Summary
本稿では、3D心エコー検査による左心室の容積評価および分光追跡解析のためのステップバイステップの取得および分析プロトコルを提供し、特にこの技術の実現可能性を最大化する実用的な側面に焦点を当てる。
Abstract
左心室(LV)の3次元(3D)定量化は、様々な心臓障害における診断精度と正確なリスク階層化の点で有意な付加価値を提供する。最近では、3D心エコー検査は、日常的な心臓病の練習で利用可能になりました。ただし、高品質の画像取得とその後の解析には、学習曲線が急な値になります。本稿は、ヒントやトリックを提示し、また、LVに関するこの重要な技術の広範だが技術的に健全な使用を容易にする潜在的な落とし穴を強調することによって、詳細な3Dプロトコルを通して読者を導くことを目的としています。まず第一に、最適な空間と時間分解能を備えた高品質の3Dデータセットの取得を示します。次に、最も広く適用されている組み込みソフトウェアの1つを使用して、LVの詳細な定量化に向けた分析ステップを提示します。LV体積、球面性、質量、収縮期機能を、吐出分率と心筋変形(縦方向および経周歪み)を測定して定量化します。従来の心エコー手法から3Dベースの定量化への移行が強く推奨される重要なシナリオについて、臨床事例を紹介します。
Introduction
左心室(LV)形態および機能の評価は、心臓病学における一般的かつより具体的な調査の主な目的である1。情報の高密度を提供することができる広く利用可能で非侵襲的な胸部心エコー検査(TTE)は、便利で迅速で費用対効果の高い評価のための選択の方法です。
LV質量、体積、および後続の放出率の測定は、有意な診断および予後値2を保持します。与えられたメジャーが正確であればあるほど、その値は高くなります。金標準心臓磁気共鳴(CMR)の画像化の派生値とのよりよい相関関係は、心エコー技術のための継続的な追跡である。一般的に、臨床実習ガイドラインでは、LV容積および駆出率測定3のための複葉機シンプソンの方法をお勧めします。しかし、LVは不規則な形状を持つ3次元(3D)構造であるため、LVの形態や機能を正確に表現するためにいくつかの臨床シナリオでは、いくつかの断層面が失敗することは間違いありません。超音波ハードウェアおよびソフトウェア技術の最近の進歩は、心エコープロトコルを革命化するリアルタイム3Dイメージングの開発を可能にしました。
また、壁運動異常に関する定量的アプローチの必要性は、変形画像化4の台頭をもたらした。ひずみとひずみ率のパラメータは、標準のグレースケール画像を使用してスペックルトラッキングで計算できます。3D心エコー検査は、2次元歪み評価5のいくつかの欠点を克服することもできる。高価な科学的ツールから、3D心エコーは日常の臨床現場で使用される強力な技術になり始め、LVの定量化は確かにこのブレークスルーの最初の行にあります。
本稿は、ヒントやトリックを提示し、また、LVに関するこの重要な技術の広範だが技術的に健全な使用を容易にする潜在的な落とし穴を強調することによって、詳細な3Dプロトコルを通して読者を導くことを目的としています。
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Protocol
この議定書は、センメルワイス大学の地域・学術研究倫理委員会のガイドラインに従っています。現在のプロトコルは、特定のベンダーに適用されます。いくつかのステップは、超音波機械と後処理ソフトウェアに関係なく有効なままですが、他のベンダーのソリューションを使用する場合、重要な違いが存在する可能性があります。
1. 技術的な要件
- 3Dイメージングが可能な心エコー検査機を利用する。
- 3Dトランスソシック心エコー検査に対応したフェーズドアレイトランスデューサを接続します。
- 超音波システムの内蔵3リードECGを適用して、システムが記録と分析を心臓周期に同期できるようにします。
2. 3次元心エコー画像の取得
- 左横の褥瘡の位置に患者を配置する(患者は、左の側に横たわって、頭の上に左腕を伸ばした)。
- 画面上の ECG トレースの品質が良好であることを確認します。
注:ソフトウェアは心電図信号に基づいて心周期のさまざまなポイントを検出するので、これは後処理のための前提条件です。 - 画像を凍結解除し、トランスデューサで患者を検査し始めます。従来のアペカル4室ビューを視覚化します。
- セクタ幅をLVに調整し、深さを下げて左心房を切り詰め、わずかな過ゲインを使用して画質を最適化します。
