ポイントオブケア超音波を用いたダイアフラムの厚さと機能の測定

要約

横隔膜の厚さと機能は、ポイントオブケア超音波を使用して、健康な個人と重症患者の評価を行うことができます。この手法は、ダイアフラムの構造と機能を評価するための正確で再現性があり、実現可能で、忍容性の高い方法を提供します。

要約

横隔膜は呼吸筋ポンプの主成分です。横隔膜機能障害は、呼吸困難や運動不耐症を引き起こす可能性があり、罹患した個人は呼吸不全の素因となります。人工呼吸器を装着した患者では、横隔膜は廃用やその他のメカニズムによる萎縮や機能不全を起こしやすくなります。これは、離乳の失敗や長期的な臨床転帰の低下の一因となります。ポイントオブケア超音波は、横隔膜の厚さと収縮活性(吸気時の肥厚画分)を評価するための有効で再現性のある方法を提供し、臨床医と研究者が同様に容易に採用できます。この記事では、横隔膜の厚さを測定し、潮汐呼吸中または最大吸気中の横隔膜の肥厚を定量化するためのベストプラクティスを紹介します。この技術を習得すると、横隔膜機能障害の診断と予後、健康な人と急性または慢性疾患の患者の両方で、経時的な治療に対する反応をガイドおよび監視するために使用できます。

概要

超音波とは、人間の可聴の上限を超える音波を指します。超音波には医療以外にも多くの用途があり、最も有名なのは、^{第一次世界大戦}での軍事使用のためのSONAR(サウンドナビゲーションおよび測距)の開発です。超音波は現在、医療診断と治療に日常的に使用されています。超音波検査や超音波診断では、高周波音波(>20kHz)を利用して、体内の軟部組織構造の画像を提供します。これらの音波は、1〜2,000万サイクル/秒(メガヘルツ、MHz)の周波数でパルス化され、体内に伝達され、肝臓、心臓、骨格筋などの解剖学的構造を調べることができます。ポイントオブケア超音波検査は、重篤な疾患の評価と管理の基礎になりつつあります。

医学における超音波の最初の応用は、1940年代にカール・デュシック博士によって行われ、頭部^を通る超音波ビームの透過を測定することによって脳腫瘍の位置を特定しようとしました2。技術が進歩するにつれて、振幅モード(Aモード)や輝度モード(Bモード)³などの新しい技術が開発され、1960年には2次元スキャナーが開発されました^4,5。超音波診断の分野は、電離放射線への曝露を回避し、ベッドサイドで取得できるため、関連するリスクを伴う院内搬送の必要性を回避するため、臨床診療において非常に貴重になっています。超音波は^{、患者において}安全で忍容性が高く、信頼性が高く、再現性があります^6,7。

横隔膜は薄いドーム型の筋肉構造で、人間の自発換気を駆動する主要な呼吸ポンプとして機能します。横隔膜は胸腔と腹腔を隔てており、中央腱、肋骨横隔膜、肋骨横隔膜の3つの部分で構成されています(図1)。横隔膜の中心腱は、主要な血管が胸部から腹腔まで通過することを可能にする非収縮性構造です。肋骨横隔膜には、胸郭または剣状突起から中央腱まで走る繊維があります。肛門横隔膜は、最初の3つの腰椎動物に挿入されます。吸気中、肋骨横隔膜が収縮し、横隔膜のドームが下がり、胸郭下部が広がります。肋骨横隔膜は、ドーム^8,9,10を下げる際に肋骨横隔膜を支えます。

横隔膜の経胸壁超音波は、同位部の横隔膜の厚さをモニターする能力でますます注目を集めています(図1)11,12,13。横隔膜は、1975年にHaberらによって超音波で初めて可視化されました¹⁴。吸気中の横隔膜の収縮性と筋肉の短縮は、横隔膜の厚さ(Tdi)と肥厚率(TFdi)を監視するためにMモード超音波を使用して定量化できます。収縮性のこの評価は、特定のレベルの吸気ドライブと努力の下での横隔膜の筋肉パフォーマンスの尺度を提供します。ポイントオブケア超音波は、横隔膜の機能と構造の安全で再現性のある信頼性の高い測定を提供します。人工呼吸器を装着した患者では、経時的な横隔膜の厚さの変化を利用して、過剰補助(萎縮、経時的に呼気末端の厚さが減少する)や補助不足(負荷による損傷により炎症、浮腫、おそらく呼気末期の厚さが経時的に増加する)による筋外傷の影響など、人工呼吸の悪影響を評価することができる¹⁵。これらの変化は、有害な臨床転帰と相関しています¹⁶。潮汐呼吸中にTFdiを測定することで、潮汐横隔膜活動(すなわち、吸気努力)の評価が可能になります。最大吸気努力(TFdi、max)中にTFdiを測定すると、横隔膜の強度を評価できます(横隔膜の力発生能力は、横隔膜の収縮および短縮能力に関連しているため)。

