돌이의 획득과 해석의 타당성과 신뢰성이 높았으며 위에서 논의한 방법론을 기반으로 소용돌이를 자세히 설명할 수 있음을 보여주었습니다. 특히, 소용돌이 면적, 위치, 형태, 겉보기 소용돌이 수 및 타이밍 특성에 대한 다양한 값과 전통적인 심장 구조 및 기능 매개변수가 식별되었습니다. 또한, 모집단은 색인화된 LV 부피를 기반으로 사분위수로 세분화되었으며 다양한 주요 소용돌이 매개변수에 대해 상위 사분위수 그룹과 하위 사분위수 그룹 간에 상당한 차이가 있음을 보여주었습니다(표 1).
분석 결과, 새로운 BSI 와류 파라미터와 이완기 기능 및 LV 형태의 전통적인 심장 초음파 유래 파라미터 사이의 몇 가지 주요 연관성이 밝혀졌습니다. 와류 면적과 LV 이완기 말단 차원 사이에는 강한 양의 상관관계가 나타났으며(r=0.50, p < 0.01), 와류 지속 시간과 LV 이완기 말기 혈압12 의 대리 측정치인 Ee' 비율 사이에는 역의 상관관계가 나타났습니다(r=-0.56, p < 0.01). 이러한 데이터는 소용돌이가 신생아 집단의 이완기 기능에 대한 고유한 통찰력을 제공하고 기존의 잘 확립된 매개변수에 대한 추가 지원을 제공할 수 있음을 시사합니다.
위에서 설명한 와류 영역과 LV 형태 사이의 주요 연관성은 심장 내 혈류역학의 운동 에너지가 조산아에서 LV의 초기 심장 리모델링에 영향을 미칠 수 있다는 가설에 대한 지속적인 연구를 촉발했습니다. 지금까지 대규모 전향적 연구에 따르면 조산아 4명 중 1명 이상이 퇴원 시 LV 심장 리모델링의 징후를 보입니다. 그러나 기본 메커니즘에 대한 정보는 제한적입니다. 예비 평가에 따르면 나중에 심장 리모델링을 발달시킨 영아의 경우 조산 후 7일째에 소용돌이가 덜 길어지는 것으로 나타났으며, 이는 심장 내 혈류 패턴이 조산 후 심장 발달에 중요한 역할을 할 수 있다는 가설을 뒷받침한다15. 이러한 발견을 검증하고 조기 및 단기 개입이 잠재적으로 이러한 비정상적인 심장 발달 경로를 예방할 수 있는지 여부를 조사하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
심장 내 혈류역학을 특성화하는 데 BSI의 적용은 독특한 흐름 패턴이 존재하는 다른 심장 랜드마크에서도 연구되었습니다(그림 6). 이완기 중 우심방(비디오 2) 및 우심실 유출로 혈류역학(비디오 3) 내에서 이중기골 유입 패턴에 대한 예비 평가가 수행됩니다. 이러한 파일럿 연구는 다양한 수준의 호흡 지원을 받는 신생아의 정맥 복귀 흐름 패턴을 추가로 설명하고 호흡 변화와 이완기 기능 간의 상호 관계에 대한 추가 통찰력을 얻는 것을 목표로 합니다.
