1989年[ 技術開発研究助成 ] 成果報告 ： 年報第03号
心臓・血管内血流速度ベクトル分布イメージング装置の開発
概要
lまえがき
循環器学における超音波診断法の発展はめざましく,特に近年開発された断層ドプラー法は心・血管内の断層像上の血流速分布を非侵襲的に実時間画像化した点において,臨床の現場に与えた恩恵は大きい。しかし本法は超音波ビーム方向の血流速成分の表示であり,かならずしも真の血流速を示していない(図1)。
この問題に対し,我々は,血液の非圧縮性の性質より,連続の式(質量保存の式)を用いると,一方向の血流速度成分の平面分布から直交速度成分を算出することができ,二次元速度ベクトルの平面分布が求められることを見出した。この原理を応用すると,現在実用化されている断層ドプラー装置によって得られる情報を演算処理することにより,断層面上に心臓内断層面全域の二次元血流速度ベクトルの分布を表示することが可能である。
今回の研究では,この原理に基づいて心臓・血管内血流速度ベクトル分布イメージング装置を新たに開発するとともに,臨床例において心臓・血管内断層面上の二次元血流速度ベクトルの分布を明らかにせんとした。
ll研究内容
断層ドプラー法で通常用いられる心尖長軸断層面は,心筋壁の構造および運動がこの面に対し,面対称の関係にある。従って,この断層面上における血流は,この面に垂直な成分のない二次元平面流と考えることができる。一方,非圧縮性二次元平面流において流体力学の質量保存則を用いると,断層ドプラー法の速度情報すなわち超音波ビーム方向の速度成分の平面分布より,超音波ビーム直交方向速度成分が算出でき,両速度成分をベクトル合成することにより,二次元血流速度ベクトル分布を描出することが可能である。
1.原理二次元平面流において,血液を非圧縮性と仮定すると,x-y直交座標系では質量保存の法則より速度 ベクトルU(Ux,Uy)において
ここで第1項をy・方向に積分すると
(Uyo:壁運動速度のy一方向成分)となり,UXの平面分布から,直交速度成分Uyが求まり,UXとUyをベクトル合成することにより,速度ベクトルUを求めることが可能である(図3)。
心臓エコードプラー法では,扇形走査型探触子を使用することが多いので極座標(r一θ)で考えると,速度べ クトルU(Ur,Uθ)において,式(1)は
(Ur:超音波ビーム方向の速度成分Uθ.超音波ビーム直交方向の速度成分)となり,式(2)は
(Uθ。:壁運動θ方向速度成分)となる。したがって断層ドプラー法の断層面上で超音波ビーム方向の速度成分Ur(r,θ)分布から,式(4)より,同平面上でこれと直交する方向の速度成分Uθ(r,θ)の分布を求めることが可能である。UrおよびUθをベクトル合成することにより,断層面上二次元血流速度ベクトル分布を算出することができる(図4)。
2.システムの概要ならびに方法
A)装置
計測に用いた断層ドプラー装置はEUB-151(日立社製:搬送周波数2.5MHz,パルス操り返し周波数3.7kHzまたは5.2kHz,周波数解析法一自己相関法)でその1時相のフリーズ画像情報をパーソナルコンピュータFM77AV40(富士通社製)で取り込み,ビデオディジタイザにてA-D変換後,上記アルゴリズムに従って心腔内二次元血流速度ベクトル分布図を描出した。
B)方法
(1)モデル実験
モデル流路において定常流を作成し,パルスドプラー法で計測した流速と断層ドプラー法で表示される色強度とを比較し,断層ドプラー法の速度情報として表示される色強度と流速との関係を明らかにした。
(2)臨床応用
1.臨床例において断層ドプラー装置(EUB-151)による心尖長軸断層面のフリーズ画像情報をA-D変換し,一旦ディスケットに収め,以下のごとくオフラインで演算処理した。
2.血流と壁との境界を判定後,断層ドプラー法で表示されている,32階調の色強度を前記(1)で求めた関係をもとに速度情報に変換し,さらに量子化誤差軽減のため,128段階に補間,平滑化した。
3.ビデオ画面上の直交座標を極座標に変換し,Ur(r,θ)を求めた。サンプル間隔は扇角60°内57ビーム,1ビーム15cm深度内200点(0.75mm間隔),計約10,000点においてUr(r,θ)を求めた。
4.別途記録した,同断層面の相近接する(50msec間隔)2時相のBモード像を重畳し,左室壁速度方向を壁境界面に垂直と仮定し,壁運動の速度ベクトルを求め,境界条件として壁のθ方向速度Uθ0を算出した(図5)。
5.式(4)を用い,Ur(r,θ)およびUθ。からUθ(r,θ)を求めた。さらにUθは深さ方向9ポイントのUθの移動平均を採用した(図6)。
6.以上のアルゴリズムで求まった深さ方向200本の円弧上のUθのうち,反対側の壁での境界条件を満足する円弧上のUθを選び,Urとベクトル合成し,」r[1流速ベクト レルU(Ur,UB)を算出,表示した。
成果
[モデル流路実験]
モデル流路にて作成した定常流において,ハルスドフラー法で計測した流速と断層ドブラー法で計測した流速を比較した結果,両者の測定値の間にはy=0.648x+4.0(r=0.951,P〈O.001)の良好なL自:線関係を認め,断層ドフラー法にて,定量的計測が可能であることを確認した。
[臨床例における左室1血流分布]
