Assessing Intracardiac Vortices with High Frame-Rate Echocardiography-Derived Blood Speckle Imaging(신생아의 높은 프레임 속도 심장 초음파 유래 혈액 스페클 영상)을 사용한 심장 내 소용돌이 평가

요약

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.

초록

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.

서문

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.

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프로토콜

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

1. 환자의 유아용 침대에 인접한 초음파 기계를 설치하고 3리드 심전도를 연결합니다( 자료표 참조).
2. 환자 코드와 몸길이 및 체중과 같은 관련 세부 정보를 입력하고 앞서 설명한 표준¹²에 따라 심장 초음파를 수행합니다.

2. 이미지 취득

1. 특히 BSI의 경우 좁은 섹터 폭으로 정점 4챔버 보기에서 LV를 얕게 볼 수 있으므로 400-600Hz 사이의 획득 프레임 속도를 허용합니다.
2. 좌심실강 위의 색상 상자를 열고 승모판막에서 심내막 정점까지, 중격 심내막 경계에서 외벽 심내막 경계까지의 영역만 포함하도록 최대한 좁힙니다.
3. 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.
4. 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.
5. 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).

1. 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.
2. 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.
3. 각 클립에 대해 심장 주기 전반에 걸쳐 형성되는 독립적이고 완전한 타원형 소용돌이의 수를 기록합니다.
4. 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.
5. 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.
6. 해석 소프트웨어의 "추적 측정" 도구를 사용하여 주 와류가 가장 두드러지는 지점에서 가장 바깥쪽 와류 링을 클릭하고 추적하여 주 와류 영역을 결정합니다.
7. 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.
8. 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).

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결과

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 아...

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토론

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 ?...

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자료

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