測定値の取得と分析のための最適なプロトコルについては、実質的なコンセンサスがあります¹⁷。横隔膜超音波画像診断の能力には、適度に急な学習曲線が含まれます。テクニックとその潜在的な落とし穴に関する徹底的なトレーニングが不可欠です。研究によると、横隔膜超音波の専門知識の習熟度は、リモートのWebベースのトレーニングを通じて短期間で習得できます¹⁸。したがって、このプロトコルは、健康な患者と呼吸器病理が疑われる患者の両方に適用できる横隔膜の厚さと肥厚率の一貫した測定を提供するように最適化されています¹⁹

プロトコル

この手法を採用した研究は、カナダのトロントにあるUniversity Health Networkの研究倫理委員会から倫理的承認を受けています。

1. 潮汐呼吸時の横隔膜厚と肥厚率の評価

1. ダイヤフラムの識別
   1. 患者を仰向けで半臥位(平行から30°〜45°)に置きます。胸の右側から衣類を取り除きます。
      注:同様の手順を使用して、左半隔膜を視覚化できます。左側は一般的に視覚化が難しく、測定精度ははるかに低いと報告されています¹⁹。
   2. ポータブル超音波装置に電力を供給しているタブレットの電源を入れ、適切なアプリケーションを開始します( 材料表を参照)。高周波リニアアレイトランスデューサ(最低12MHz)で筋骨格系検査を開始します。
      注意: この技術を実行するために、任意の超音波システムを使用できます。
   3. リニアアレイトランスデューサの先端を十分な量の超音波ゲルで覆い、超音波が位置決めのためにBモードになっていることを確認します。親指と人差し指でプローブの先端を囲んでプローブを持ちます(図2A)。
   4. 胸壁表面を触診して、図1Cおよび図2Aに示すように、中央腋窩線と前腋窩線の間の右8番目、9番目、または10^番目の肋間腔を見つけ、プローブを同位ゾーン(通常は第8肋間腔の周り)に配置します。
   5. 探触子を矢状面に傾けて、完全にリブの間に位置し(図2A)、画像にリブアーチファクトが見えないようにします(図2B)。画像にリブが表示されている場合は、上下に傾けてプローブの角度を調整します。それでもリブが見える場合は、ダイヤフラムのみが表示されるまでプローブを回転させます。横隔膜の可視化に引き続き問題がある場合は、プローブを新しい肋間腔まで上下にスライドさせます。
   6. 超音波モニターで、胸膜と腹膜を示す肝臓のすぐ上の2本の明るい白い平行線を確認します(図2B)。比較的低エコーの肋骨横隔膜は、これらの線の間に視覚化できます。
   7. 深度を増減ボタンをクリックして画像の深度を調整し、絞りのサイズを最適化します。ダイヤフラムがディスプレイモニターの中央にあることを確認します。これにより、周囲の構造からの胸膜および腹膜ラインの最大の解像度が保証されます。
   8. 画像が最適でない場合(つまり、肺や肋骨が画像に見えたり、胸膜や腹膜がはっきりと見えなかったりする場合)、プローブをリブスペースに沿って上下に動かしたり、基部から前後に動かしたり、回転させたりして、プローブを調整して視認性を高めます。経横隔膜超音波検査における一般的な問題の例については、 表1 を参照してください。
2. 画像の最適化
   1. 探触子が正しい位置に配置されたら、データ収集の前に次のコンポーネントを変更して画質を最適化します。
      注意: 超音波装置のソフトウェアによって、モデルとソフトウェアに違いがあります。このソフトウェアでは、目標を達成するために次のボタンクリックを実行しました。
   2. 超音波装置のソフトウェアで、 ゲイン ボタンをクリックして画像の明るさを変更します。 増加 ボタンをクリックしてゲインを上げ、画像を明るく見せます。逆に、 減少 ボタンをクリックすると、画像が暗くなります。ゲインが低すぎると、構造の確認が困難になる場合があります。ゲインが高すぎると、異質なエコーが発生し、画像が明るくなりすぎます。
   3. 超音波装置で使用可能な場合は、 フォーカス ボタンをクリックしてフォーカスを調整し、画質を変更します。 増加 ボタンをクリックしてフォーカスを上げるか、 減少 ボタンをクリックしてフォーカスを下げます。