注意:LVの全端を確認し、また心外膜面が見えるようにしてください。 - 4Dボタンを押して3Dモードに切り替えます。
注: タッチスクリーンの マルチスライス ボタンを押すと、標準の短軸と長軸カットを使用して3Dデータセットの概要を表示する4つのオプション(5、7、8、12スライス)が利用可能になります。必要に応じて、トランスデューサの位置を補正して、円錐から僧帽弁レベルまでのLVの壁厚全体をピラミッド型3Dデータセットに確実に含めることができます。12 個のスライス (9 つの調整可能な短軸ビュー) の使用をお勧めします。 - マルチビートまたはシングルビートモードを使用して3D画像を取得します。
- マルチビートモードを使用して、2、3、4、または6の心拍サイクル(これは画面上で設定することができます)からデータセットを再構築する、より高い空間および時間分解能を達成するために使用してください - ステッチアーティファクトを最小限に抑えるために必要な患者と安定したトランスデューサ位置の終わりの息止め。
注: シングルビート の取得は、より低い空間と時間分解能です。しかし、ほとんどの最新のトランスデューサは高品質であるため、再構築せずに適切な3Dデータセットを取得してさらなる分析を行うことができます。一般的な推奨事項として、1 秒あたりのボリューム レートは、さらに分析するために推奨されます。 - フルボリュームがサブボリュームから再構築され、LV全体が表示されたら、イメージをフリーズします。 サイクル選択 と サイクル数ノブを 使用して、最適な取得した心臓サイクルを選択し、 イメージストアを押します。
注: ステッチアーティファクトは、空間的または一時的に位置がずれるサブボリューム同士です。LV 壁の大きなドロップアウトを持つデータセットや、ステッチアーティファクトを含むデータセットは、一般に、さらなる分析には適していません。すでに取得した 3D データセットの品質は、マルチスライス モードを使用してダブルチェックできます。
- マルチビートモードを使用して、2、3、4、または6の心拍サイクル(これは画面上で設定することができます)からデータセットを再構築する、より高い空間および時間分解能を達成するために使用してください - ステッチアーティファクトを最小限に抑えるために必要な患者と安定したトランスデューサ位置の終わりの息止め。
3. LV形態と機能を定量化するための後処理
- さらに解析に適した 3D データセットを選択します。
注:プロトコルのこの部分は、以前に取得し、良質の3D画像を保存する必要があり、超音波装置と別のワークステーション上で実行することができます。 - [測定]|をクリックします。ボリューム、4DオートLVQを選択します。
- クワッドスクリーン(4、2、3室のビュー、および1つの短軸ビューの3つの補助的なビュー)では、後者は長軸ビュー上の水平面で調整できます。a0>必要に応じて、傾きと回転によって手動でアパイカルビューを修正し、対応する標準ビューを表示し、それによって短縮を排除します。長軸ビューでキャリパーをドラッグして移動することで、キャリパーを LV の長軸に合わせて傾斜を設定します。マシン上の対応するまたはすべての回転ノブまたは短軸イメージのキャリパーを調整することによって、回転を設定します。
注: ソフトウェアの推奨設定は 、[自動整列 ] ボタンを押してリセットできます。 - ビューの配置が完了したら、次のステップ EDV をクリックします。エンド拡張(ED)フレームは、ECG信号を使用して自動的に検出されますが、必要に応じて手動で修正することができます。
- LV内膜・外膜表面の半自動検出
- 任意のアプカル ビューで 2 つのランドマーク ポイントを手動で選択します。まず、LV頂点を特定し、次にLVベースの中央(僧帽弁アヌラスレベル)を任意のアピックビューで識別します。アルゴリズムは、自動的に全体のLVの心内境界を輪郭を描きます。
注:2つのオプションがあります: 手動、つまり、2つの基礎と1つのアペカルランドマークは、すべてのアパイカルビューで設定する必要があることを意味し、 自動Initは、ユーザーの操作なしで自動的にLVを輪郭を描きます。 - 3 つのアペカル ビュー、異なるレベルの 3 つの短軸ビュー、および第 4 のユーザー制御短軸で輪郭の信頼性を確認して、検出されたサーフェスの視覚的な検証を可能にします。輪郭補正は、手動でポイントを追加することで可能で、その後、コンター ラインに組み込まれます。