그림 1: 좌심실 심장내 혈류역학. 이 그림은 LV 내에서 심장 내 혈류 패턴과 와류 형성을 시각적으로 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 좌심실 소용돌이 고리. 이 회로도는 2차원 컬러 도플러 및 스페클 추적 이미징을 사용하여 정점 3챔버 보기에서 본 와류 고리를 보여줍니다. 정점 3 챔버 뷰를 사용할 때 주 와류(Smain 3 챔버)는 4 챔버 뷰(Smain 4 챔버)보다 작습니다. 주 소용돌이는 일반적으로 2차 소용돌이(Ssec)와 비교할 때 더 큽니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 정점 보기의 혈액 얼룩 이미징 파생 소용돌이. 이것은 정점 4 챔버 보기(왼쪽)와 정점 3 챔버 보기(오른쪽)를 사용하여 시연된 BSI 파생 소용돌이의 비교입니다. 그래프는 두 개의 정점 창에 있는 소용돌이의 서로 다른 모양과 위치를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 소용돌이 형태 평가. 이 다이어그램은 정점 4 챔버 보기에서 와류 형태 매개변수를 얻기 위해 실험실에서 사용되는 수동 방법을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 소용돌이 타이밍 특성 평가. 이 그림은 와류 지속 시간 및 피크 와류 형성 시간과 같은 와류 타이밍 특성을 얻는 데 사용되는 방법을 보여줍니다. 빨간색 수직선은 심장 주기의 어느 단계에서 소용돌이 이벤트가 발생하는지를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 다른 심실의 혈액 얼룩 추적. 이 그림은 다른 심장 챔버의 심장 내 혈류역학을 보여줍니다. 우심실(RV)에서 주 소용돌이는 폐 판막과 동맥(PA) 직전의 최대 영역으로 중격을 따라 굴러가는 시계 방향으로 회전하는 구조입니다. 우심방(RA)에서는 측벽의 하부 경계 부근에서 하대정맥(IVC)과 상정맥(SVC)을 통한 유입이 혼합되어 시계 반대 방향으로 회전하고 때로는 RA 부속기 근처에서 두 번째 시계 방향 회전으로 인해 주 소용돌이가 형성됩니다. 좌심방(LA)은 4개의 폐정맥의 흐름이 직접 섞이지 않는 영역이 제한되어 있어 소용돌이를 포착하기 어려울 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| LVEDVi 최저 사분위수 | LVEDVi 최고 사분위수 | |
| 배출률(%) | 67(5) | 69(5) |
| 종방향 변형률(%) | 20.3(1.6) | 23.5(2.7)* |
| MV VTI (cm) | 6.4(1.9) | 9.6(2.8)** |
| EA 비율 | 0.69(0.12) | 0.84(0.10** |
| Ee' 비율 | 13.3(2.9) | 19.7(8.0)* |
| IVRT(밀리초) | 54(8) | 44(8)** |
| 위치 | ||
| 소용돌이 깊이 | 0.58(0.10) | 0.56(0.07) |
| 소용돌이 가로 위치 | 0.29(0.07) | 0.37(0.15)** |
| 기하학 | ||
| 와류 면적 (cm2) | 0.44(0.28) | 0.57(0.21) |
| LV 영역에 인덱싱된 소용돌이 영역 | 0.20(0.12 | 0.18(0.05) |
| 시간 속성 | ||
| 소용돌이 시작 시간(RR의 %) | 88(5) | 76(8)** |
| 피크 와류 형성 시간(RR의 %) | 91(2) | 82(8)** |
| 소용돌이 지속 시간(RR의 %) | 16(4) | 11(2)** |
표 1: 색인 LV 볼륨의 가장 낮은 사분위수와 가장 높은 사분위수를 가진 유아 간의 비교. 데이터는 평균 + 표준 편차(SD)로 표시됩니다. **p < 0.01, *p < 0.05. 약어: IVRT = isovolumic relaxation time; LVEDVi = 체중에 인덱싱된 좌심실 말단 이완기 용적; MV = 승모판막. 테이블은 참조11에서 재사용됩니다.
비디오 1: LV 소용돌이 비디오에서 화면 캡처. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 2: bi-caval 유입 소용돌이 영상에서 화면 캡처. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 3: 우심실 유출관 소용돌이 영상에서 화면 캡처. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
심장 내 소용돌이를 시각화하고 이해하는 것의 중요성
높은 프레임 속도의 심장 초음파 검사 파생 와류 영상의 가능한 임상 응용 분야는 많습니다. 심장 내 흐름 역학에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 능력은 최근 연구의 관심사였습니다16. 또한, 와류 영상은 신생아의 LV 구조 및 기능에서 증상 전 변화를 감지할 수 있게 할 수 있으며, 이는 성인기로의 장기적인 심장 리모델링에 영향을 미칠 수 있다15. 이는 결과적으로 후속 치료 및 수술의 정확도와 예후 결과를 높일 수 있습니다. 심장 내 소용돌이를 시각화하는 데 BSI를 사용하는 것은 최근 문헌에서 약간의 견인력을 얻었지만 대부분 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 조산아에 대한 본 실험실에서의 연구 외에도, 다른 임상 간행물들은 심장 초음파 유래 BSI가 선천성심장 질환이 있는 영아7,17, 판막 병리학18 및 심지어 우심실 병리학19에서도 실현 가능하고 임상적으로 관련이 있음을 입증했다.