3. 画像の取得
   1. 配置と画質が最適化されたら、超音波ソフトウェアの Mモード ボタンをクリックして、超音波をMモードにします。
   2. 1本の縦の走査線がイメージング画面に表示されます。胸膜線と腹膜線が最もはっきりしている部分の間に線を置きます。
      注意: Mモード画像の取得には、超音波装置間で多少のばらつきがある場合があります。Mモードを開始する前に、胸膜と腹膜が明確に定義されている明確な領域を確保してください。呼吸周期全体を通して胸膜と腹膜が明確に定義され、肺や肋骨が視野に入らない場所にスキャンラインを配置します。
   3. 潮汐呼吸中の吸気と呼気の全サイクルでMモードを実行し、フリーズボタンをクリックしてから保存ボタンをクリックして、実際の状態をキャプチャし、画像を保存します。可能な場合は、掃引速度ボタンをクリックして掃引速度を調整し、収集速度を調整して、2つの呼吸サイクルが得られるようにします。このプロセスを繰り返して、別の画像を取得します。
   4. 皮膚安全マーカーを使用して、患者の体にプローブの位置をマークし、横隔膜のまったく同じ位置が時間の経過とともに測定されるようにします。これは、ダイヤフラムの厚さがその表面積¹⁹にわたって変化するため、測定の再現性を維持するために不可欠である。
   5. これらの画像から、ダイヤフラムの厚さ(Tdi)と増粘率(TFdi)を測定できます。2 番目の M モード画像からの値が 1 番目の画像の 10% 以内でない場合は、互いに 10% 以内の値のセットを持つ 2 つの画像が得られるまで、M モード画像の取得を繰り返します。画像解析の詳細については、以下を参照してください。
   6. 試験が完了したら、超音波ソフトウェアの[ 試験終了 ]ボタンをクリックします。
   7. ファイルをエクスポートするには、[ 画像のエクスポート ]をクリックし、ファイルがDICOM形式でエクスポートされていることを確認します。
   8. ゲルが残っている場合は患者の側を拭き、適切な消毒用ワイプで超音波装置を消毒します。
4. 画像の解析
   1. MicroDicom DICOM ビューアまたは同様のソフトウェアで必要な DICOM ファイルを開きます。
   2. 「距離」ツール( ノギス または 直線と呼ばれる場合があります)をクリックし、終端呼気時に胸膜の内縁から腹膜の内縁まで直線を引きます(Tdi、ee)。
   3. 図2B¹⁷に示すように、両方の膜がこの測定に含まれていないこと、および直線の両端が互いに真向かい(垂直)に配置され、マーカー間に時間差がないように、人為的に距離を延ばす可能性があることを確認してください。
   4. この値をダイヤフラムの厚さ (Tdi,ee) として記録します。
   5. 同じ呼吸のピーク吸気でステップ4.2を繰り返して、ピーク吸気時のダイアフラムの厚さ(Tdi、π)を取得します。
   6. 患者が呼吸しているように見えず、吸気中に横隔膜肥厚画分が明らかでない場合は、 図3に示すように、吸気期の横隔膜の厚さを表す位置でTdi,piを測定します(この場合、Tdi,eeとほぼ同じになります)。
   7. 図2Cに示すように、Tdi,eeとTdi,piの両方を同じ呼気から分析して、潮汐呼吸中の横隔膜肥厚率(TFdi)を評価する必要があります。
   8. Tdi,pi と Tdi,ee を使用して、各呼吸の TFdi を計算します。
      
   9. 同じMモード画像から2組目の測定値を取得します( 図2Cを参照)。
   10. 手順 1.4.1 から 1.4.9 を 2 番目の M モード イメージで繰り返します。この時点で、Tdi,eeの4つの測定値とTFdiの4つの測定値が得られました。
   11. 2 番目の M モード画像からの値が 1 番目の画像の 10% 以内でない場合は、互いに 10% 以内の値のセットを持つ 2 つの画像が得られるまで、M モード画像の取得を繰り返します。