注: [元に戻す]を使用すると、以前に追加したポイントを削除できます。リセットボタンは、輪郭をリセットして、セクション全体を最初から開始します。輪郭の可視性を調整して、グレースケールの画像上の心内膜表面の鑑賞を可能にできます。心内膜および心筋輪郭は、正確かつ一貫した方法で行われるべきである。詳細な推奨事項については、以下の参照を確認してください。 - 次のステップ( ESV)を選択します。
- 前のポイントで説明したように、同じ手順(3.5.1~3.5.2)を繰り返して、エンドシストリックフレームの心内輪郭を特定して修正します。
メモ:エンドシストリック(ES)フレームは、ECG信号を使用して自動的に検出されますが、必要に応じて手動で修正することができます。エンド拡張期容積(EDV)、終期収縮期容積(ESV)、駆出率(EF)、心拍数(HR)、脳卒中量(SV)、心拍出量(CO)および球面指数(SpI)の値が既に画面に表示されています。 - 次のステップで 音量波形 を押します。ソフトウェアは、心周期フレーム全体にわたって心内膜表面をトレースするLVと時間容積曲線の動的3Dモデルを表示します(図1)。
注:ここでは、任意のフレームで心内膜の境界線を編集する可能性があります。 - 次のステップでは、 LV Mass を押します。ソフトウェアは自動的に末拡張期フレームのLV心外膜輪郭を輪郭を描き、LV質量(EDMass)を計算する。
注: 必要に応じて、短軸または長軸平面に含める点(前述の方法と同じ方法)を追加して、心外膜サーフェスの輪郭を編集します。調整する輪郭を選択できます: 内線、エピ、または Endo +エピ。 - 次のステップに向けて 4D ひずみ ROI を押します。ソフトウェアは自動的に終部収縮期フレームのLV心外膜輪郭を輪郭し、LV末端収縮量質量(ESMass)を計算する。
注: 必要に応じて、短軸または長軸面に含める点(前述と同じ方法)を追加して、心外膜サーフェスの終点-収縮期の輪郭を編集します。ESMass は、EDMass と同様の値である必要があります。このステップは、スペックルトラッキングによって3Dひずみ値を計算するために不可欠です。 - 次のステップで 4Dひずみ結果 を押します。ソフトウェアは、複数の短軸および長軸平面上の3D心筋追跡と、心臓サイクル全体の17の標準LVセグメントの対応する歪み値をフレームごとに視覚化します。時間ひずみ曲線と雄牛の目のプロットも表示されます。縦方向ひずみ、円周ひずみ、放射状ひずみ、面積ひずみ、回転、およびトーションのパラメータが計算され、実証できます。
注:特定のLVセグメントが画像の視覚的観察や時間ひずみ曲線に基づいて低いトラッキング品質を有すると考えられる場合は、解析から特定のLVセグメントを除外する可能性があります。ただし、ソフトウェアは、デフォルトでセグメントの承認または拒否を推奨します。色分け歪み値は、LVの動的3Dモデルで「レイアウト」を変更することで可視化できます。
- 任意のアプカル ビューで 2 つのランドマーク ポイントを手動で選択します。まず、LV頂点を特定し、次にLVベースの中央(僧帽弁アヌラスレベル)を任意のアピックビューで識別します。アルゴリズムは、自動的に全体のLVの心内境界を輪郭を描きます。
- 分析を終了するには、[ 承認と終了] を押します。
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Representative Results
LVの3D分析は、大多数の患者で実現可能である。ケース1は正常な心室容積と機能を有する健康なボランティアである(図1)。症例2(図2)は、拡張型心筋症を有する64歳の男性患者であり、左束枝ブロック形態の広いQRS複合体(160ms)である。ゴールドスタンダードCMR測定は以下の通り:末拡張期容積:243mL、終期収縮期容積:160mL、駆出率:34%、LV質量:163g。従来の線形心エコー測定では、LV体積(末端拡張期:139mL、終期収縮期:76mL)および過大評価された駆出率(45%)およびLV質量(469g)を大幅に過小評価しています。しかし、図 2に示すように、3D心エコー測定はゴールドスタンダードにはるかに近い。さらに、3Dスペックルトラッキングによる心筋力学の解析は、同期性収縮および分節性機能不全に関する有意義なデータを提供する。患者は後に心臓再同期療法に成功した。
