ひずみ速度イメージング
医療診断方法
ひずみ速度イメージング
このクリップは、XStrainソフトウェアを使用して、収縮期における右心室（RV）のすべてのセグメントにおける縦方向ピーク収縮期ひずみ（LPSS）を計算する方法を示しています
目的心筋の局所的／全体的変形の測定

ストレインレートイメージングは​​、心エコー検査（医療用超音波検査）において、心筋の局所的または全体的な変形を測定する手法です。「変形」とは、心拍周期中に心筋の形状と寸法が変化することを指します。心筋虚血または心筋梗塞が発生すると、心筋の一部が弱化し、収縮機能が低下したり変化したりします。また、脚ブロックなどの局所非同期性においても、収縮機能の局所的不均一性が見られます。ストレインレートイメージングを用いることで、異なる部位の同時機能を表示・測定することができます。この手法は当初、カラー組織ドップラー[1]を基盤としており、既に心筋壁全体で用いられていた縦方向の心筋速度勾配を用いていました。 [2]その後、局所的な変形はスペックルトラッキング心エコー[3]によっても測定可能になりましたが、[4]どちらの手法にも、それぞれ異なる方法論的弱点があります。ただし、どちらの方法でも同じデータを取得できます (ただし、方法によって測定値は多少異なる場合があります)。また、同じタイプのディスプレイで表示することもできます。

変形イメージングのポイントは、例えば心筋梗塞後の心筋内の受動的な部分が、隣接する部分の作用（テザリング）によって動く可能性があることです。したがって、ある部分の変位や速度は、その部分の機能を示すものではありません。一方、変形イメージングは​​、その部分内の動きと速度の差、つまり変形を測定します。

基本概念

ひずみは変形を意味し、長さの相対的な変化として定義されます。ラグランジュの式ε L = (LL 0 )/L 0 = ΔL/L 0（ここで L 0は基準長さ、L は結果の長さ）は、元の長さに対するひずみを無次元の尺度として定義し、短縮は負、延長は正となります。通常はパーセントで表されます。別の定義として、オイラーひずみは瞬間的な長さに対するひずみを定義します：ε E = ΔL/L。時間の経過に伴う変化の場合、ラグランジュひずみは：ε L = Σ ΔL/L 0、オイラーひずみε E = Σ (ΔL/L)となります。この用語は、正常心筋と虚血心筋の変形の地域差を説明するために、MirskyとParmleyによって初めて使用されました[5]

ひずみ速度は変形速度である。超音波では通常、速度勾配SR = (v 2 - v 1 )/Lから測定される。ここで、v 2とv 1は2つの異なる点における心筋速度であり、Lはそれらの間の瞬間距離である。これはしたがって、単位長さあたりの速度差（速度の空間微分）に相当し、単位はs −1である。次に、ひずみ速度からひずみを積分する。しかし、この方法ではオイラーひずみ速度とひずみが得られる。速度勾配を使用するのが一般的になっているが、ひずみ速度を積分する際には、式ε L = e ε E - 1によってラグランジュひずみに変換される。[6]

3次元におけるひずみ：基本的に、あらゆる物体は3次元であり、同時に異なる方向に変形することができます。ひずみは、3つの主ひずみ（直交座標系におけるε x、ε y、ε z）と6つのせん断ひずみ成分を持つテンソルとして記述できます。心臓においては、3つの主ひずみ成分を、縦方向（心室の長軸方向）、円周方向（心室の円周方向）、経壁方向（壁を横切る変形）と記述するのが一般的です。経壁方向の変形は「放射状」とも呼ばれますが、超音波において一般的に「放射状」という用語は「超音波ビームの方向」を表すため、これは好ましくありません。しかし、心筋は非圧縮性であるため、3つの主ひずみは釣り合う必要があります（(ε x +1)(ε y +1)(ε z +1) = 1）。[7]心室が収縮期に収縮すると、縦方向の短縮（負の歪み）、周方向の短縮（負の歪み）、そして経壁（壁）肥厚（正の歪み）が生じる。このことと、正常状態では左心室は比較的不変の外形を保ったまま収縮するという事実により、[8] [9]縦方向の歪みが主要な情報源であり、経壁の歪み（壁肥厚）は壁の短縮、壁厚、心室径の関数であり、周方向の短縮は主に壁肥厚の関数である。臨床的には、縦方向の歪み率と壁肥厚は診断上同等であることが示されている。[10]