이완기 기능 평가에서 와류 영상의 유용성
LV의 이완기 기능은 혈액을 채우고 박출을 위해 뇌졸중 부피를 준비하는 능력을 설명합니다. 박출률이 보존된 심부전(HFpEF) 환자의 이완기 기능을 이해하는 데 큰 진전이 있었으며, 특히 심장초음파를 이용한 병태생리학, 진단 및 예후와 관련하여 큰 진전이 있었다20,21. 심장의 이완기 기능은 액틴과 미오신 교차 다리가 분리되고 심근 섬유의 긴장이 감소하기 시작하는 심근 이완의 활발한 생화학적 과정을 포함합니다. 승모판막이 열리면 원래 길이(복원력)를 향해 이동하는 심근섬유의 탄성 반동에 의해 생성된 흡입을 통해 혈액이 좌심모실로 들어갑니다. 이것은 LV 캐비티 압력을 낮추고 심방과 심실 사이에 압력 구배를 생성합니다. 이완기 기능의 최종 단계는 심방 수축에 의해 생성되며, 이는 LA 압력을 LV 압력 이상으로 증가시키고 승모판막이 닫히고 수축이 시작되기 전에 최종 LV 말기 이완기 압력 및 부피를 설정합니다22.
혈역학적 관점에서 LV 이완기는 박출을 준비하기 위해 심방에서 심실로 산소가 공급된 혈액 기둥을 통과시키는 것을 포함합니다. 승모판 고리에 인접한 LV 유출관의 위치는 혈액이 심실에서 정점으로 들어가고 심실에서 정점으로 떠나는 것을 의미합니다. 최근 심장 내 혈류역학에 대한 이해가 발전함에 따라 좌심실 충전에서 박출로 전환되는 과정에서 발생하는 혈류의 방향 전환은 심근에 가해지는 전단력을 최소화하고 움직이는 혈액주의 운동 에너지를 보존하기 위해 특정 회전 방향을 따르므로 뇌실 내 소용돌이가 형성됩니다 4,5(그림 1).
Diastology 가이드라인은 American Society of Echocardiography 및 European Association of Cardiovascular Imaging12에 의해 요약되었습니다. 표준 도플러 및 이완기 기능의 2차원 파생 평가에는 몇 가지 한계가 있습니다. 여기에는 심박수, 도플러 각도 의존성, 신호 품질, 종종 정렬되지 않는 여러 매개변수를 사용하여 이완기 기능 장애를 평가하는 어려움이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다. 따라서 단일 1차 측정에서 파생된 LV의 이완 및 충전에 대한 자세한 통찰력을 얻을 수 있는 각도 및 심박수 독립 매개변수의 제안은 심장 내 소용돌이의 도입으로 가능해졌습니다.
현재 결과에서 알 수 있듯이 소용돌이를 시각화하면 몇 가지 매개변수가 생성되어 이완기 심장 기능에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 특히, 소용돌이 면적/모양과 LV 형태 사이의 유의미한 연관성과 LV 말기 이완기 혈압 예측에서 소용돌이 타이밍의 관련성이 밝혀졌습니다. 또한, 사용된 이미징 평면에 따른 와류 위치의 변화도 관찰되며(그림 3), 다른 저자의 연구에서 선천성 심장 질환을 앓고 있는 소아의 위치 차이(즉, 부피 과부하 사례 및 판막 병리가 있는 환자에서 와류가 심실 중격에 더 가깝게 위치함)도 볼 수 있습니다 7,12). LV에서 볼 수 있는 소용돌이의 수는 이론적으로 LV 아키텍처와 관련이 있을 수 있지만 이 작업과 다른 작업의 통계적 유의성은 아직 나타나지 않았습니다. 마지막으로, 소용돌이 영상은 소용돌이, 에너지 손실 및 저장된 운동 에너지와 같은 보다 복잡한 수치 측정을 야기할 수 있으며, 이는 이첨판 대동맥 판막과 같은 선천성 판막 질환을 연구하는 데 있어 예후적 가치를 보여주었다18. BSI의 임상적 적용은 종래의 컬러 도플러에 실현 가능한 추가 정보를 제공하여 션트, 판막 역류, 협착과 같은 병리학에서 비정상적인 혈류역학적 패턴의 시각화를 향상시키는 데 도움이 될 수 있다17.