図1:横隔膜の解剖学的構造と超音波プローブの配置の概要。 (A)肋骨横隔膜の超音波検査のための解剖学的構造。横隔膜は、中央腱、肋骨横隔膜、および肋骨横隔膜で構成されています。(B、C)超音波の同位ゾーンにある肋骨横隔膜を視覚化するために、患者は半臥位に配置され、8番目、9番目、または10^番目の 肋間腔が配置されます。肋骨横隔膜を断面として視覚化するために、高周波(>12 MHz)リニアアレイ超音波プローブを肋骨間腔に平行に配置します。 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2:超音波ダイヤフラムの厚さと潮汐呼吸中の肥厚。 (A)プローブを8番目、9番目、または10^番目の 肋間腔に配置して、横隔膜を断面として視覚化します。(B)Bモード画像では、白い矢印が高エコー胸膜と腹膜を示しています。(C)Mモード画像は、時間の経過に伴う特定の点でのダイアフラムの厚さの変化を投影します。黄色の線は左から右に、最初の呼吸の呼気終了時の横隔膜の厚さ(Tdi,ee)と吸気ピーク時の横隔膜の厚さ(Tdi,pi)を測定し、赤い線は2回目の呼吸の厚さを示します。横隔膜の厚さ (Tdi、ee) は、健康な男性被験者でそれぞれ 1.20 mm と 1.25 mm、TFdi 26% と 23% です。 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。

表1:経横隔膜超音波検査における一般的な問題 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

2.最大横隔膜肥厚率の評価

注:ダイヤフラムの最大肥厚率は、ダイヤフラムの厚さと同じ実験セッション中に評価できます。

1. 画像の取得
   1. 上記と同じ方法論を利用して、Bモード超音波を使用してダイアフラムを特定し、それに応じて最適化します。
   2. 人工呼吸器を使用している患者では、人工呼吸器の気道閉塞圧(P_0.1)を測定することにより、横隔膜機能評価に十分な呼吸駆動があることを確認します。._P0.1 は、進行するために少なくとも_2cmH2Oであるべきである。_2cmH2O未満の場合は、超音波画像診断の前に、鎮静剤または換気サポートを減らして呼吸ドライブを増やすことを検討してください。
   3. 人工呼吸器を装着した患者で呼吸駆動が十分になったら、換気サポートを最小レベルまで減らします(例:.、圧力サポート換気(PSV):0 cm H₂O;呼気終末陽圧(PEEP):0 cm H₂O;ガス交換に必要な場合は、適度なレベルのPSVまたはPEEPを維持できます)横隔膜収縮性を一時的に増強します。.
      注:換気サポートを取り外すと、呼吸の促進と横隔膜機能の評価を容易にするための労力が増加します。
2. Mモードボタンをクリックして、超音波をMモードにします。
3. Mモードを実行している間、閉 塞していない 気道に対して最大限の意志吸気努力を行うように参加者を指導し(すなわち、吸気能力操作)、可能であれば参加者に「大きく息を吸う」ように指示します。
   1. 患者が最大限の吸気努力をするためのコマンドに従うことができない場合は、短時間の気道閉塞操作(マリーニ操作)²⁰ を最大20秒間適用して、呼吸努力の増加を刺激します。.次に、オクルージョンを解除し、オクルージョンを解除し た後 のTFdi,maxを測定します。
4. 録画をフリーズして画像を保存します。
5. 手順2.1〜2.4をさらに2回繰り返して、分析のために合計3つのMモード画像を取得するか、患者が最大限の意志の努力をしたと超音波検査技師が確信するまで。
6. Mモード画像をDICOM形式でエクスポートし、慎重なオフライン盲検分析を行います。
7. 患者の側を拭いて残っているゲルをきれいにし、適切な消毒用ワイプで超音波装置を消毒します。
8. 画像の解析
   1. MicroDicom DICOM ビューアまたは同様のソフトウェアで必要な DICOM ファイルを開きます。
   2. 距離ツール(ノギスまたは直線と呼ばれることもあります)をクリックし、図3Bに示すように、最大吸気試験中に、呼気終端(Tdi,ee)および最大吸気(Tdi,pi)時に、胸膜の内縁から腹膜の内縁まで直線を描きます。
   3. すべての測定で胸膜と腹膜を除外し、直線の両端が互いに真向かい(垂直)に配置され、時間差がないようにします。
   4. 各呼吸のTFdi,maxは次のように計算されます。
      