方法

ひずみ速度イメージングは​​、主に2つの異なる方法で行うことができます

組織ドップラー

組織ドップラー法はカラードップラー法をベースとし、超音波ビームに沿った全セクターにわたる速度ベクトルの速度場を与える。この法では、超音波ビームに沿った一定距離にある2点間の速度勾配を測定する。[1]速度勾配と同じ結果が得られる。[6]この法は、機械モデル[11] 、動物モデル[12]、心エコー図[13] 、冠動脈造影[10]、MR [14]を用いて実験的に検証されている。 [15] この法は超音波ビームに沿った一方向のみに限定されるため、主に心尖端窓から測定し、縦方向の歪みと歪み速度の測定にのみ使用できる。速度ベクトル（運動方向）と超音波ビーム間の角度偏差や、特にクラッターノイズなどのノイズの影響を受けやすい。時間分解能は高いが、横方向の空間分解能は比較的低い。[要出典]

スペックルトラッキング

スペックルトラッキング心エコー検査は、グレースケール心エコー検査（Bモード）と、心筋からの反射エコーが小さな散乱と干渉パターンが混在したスペックルパターンを示すという事実に基づいています。このパターンはランダムであり、心筋の各領域（「カーネル」と呼ばれる）はそれぞれ独自のスペックルパターンを持ち、このスペックルパターンは少なくともフレーム間では比較的安定しています。これにより、カーネルのあるフレームから次のフレームへの動きは、「ベストマッチ」検索アルゴリズムによって追跡できます。最も一般的に使用されるのは「絶対差の合計」であり、[4]相互相関と同等の精度であることが示されています。[16] [17]この方法は、カーネルの動きをフレーム間で追跡します。フレームレートから、速度ベクトルを大きさと方向の両方で計算できます。これにより、組織ドップラーと同様に、セクター全体にわたって速度場を生成し、歪み速度を導出し、歪みを積分することができますあるいは、ひずみはスペックル間の距離の変化から直接測定することができる。[18] [19]（ラグランジュひずみが直接得られる）、ひずみ速度は時間的に導出される（その後、オイラーひずみ速度に変換する必要がある）。スペックルトラッキングの方法は、非商用システムと商用システムによって異なる。スペックルトラッキングは、組織ドップラーから得られるひずみと同等であることが示されており、[20] MR法との比較検証も行われている[15] [19] [21]。

この方法はビーム方向とは独立して追跡を行うため、2次元的に追跡できます。また、ドップラーアルゴリズムに固有の角度誤差の影響も受けないと言われています。しかし、ビームに沿った放射状解像度は、深さとともに低下する横方向解像度よりもはるかに優れているため、角度独立性とセクター全体の追跡能力はどちらも低くなります。また、角度独立性ではなく、結果として得られる歪み値はROI（関心領域）のサイズと形状に依存します。最後に、追跡品質を実現するために、ほとんどの商用アプリケーションでは、ROIに沿ったスプライン平滑化関数によって値が平滑化されるため、領域測定値は純粋な領域測定値ではなく、ある程度、全体平均のスプライン関数となります。さらに、Bモードのフレームレートが制限されているため、この方法はサンプリングレートが低く、特に高心拍数では追跡の妥当性が低下します。[要出典]

代表的な心拍周期中にスペックルトラッキングによって評価された、色分けされた左心房の歪み。
全身性硬化症（SSc）患者：右心室の2D縦方向ストレイン。自由側壁の基底部、中部、および頂部領域の値を更なる解析のために取得した。

表示

縦方向の歪み速度と歪み：心室中隔の3つの異なる領域からの複数の同時トレース。左：歪み速度、右：歪み。縦方向の収縮期変形が短縮するため、収縮期歪みと歪み速度は負になります。歪み曲線は、収縮期に長さが徐々に減少し、その後拡張期に徐々に伸長することを示していますが、心室長が収縮末期よりも短いため、歪み速度は心周期全体を通して負になります。歪み速度は変形速度であり、心室が短縮する収縮期には負になります。しかし、心室が伸長すると歪み速度は正になります。したがって、より急速な位相シフトは伸長の詳細を示し、それが均一ではないことを示しています
ひずみ速度曲線の解剖学的Mモード。黄色の線は、左側の小さな画像に見られるように、心室中隔基部から心尖部を通り、側壁に沿って引かれています。長方形の領域はカラーMモードを表し、縦軸は線に沿った距離、横軸は時間です。画像は1心拍周期を表しています。ひずみ速度の値は、負のひずみ速度（短縮）の場合は黄色から赤、正のひずみ速度（伸長）の場合はシアンから青で表示されます。緑は、変形のない領域と時間を表します。

