セミナーレポート(日立製作所)

一般社団法人日本心エコー図学会第28回学術集会が2017年4月21日(金)〜23日(日)の3日間,名古屋国際会議場(名古屋市)にて開催された。22日に行われた株式会社日立製作所共催のランチョンセミナー7では,名古屋市立大学大学院医学研究科心臓・腎高血圧内科学教授の大手信之氏を座長に,東北医科薬科大学医学部地域医療学教室准教授の大原貴裕氏と心臓血管研究所付属病院循環器内科心不全担当部長の上嶋徳久氏が,「エコーで見る心不全の血行動態の把握と正確な診断に向けて」をテーマに講演した。

2017年8月号

一般社団法人日本心エコー図学会第28回学術集会ランチョンセミナー7 エコーで見る心不全の血行動態の把握と正確な診断に向けて

Vector Flow Mappingで渦を見る

上嶋 徳久(心臓血管研究所付属病院循環器内科)

上嶋 徳久

日立製作所製超音波診断装置には,カラードプラとスペックルトラッキング法により心血管内の血行動態を可視化する“Vector Flow Mapping(VFM)”が搭載されている。ボタン1つで,血流速度のベクトル表示であるvector flow mapや血液の渦流を見るvortex mapが描出可能となった(図1)。しかし,臨床応用に当たっては,「渦とは何か」という疑問が出てくると思われる。
本講演ではVFMの実際の画像やVFMに関する検討結果などを提示し,「渦とは何か」という渦の生理学,渦と心機能の関連,渦と予後の関連について報告する。

図1 VFMで観察可能なvector flow mapとvortex map

図1 VFMで観察可能なvector flow mapとvortex map

 

渦の生理学と心機能との関連

1.Vortex ringとEntrainment現象
拡張早期の流入血流は,ドーナツ型の渦を形成する。これをvortex ringと言う1)。vortex ringとは,火山が噴火した時にできるキノコ雲のような形のもので,形成された渦は,周囲の血液を巻き込んで上昇していく(図2 a)。この現象を“Entrainment”と言う。Entrainment現象は,効率的な血液の輸送のために重要な役割を果たす。渦が強ければ,より強いEntrainment現象が起こる。
図2は,シリンダーから白い液体を噴出させて作ったEntrainmentの画像(a)と,28歳,男性,健常心のVFM(b),および75歳,男性,虚血性心筋症(EF33%:不全心)のVFM(c)である。VFMは血流が色付けされており,健常心のVFM(図2 b)では強い渦(赤)によってキノコ雲が形成され,周囲の血液(青)を巻き込みながら上昇していく様子が見られる。一方,不全心(図2 c)では,キノコ雲は形成されるが,弱々しい渦しか形成されず,周囲の血液をほとんど巻き込まないという特徴がある。

図2 人為的に作成したEntrainment現象(a)と健常心(b)および不全心(c)の渦の強さの比較

図2 人為的に作成したEntrainment現象(a)と健常心(b)および不全心(c)の渦の強さの比較

 

2.渦による方向転換
さらに,渦のもう一つの役割として,方向転換が挙げられる。流入血流は,渦を形成することで180°方向転換し,流出路に向かう。
前述の健常心と不全心について,それぞれの流入路にパーティクルを置いて比較したところ,健常心(図3 a)ではパーティクルが渦を描いて,つまり,きれいに方向転換して流出路の方に向かうのに対し,不全心(図3 b)では大きく回転はするものの,その後,パーティクルがさまざまな方向に散らばってしまい,うまく方向転換されないことがわかる。このことから,方向転換にも渦の強さがかかわっていると言える。
なお,渦によるエネルギー損失はごくわずかであり,心臓圧容積(PV)ループにもほとんど影響を与えないため,考慮する必要はないと考えられる。

図3 健常心(a)と不全心(b)における渦による方向転換の比較(心房収縮期〜駆出期)

図3 健常心(a)と不全心(b)における渦による方向転換の比較
(心房収縮期〜駆出期)

 