심장 내 소용돌이의 이미징 및 분석 : 장단점
앞서 설명한 바와 같이, 심장 내 혈류 패턴은 심장 자기 공명 영상(MRI)뿐만 아니라 심장 초음파 유래 입자 영상 속도계, 벡터 흐름 매핑 및 BSI6을 사용하여 시각화할 수 있습니다. 신생아의 경우, BSI는 비침습적 특성과 침상 옆 적용으로 인해 가장 큰 이점을 가지고 있습니다. 또한 이미지 해상도와 초음파 빔 투과율은 반비례하기 때문에 신생아의 체표면적이 매우 작기 때문에 침투 깊이를 희생하지 않고도 고해상도를 활용할 수 있습니다. 반대로, BSI는 심장 내 소용돌이를 포착하기 위해 높은 프레임 속도와 해상도가 필요하기 때문에 이 기술은 현재 성인과 같이 더 큰 침투 요구 사항으로 인해 해상도가 저하되는 대규모 환자에서는 수행할 수 없습니다. 지금까지 BSI가 성공적으로 적용된 환자 중 가장 많은 수는 평균 연령이 7세이고 체표면적이 최대 1.22m27인 소아 집단이었다.
BSI 이미징의 또 다른 한계는 와류를 정확하게 추정하기 위해 고품질 2차원 이미지에 의존한다는 것입니다. 현재 BSI는 3차원 심초음파에서 사용할 수 없기 때문에 이 복잡한 3차원 구조의 시각화가 제한됩니다. 또한 BSI는 제한된 침투 깊이로 인해 신호 대 잡음비의 상당한 손실이 발생합니다. 실제로, 이는 검사 시간 동안 움직이는 불안정한 신생아와 LV의 최적화되고 정의된 4개 챔버 보기를 방해하는 신체 구조가 이 기술에서 상당한 장애물을 형성할 수 있음을 의미합니다. 검사 중 신생아를 진정시키는 방법(예: 자당 사용) 및 4챔버 보기에서 LV 이미지 품질을 최적화하기 위한 기타 기술(예: 신생아 위치 지정 및 작업자 기술)을 쉽게 구현해야 합니다.
마지막으로, 이 연구는 상업적으로 선택한 기술(즉, 심장 초음파 유래 BSI)의 소용돌이 특성으로 제한되었습니다. 이러한 측정의 임상적 관련성과 재현성이 문헌에서 주목을 받고 있지만, 다양한 병리학에서 이러한 마커가 의미하는 바가 무엇인지, 다른 이미징 양식과 어떻게 비교되는지를 추가로 검증할 필요가 있습니다. 예를 들어, 소용돌이 구조, 위치 지정 및 타이밍은 선천성 심장 질환에 매우 유용할 수 있으며, BSI에서 아직 사용할 수 없는 운동 에너지 매개변수는 심장 리모델링의 장기 연속 연구에 유용할 수 있습니다.
향후의 방향
요약하자면, BSI는 심장 내 혈류역학, 특히 소용돌이를 평가하기 위한 저비용, 비침습적, 가치 있는 도구로 빠르게 인정받고 있습니다. 본 연구실의 연구는 재현성을 검증하고 조산 후 심장 기능 평가 및 리모델링을 위한 보조 도구로서 임상적, 실용적 유용성을 입증했다8. 앞으로 심근에 가해지는 심장 내 전단력과 생애 초기 발달의 여러 지점에서 볼 수 있는 후속 심장 리모델링 사이의 가설화된 연관성에 대해서는 더 많은 주의가 필요합니다. 지금까지는 소용돌이의 건축적, 시간적 특성만 탐구되었습니다. 그러나 앞서 언급했듯이 회전 운동 에너지 및 소용돌이와 같은 에너지 매개변수를 획득하면 흐름 패턴과 불리한 심장 리모델링을 연결하는 메커니즘에 대한 추가 통찰력을 제공할 수 있습니다. 임상적으로 이를 통해 위험에 처한 환자에게 보다 시기적절한 중재를 시행할 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 선언할 공개나 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
존헌터 병원의 신생아 집중 치료실과 우리의 지속적인 작업을 수행할 수 있게 해주신 분들께 감사드리며, 아주 작고 소중한 참가자들의 부모님들께도 감사드립니다.
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 |
References
- de Waal, K., Costley, N., Phad, N., Crendal, E. Left ventricular diastolic dysfunction and diastolic heart failure in preterm infants. Pediatric Cardiology. 40 (8), 1709-1715 (2019).
- Lahmers, S., Wu, Y., Call, D. R., Labeit, S., Granzier, H. Developmental control of titin isoform expression and passive stiffness in fetal and neonatal myocardium. Circulation Research. 94 (4), 505-513 (2004).
- Chung, C. S., Hoopes, C. W., Campbell, K. S. Myocardial relaxation is accelerated by fast stretch, not reduced afterload. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 103, 65-73 (2017).