どちらの方法も同じ生理現象（変形）を測定しており、原理的には結果は同じように表示できます。

曲線

最も一般的な方法は、ストレインとストレインレートの曲線、通常は1心拍周期の時間経過を表示することです。各曲線は心筋の1つの領域の変形を表しますが、全セクターを取得することで、複数の曲線を同じ画像に同時に表示して比較することができます。[要出典]

カラーディスプレイ

ひずみとひずみ速度の値は、半定量的パラメトリックイメージングにおいて色分けされた画像に簡略化することができます。これにより、この手法はより堅牢になりますが、数値データは得られません。一方で、空間分解能が向上する可能性があります。最も一般的に使用される表示は、ブルズアイ（複数の心尖面から再構成）であり、左心室のすべての部分を同時に、ただしある時点のみで表示します。これは、収縮中期のひずみ速度または収縮末期のひずみに有効です。収縮力が低下した領域を示す不均一なひずみ速度またはひずみは、視覚的に非常に明瞭であることが多いです。[要出典]

片側壁または両側壁から同時に湾曲解剖学的Mモード[22]を計測することで、変形の時空間図が得られ、変形における空間的および時間的な不均一性の両方が明らかになります。図からもわかるように、位相の急速な変化が見られるため、このモードはひずみ速度の計測に最も有効です。ひずみ速度の値は半定量的な視覚表示に縮小されますが、このモードは深さだけでなくタイミングも測定できるため、時空間関係の計測に最適です[要出典]

臨床使用

ストレインレートイメージングは​​、統合された心エコー検査の一部に過ぎないという点が重要です。他のすべての測定法と同様に、変形測定の精度には限界があり、他の所見と併せて考慮する必要があります。また、特定の方法の落とし穴やアーティファクトに関する知識は有利です。しかし、これらの方法は局所的な機能障害を画像化する独自の方法を提供しており、結論を強化する可能性があります。[要出典]

局所機能

歪みと歪み速度の正常値は、HUNT研究によって確立されています。[23]

心筋梗塞

心筋梗塞では、心筋の限られた領域の機能が低下したり、完全に機能しなくなったりします。Bモード心エコー検査と同等以上の精度があることが示されています。[10] [13] [24]また、心筋梗塞部の回復後、心筋の心筋梗塞と壊死の程度を確認するために、変形画像診断が有用であることも示されています。[25] [26] [27]

心筋虚血

負荷心エコー検査（心臓負荷試験参照）では、心筋酸素需要が狭窄冠動脈の冠血流予備能を超えると、虚血による局所機能不全が明らかになります。負荷時のストレインレートイメージングは​​、通常の心エコー検査と比較して、診断[28] [29]および予後[30]の両面で高い価値をもたらすことが示されています。負荷心エコー検査では、心拍数が増加するとスペックルトラッキングが不利になります。これは、高心拍数でのトラッキングに影響を与えるフレームレートの制限によるものです。[要出典]

心室同期不全

左脚ブロック（LBBB）では、左室の非同期的な活動によって非同期的な収縮も生じます。この非同期性は通常の心エコー検査で可視化できます。[31]組織速度によっても示されますが、ストレインレートイメージングでは非同期性の分布と非同期心室による非効率的な仕事量をさらに明らかにすることができます。残念ながら、大規模な研究では、心臓再同期療法に反応する可能性のあるLBBBを伴う心不全患者を選択するための追加のエコー基準を確立できていませんが、[32]小規模な研究では有望な結果が得られています[33]

グローバル機能

近年、スペックルトラッキングによる全体的ひずみは、全体的機能指標として人気を博しています。これは駆出率（EF）よりも優れており、高血圧性心疾患、肥大型心筋症、大動脈弁狭窄症でよく見られる、心室が小さく駆出率が正常な肥大型心（HFNEF）においても心機能の低下を示します。EFは壁厚にも依存するため、純粋な機能指標ではありません[34]。また、EFよりも感度が高いことも示されています[35] [36]。しかし、左室短縮を測定することによる診断および予後予測の増分価値は、絶対指標ですでに示されています[37] [38] [39] [40]

グローバルストレインは基本的に左室短縮／左室拡張期末期長であり、これは左室短縮を左室心房サイズに対して正規化した値であることを意味します。これが実際に追加情報をもたらすかどうかはまだ証明されていません。[要出典]

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さらに詳しい情報

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