   5. 少なくとも 3 回の一貫した試行の最高値を TFdi,max として記録します。

図3:横隔膜肥厚率の最小および最大の例。 (A)超音波横隔膜の厚さ(Tdi)と肥厚率(TFdi)は、横隔膜収縮が最小の場合に測定されました。必要に応じて、掃引速度を調整します。TFdiの評価には2回の呼吸が使用されます。明確なピーク吸気の厚さがない場合、吸気努力のタイミングはベッドサイドで臨床的に決定されます。ここでのTFdiは11%と計算されますが、さらに2回の呼吸(2つの画像でキャプチャされた合計4回の呼吸)で平均されます。(B)最大吸気努力中に測定された最大横隔膜肥厚率(TFdi、max)は、患者に最大限の意志的努力をするようにコーチングするか、患者がコーチングできず、P_0.1 >2 cm H₂Oがある場合はマリーニモーバーに従うことによって刺激されます。 TFdi、maxはここでは208%として計算されます。 ただし、数回(少なくとも3回)の試行後に得られた最大値は、TFdi,maxとして記録されます。最小吸気努力(A)と比較して、最大吸気(B)中のTFdiとTdiには顕著な違いがあります。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。

ディスカッション

横隔膜超音波は、健康な被験者と重症患者の横隔膜の構造と機能を監視するための非侵襲的で信頼性が高く、有効な技術を提供します。横隔膜肥厚画分は、横隔膜機能を評価するための伝統的なゴールドスタンダード法である磁気けいれん経横隔膜圧測定よりもはるかに実現可能な横隔膜収縮活性および機能のベッドサイド測定を提供する³³。ポイントオブケア超音波による横隔膜の機能と厚さのモニタリングは、横隔膜の萎縮を検出する手段を提供します。そのため、専門家は、コンピテンシーを開発するために、少なくとも15の別々の横隔膜超音波検査を実施および分析することを推奨しています¹⁷。

再現性のある正確な測定を確実にするためには、プローブ配置¹⁹にマークを付けることが不可欠です。Bモード画像は、プローブの配置、および機器の深さ、ゲイン、焦点を調整することで最適化する必要があります。使用する超音波の掃引速度は、可能であれば、キャプチャされた画像内で少なくとも2回の呼吸が得られるように調整する必要があります。最後に、一貫した値(10%以内)が得られるまで測定を繰り返す必要があります。

TdiおよびTFdiの取得に関連する困難のいくつかは、線形プローブの配置および方向である。 表 1 は、いくつかの一般的なシナリオと、ユーザーが実行する必要がある関連するトラブルシューティング手段を示しています。

この超音波技術にはいくつかの制限があります。まず、横隔膜の厚さは患者間で大きく異なり、時間の経過に伴う厚さの変化をベースライン値に参照する必要があります(たとえば、萎縮を診断するため)。第二に、テクニックの単純さにもかかわらず、能力を確保するためにトレーニングが必要です。ウェブベースのオンライントレーニングプラットフォームは、テクニック¹⁸のコンピテンシーを達成するために検証されています。第三に、説明されている超音波技術は、筋肉構造(質量)と機能(収縮性)に関する限られたデータを提供します。せん断超音波検査や超音波エラストグラフィーなどの新しい技術は、筋肉のこわばりと線維症に関する追加情報を提供することができます^{34、35、36、37、38}。

要約すると、経横隔膜超音波検査は、健康な患者と重篤な患者に簡単に実行できる横隔膜の構造と機能の重要な測定を提供します。この手法は、十分なトレーニングを受けた有能なユーザーを考慮すると、信頼性が高く有効です。この記事では、経横隔膜超音波検査の実施方法を概説し、データ取得前に十分なトレーニングを受けるようユーザーに警告します。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
10-15 MHz linear array transducer	Philips	L12-4	Any 10-15MHz linear array transducer may be used
Any DICOM viewer software  Example: MicroDicom DICOM viewer	MicroDicom		Free for non-commerical use analysis software: https://www.microdicom.com/company.html
Lumify Ultrasound Application	Philips		Other systems will use their own software
Lumify Ultrasound System	Philips		Any ultrasound system may be used
Skin Safe Marker	Viscot	1450XL	Used for marking location of probe
Ultrasound Gel	Wavelength	NTPC201X	Any ultrasound gel may be used