図1:心血管疾患のない18歳の女性ボランティアの3D LV分析。 現在のイメージは 、ボリューム波形 を参照します(ステップ 3.5.5)。画面の左側には、3つの異なるLV長軸と1つの短い軸目が見られます。緑色の輪郭は、末端の心内膜面を表します。右上の主要な結果が表示され、通常のLVボリューム、形状、機能が示されます。その下に、3D LV心内膜表面モデル(赤)および心周期全体の時間容積曲線が見える。 ED: エンド拡張期, ES: 終期収縮期, EDV: LV質量, EDV: エンド拡張期容積, ESV: エンド収縮期容積, EF: 駆出画画分, HR: 心拍数, BPM: 毎分の拍数, SV: ストロークボリューム, CO: 心拍出量, SpI: 球線指数. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:拡張型心筋症患者の3D LV解析。 現在の画像は 、4D歪み結果 を示しています(ステップ3.5.8)。画面の左側には、色分けされた縦方向歪み値がLVの3Dモデル上で視覚化され、側面壁(青)の歪みが減少しています。定量的には、17の標準LVセグメントの雄牛の目のプロットの右下隅に、終期収縮期歪み値が示されています。右上隅には、周期全体を通して、グローバルおよびセグメント縦方向のひずみ値が時間ひずみ曲線上に表示されます。 ED:エンド拡張期、ES:エンド収縮期、EDV:エンド拡張期体積、ESV:エンド収縮期容積、EF:駆出率、G:グローバル、HR:心拍数、BPM:毎分拍数、SV:ストロークボリューム、CO:心拍出量、SpI:球面性指数。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
LV形態学的および機能的測定は、心臓病の診断、管理、およびフォローアップの基礎を表します。さらに、それらは結果の強力な予測変数です。一般的に、LVの2D心エコーベースの評価は、現在の実践ガイドラインで推奨されています。しかし、3D心エコーは、LV shape7,8に関する幾何学的仮定から解放され、より正確であることが証明されています。スペックルトラッキングによる変形画像は、心筋歪みの異なる方向を評価する堅牢な方法であり、壁運動異常をより敏感に定量することができます5。縦方向歪みは、突出画分9と比較して確立された優れた予後値を有する。
一般的に、LVは、終止間呼吸時の4~6回の周期で再構築されたフルボリューム3Dデータセットを使用してトランスソシックなアプリカルウィンドウから取得し、その後、最適な空間および時間的解像度を達成するためにサブボリュームを自動的につなぎ合わせます。適切な 3D データセットの前提条件は、トランスデューサの周波数、深さ、およびわずかな過大の使用による最適化された 2D イメージです。目標は、LVの全面と心外膜を良質のピラミッド型データセットに含めることであり、取得前にいくつかの短軸と長軸のビューをチェックすることで確実にすることができる:マシンのユーザーインターフェイスは、このマルチプレーンビューを提供する。2D測定で使用される従来のビューと比較して、異なるトランスデューサの位置を使用して、後処理時に短縮を補正することができます。追加の呼吸操作も適用できます。
LV形態および機能を測定する従来の2D法には固有の限界がある。それらはLVの心筋表面の適切なトランスデューサーの位置および手動輪郭に大きく依存する。さらに、現在推奨されている複葉機シンプソンの方法は、2つの断層面のみを考慮に入れ、弾丸状のLV構造の残りの大きな表面を無視します。LV体積を定量化するために、LV形状に関する幾何学的仮定が使用される3。非3D法はLVボリューム10を大幅に過小評価しています。これらの欠点は、不規則なLV形状および壁運動異常の珍しいパターンを有する患者においてさらに誇張されている11。LV質量は、現在のMモード、または2D技術に多くの制限があるにもかかわらず、結果の強力な予測変数でもあります。線形測定を使用して広く適用されたDevereux式は、LV質量の正常範囲を過小評価しています。しかし、重要な肥大が存在する場合には、有意に過大評価する12,13。3D心エコー法による測定は、より再現性が高く、ゴールドスタンダードCMRとの相関性が高くなります。球面指数はLV形状の従来の測定ではあるが、その測定は3D心エコーを用いたより代表的である。ひずみおよびひずみ率測定は、優れた感度と予後値14,15を追加するため、研究と臨床実践の不可欠な部分になりつつあります。縦方向および周回の短縮、さらには回転力学は3Dスペックルトラッキングによって定量化され、データは値16を証明しています。3D解析では、面外の動き(2Dアプローチの既知の制限)を排除します。ただし、3D データセットの時間的および空間的な解像度を低くし、ソフトウェア アルゴリズムの違いを考慮する必要があります。