- Pedrizzetti, G., La Canna, G., Alfieri, O., Tonti, G. The vortex-an early predictor of cardiovascular outcome. Nature Reviews Cardiology. 11 (9), 545-553 (2014).
- Rodriguez Munoz, D., et al. Left ventricular vortex following atrial contraction and its interaction with early systolic ejection. European Heart Journal. 34 (1), 1104 (2013).
- Schmitz, L., Koch, H., Bein, G., Brockmeier, K. Left ventricular diastolic function in infants, children, and adolescents. Reference values and analysis of morphologic and physiologic determinants of echocardiographic Doppler flow signals during growth and maturation. Journal of the American College of Cardiology. 32 (5), 1441-1448 (1998).
- Marchese, P., et al. Left ventricular vortex analysis by high-frame rate blood speckle tracking echocardiography in healthy children and in congenital heart disease. International Journal of Cardiology. Heart & Vasculature. 37, 100897 (2021).
- Pierrakos, O., Vlachos, P. P. The effect of vortex formation on left ventricular filling and mitral valve efficiency. Journal of Biomechanical Engineering. 128 (4), 527-539 (2006).
- Mele, D., et al. Intracardiac flow analysis: techniques and potential clinical applications. Journal of the American Society of Echocardiography. 32 (3), 319-332 (2019).
- Nyrnes, S. A., Fadnes, S., Wigen, M. S., Mertens, L., Lovstakken, L. Blood speckle-tracking based on high-frame rate ultrasound imaging in pediatric cardiology. Journal of the American Society of Echocardiography. 33 (4), 493-503 (2020).
- de Waal, K., Crendal, E., Boyle, A. Left ventricular vortex formation in preterm infants assessed by blood speckle imaging. Echocardiography. 36 (7), 1364-1371 (2019).
- Nagueh, S. F., et al. Recommendations for the evaluation of left ventricular diastolic function by echocardiography: an update from the American Society of Echocardiography and the European Association of Cardiovascular Imaging. Journal of the American Society of Echocardiography. 29 (4), 277-314 (2016).
- Takahashi, H., Hasegawa, H., Kanai, H. Temporal averaging of two-dimensional correlation functions for velocity vector imaging of cardiac blood flow. Journal of Medical Ultrasonics. 42 (3), 323-330 (2015).
- Kheradvar, A., et al. Echocardiographic particle image velocimetry: a novel technique for quantification of left ventricular blood vorticity pattern. Journal of the American Society of Echocardiography. 23 (1), 86-94 (2010).
- Phad, N. S., de Waal, K., Holder, C., Oldmeadow, C. Dilated hypertrophy: a distinct pattern of cardiac remodeling in preterm infants. Pediatric Research. 87 (1), 146-152 (2020).
- Kheradvar, A., et al. Diagnostic and prognostic significance of cardiovascular vortex formation. Journal of Cardiology. 74 (5), 403-411 (2019).
- Cantinotti, M., et al. Intracardiac flow visualization using high-frame rate blood speckle tracking echocardiography: Illustrations from infants with congenital heart disease. Echocardiography. 38 (4), 707-715 (2021).
- Henry, M., et al. Bicuspid aortic valve flow dynamics using blood speckle tracking in children. European Heart Journal-Cardiovascular Imaging. 22, 356 (2021).
- Mawad, W., et al. Right ventricular flow dynamics in dilated right ventricles: energy loss estimation based on blood speckle tracking echocardiography-a pilot study in children. Ultrasound in Medicine & Biology. 47 (6), 1514-1527 (2021).
- Kass, D. A., Bronzwaer, J. G. F., Paulus, W. J. What mechanisms underlie diastolic dysfunction in heart failure. Circulation Research. 94 (12), 1533-1542 (2004).
- Nagueh, S. F. Left ventricular diastolic function: understanding pathophysiology, diagnosis, and prognosis with echocardiography. JACC. Cardiovasc Imaging. 13, 228-244 (2020).
- Carroll, J. D., Lang, R. M., Neumann, A. L., Borow, K. M., Rajfer, S. I. The differential effects of positive inotropic and vasodilator therapy on diastolic properties in patients with congestive cardiomyopathy. Circulation. 74 (4), 815-825 (1986).
Tags
이번 달 JoVE 202호Erratum
Formal Correction: Erratum: Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns
Posted by JoVE Editors on 02/22/2024.
Citeable Link.
An erratum was issued for: Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging in Newborns. The Authors section was updated. The affiliation for author Damien Vitiello has been updated to: Institute of Sport and Health Sciences of Paris (IS3P - URP 3625), Université Paris Cité