3.渦の強さの規定因子
渦の強さの規定因子について工学系の知識をひもといていくと,例えば図2 aの渦の強さは,シリンダーの径と液体を噴射する時のピストン速度に依存する。これを左室の血流で見ると,ピストン速度は僧帽弁通過血流速度,シリンダー径は僧帽弁口面積となる。僧帽弁口面積はほとんど個体差がなく無視できるため,僧帽弁通過血流速度が重要な因子となる。さらに,受け手側の容器,つまり左室形態や機能にも強く影響される。そこで,実際の症例にて心周期における拡張早期から等容収縮期までの渦の強さについて検討を行った。
正常群と拡張型心筋症(DCM)群について,拡張早期のvorticityと弛緩能の関係を見ると,それぞれの群がまとまりを持って分布していた(図4)。規定因子を多変量解析してみると,vorticityは左室の収縮末期径(Ds),E波に加え,e’にも影響を受けている。当然,E波は左房圧やsuctionの影響を受け,e’は基本的にsuctionの影響を受けるため,suctionと左房圧の影響の両方が加味されている。

図4 拡張早期の渦と弛緩能

図4 拡張早期の渦と弛緩能

 

一方,心房収縮期の渦と心機能との関係を見ると,vorticityはA波の大きさと左室の拡張末期径(Dd)に規定されている(図5)。等容収縮期に入っても,渦はA波によって規定されるが,A波よりも大きく影響するのがS’波である(図6)。実は,等容収縮期は,心室内容積は変化しないが必ずしも静的な状態ではない。Senguptaらの報告2)を見ると,等容収縮期の時相でも変形があることを,スペックルトラッキングを用いて観察している。長軸方向の収縮開始のズレを見ると,心尖部が収縮し始めても心底部は少し伸展しており,これによる変形が等容収縮期における渦の維持に重要な役割を果たしているのではないかと考え,現在考察している。

図5 心房収縮期の渦と心機能

図5 心房収縮期の渦と心機能

 

図6 等容収縮期の渦と心機能

図6 等容収縮期の渦と心機能

 

渦と予後の関連

渦を見ることで,心不全症例の重症度の判断や予後の推定が可能かどうか,臨床的に安定しているDCMの52症例(男性43症例,女性9症例,61±12歳,EF 32±11%)を対象に検討を行った。一般的なエコードプラ計測を行い,VFMによって渦を観察した。追跡期間は18か月で,エンドポイントは心不全増悪による入院とした。
図7に,心不全イベントがあった症例(a)となかった症例(b)の画像を示す。両者のEFはほぼ同じで,いずれも拡張早期には強い渦が形成されるが,心房収縮期や等容収縮期には,イベントありの症例では弱い渦しか形成されていない。等容収縮期のvorticityも,心不全イベントなしの症例では30を超えるが,イベントありの症例は8.7であった。

図7 心不全イベントの有無によるvorticityの比較

図7 心不全イベントの有無によるvorticityの比較

 

なお,ここでは拡張早期,心房収縮期,等容収縮期,駆出期のvorticityを見ているが,それぞれについて単変量解析,多変量解析を行ったところ,等容収縮期のP値が有意に高く,予後の観点から最も見るに値するのは等容収縮期と言える。Kaplan-Meier曲線で見ても,等容収縮期におけるvorticity IVC<14をカットオフ値にすると,非常にクリアにリスクの層別化が可能であった(図8)。さらに,通常の心エコーと比較して,どのくらい付加的な情報を得られるのかについて,左室拡張末期容積,EF,e’,E/e’と比較したところ,等容収縮期のvorticityは有意に独立した危険予測因子であった。
これらの結果を考察すると,等容収縮期の渦は,流入血流と駆出血流をカップリングしているのではないかと考えている。入ってきた血流がすっと出ていくというスムーズな流れの方が,心筋血流としては良好と思われる。

図8 Kaplan-Meier曲線でのvorticityによるリスク層別化

図8 Kaplan-Meier曲線でのvorticityによる
リスク層別化

 

まとめ

渦は血液の輸送と方向転換に役立つものであり,渦の強さ,つまり回転速度の速さが重要である。また,渦の強さは長軸機能に関連し,予後予測も可能である。

●参考文献
1)Calkoen, E.E., et al., J. Thorac. Imaging, 29・3, 185〜196, 2014.
2)Sengupta, P.P., et al., J. Am. Sec. Echocardiogr., 20・5, 539〜551, 2007.

 

上嶋 徳久(Uejima Tokuhisa)
1995年 東北大学卒業。1999年 心臓血管研究所。2009年東京医科歯科大学大学院卒業後,英国・カーディフ大学留学(2011年まで)。2016年〜心臓血管研究所付属病院循環器内科心不全担当部長。

 

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