3D LV定量の速度と堅牢性は、臨床医がすべての患者でそれを使用するように誘致しますが、いくつかの制限を念頭に置く必要があります。画質のすべての改善にもかかわらず、心エコーウィンドウが半自動または手動測定には不十分である患者の特定のサブセットが残ります。臨床経験は、臨床医が測定値を見て、コントラスト心エコー検査やCMRなどの代替技術について考え始める可能性があります。「眼球」は推奨しませんが、専門家の期待と測定値の間に相関関係を求める場合があります。ソフトウェアアルゴリズムは、自動内膜および心外膜輪郭の間にLV形状の学習モデルを適用します。したがって、実際にイメージングボリュームから外れている領域でも輪郭が見えます。このような補間を最小限に抑えるために、LV内および外心面全体を獲得した体積に巻き込む必要があります。すべての努力にもかかわらず、このドロップアウトが持続する場合、結果は慎重に解釈されるべきです。ステッチ加工アーティファクトは、不規則なリズム、不要なトランスデューサ、または患者の動き(呼吸を止めない)、あるいは技術的な問題によって引き起こされる、マルチビートの再建中に非常に頻繁に起こります。これらのアーティファクトにもかかわらず、3D再構築は一般的に実現可能ですが、結果は疑問視されるべきであり、新しい解析はステッチのない別のループを使用して開始されるべきです。ほとんどの最新のトランスデューサは、マルチビートの取得なしで適切な空間および時間分解能(毎秒20ボリューム>)を可能にします。適切な画像取得およびソフトウェア後処理のために、安定した、良質のECGトレースの役割は強調することはできません。後処理時にランドマークを配置することは極めて重要であり、最終的な価値と全体的な追跡品質に大きな影響を与えます。現在、自動輪郭の手動補正は、ほぼすべての患者に必要です。しかし、相互作用すればするほど、再現性を悪化させる人為的ミスが生じる可能性があることを念頭に置く必要があります。ソフトウェア関連の輪郭エラーを処理するために、適切なトレードオフを設定する必要があります。この問題は学習曲線の間に微調整され、経験が増すにつれて改善されます。重要なのは、3D歪み値の測定にはベンダーの大きな違いがあり、現在、2Dスペックルtracking17によるグローバル縦方向歪みの場合にすでに行われている標準化はありません。2Dスペックルトラッキングに関しては、結果の精度と信頼性の追跡が高く、3D歪み測定は、この記事の執筆時点で研究の分野に配置されることが好ましい。
結論として、3D心エコー法に基づくソフトウェアソリューションは、LV形態と機能に関する最も正確な心エコー結果を提供しています。CMR で検証され、従来の 2D 技術と同様に、より再現性が高く、さらに時間もかからなくなることが証明されています。研究や臨床生活における彼らの応用は進化し続けるでしょう。人工知能を使用したさらなる改善は、人間の相互作用なしに自動定量化への道を開くことができます。
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Disclosures
何一つ。
Acknowledgments
プロジェクトいいえ。NVKP_16-1-2016-0017('ナショナル・ハート・プログラム')は、ハンガリーの国立研究開発・イノベーション基金から提供された支援を受けて実施され、NVKP_16資金制度の下で資金提供を受けています。この研究は、センメルワイス大学の治療開発とバイオイメージングテーマプログラムの枠組みの中で、ハンガリーのイノベーションと技術省のテーマ・エクセレンス・プログラム(2020-4.1.1.-TKP2020)によって資金提供されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3V-D/4V-D/4Vc-D | General Electric | n.a. | ultrasound probe |
| 4D Auto LVQ | General Electric | n.a. | software for analysis |
| E9/E95 | General Electric | n.a. | ultrasound machine |
| EchoPac v203 | General Electric | n.a. | software for analysis |
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