正常例では,収縮期の左室腔内全体の血流は流出路に収束しており,流出路に近づくにつれ,十分に加速されていた(図7)。拡張期(急速流入期)には,左房からの流入血流は後壁に沿って速度を減じながら,緩やかにその方向を心尖部から中隔,流出路へと転じていた。また,後壁基部寄りの小領域に,流れの剥離・反転が認められた(図8)。
一方,心不全例では収縮期に,左室流入血流の大部分が収縮期直前の心房性流入期に流入するため,収縮中期にも左室後壁寄りになお流入血流が残っているのが認められた。また流出路においては,形態学的に流出路の急激な狭小化が認められるにもかかわらず,後壁寄りの流入血流のため流出血流は正常例ほど収束せず,流出血流の加速は正常例に比し,低下していた(図9)。
心不全例の左室流入血流は心房から左室腔内にジェット状に流入し,後壁で心尖部方向に屈曲したあと,心尖部で減速していた。また,中隔基部,後壁基部に回旋流を認めた(図10)。
まとめ
新たに開発した血流速度ベクトルマッピング法は,従来の断層ドプラー法の情報から血流速度ベクトル分布イメージングの描出を可能とした。これにより形態的異常からは推定困難な血流の異常を描出することが可能となった。今後,種々の心疾患例に本法を応用し,その流れ構造の差異について検討する予定である。
循環器学における超音波診断法の発展はめざましく,特に近年開発された断層ドプラー法は心・血管内の断層像上の血流速分布を非侵襲的に実時間画像化した点において,臨床の現場に与えた恩恵は大きい。しかし本法は超音波ビーム方向の血流速成分の表示であり,かならずしも真の血流速を示していない(図1)。
この問題に対し,我々は,血液の非圧縮性の性質より,連続の式(質量保存の式)を用いると,一方向の血流速度成分の平面分布から直交速度成分を算出することができ,二次元速度ベクトルの平面分布が求められることを見出した。この原理を応用すると,現在実用化されている断層ドプラー装置によって得られる情報を演算処理することにより,断層面上に心臓内断層面全域の二次元血流速度ベクトルの分布を表示することが可能である。
今回の研究では,この原理に基づいて心臓・血管内血流速度ベクトル分布イメージング装置を新たに開発するとともに,臨床例において心臓・血管内断層面上の二次元血流速度ベクトルの分布を明らかにせんとした。
ll研究内容
断層ドプラー法で通常用いられる心尖長軸断層面は,心筋壁の構造および運動がこの面に対し,面対称の関係にある。従って,この断層面上における血流は,この面に垂直な成分のない二次元平面流と考えることができる。一方,非圧縮性二次元平面流において流体力学の質量保存則を用いると,断層ドプラー法の速度情報すなわち超音波ビーム方向の速度成分の平面分布より,超音波ビーム直交方向速度成分が算出でき,両速度成分をベクトル合成することにより,二次元血流速度ベクトル分布を描出することが可能である。
1.原理二次元平面流において,血液を非圧縮性と仮定すると,x-y直交座標系では質量保存の法則より速度 ベクトルU(Ux,Uy)において
ここで第1項をy・方向に積分すると
(Uyo:壁運動速度のy一方向成分)となり,UXの平面分布から,直交速度成分Uyが求まり,UXとUyをベクトル合成することにより,速度ベクトルUを求めることが可能である(図3)。
心臓エコードプラー法では,扇形走査型探触子を使用することが多いので極座標(r一θ)で考えると,速度べ クトルU(Ur,Uθ)において,式(1)は
(Ur:超音波ビーム方向の速度成分Uθ.超音波ビーム直交方向の速度成分)となり,式(2)は
(Uθ。:壁運動θ方向速度成分)となる。したがって断層ドプラー法の断層面上で超音波ビーム方向の速度成分Ur(r,θ)分布から,式(4)より,同平面上でこれと直交する方向の速度成分Uθ(r,θ)の分布を求めることが可能である。UrおよびUθをベクトル合成することにより,断層面上二次元血流速度ベクトル分布を算出することができる(図4)。
2.システムの概要ならびに方法
A)装置
計測に用いた断層ドプラー装置はEUB-151(日立社製:搬送周波数2.5MHz,パルス操り返し周波数3.7kHzまたは5.2kHz,周波数解析法一自己相関法)でその1時相のフリーズ画像情報をパーソナルコンピュータFM77AV40(富士通社製)で取り込み,ビデオディジタイザにてA-D変換後,上記アルゴリズムに従って心腔内二次元血流速度ベクトル分布図を描出した。
B)方法
(1)モデル実験
モデル流路において定常流を作成し,パルスドプラー法で計測した流速と断層ドプラー法で表示される色強度とを比較し,断層ドプラー法の速度情報として表示される色強度と流速との関係を明らかにした。
(2)臨床応用
1.臨床例において断層ドプラー装置(EUB-151)による心尖長軸断層面のフリーズ画像情報をA-D変換し,一旦ディスケットに収め,以下のごとくオフラインで演算処理した。
2.血流と壁との境界を判定後,断層ドプラー法で表示されている,32階調の色強度を前記(1)で求めた関係をもとに速度情報に変換し,さらに量子化誤差軽減のため,128段階に補間,平滑化した。
3.ビデオ画面上の直交座標を極座標に変換し,Ur(r,θ)を求めた。サンプル間隔は扇角60°内57ビーム,1ビーム15cm深度内200点(0.75mm間隔),計約10,000点においてUr(r,θ)を求めた。
4.別途記録した,同断層面の相近接する(50msec間隔)2時相のBモード像を重畳し,左室壁速度方向を壁境界面に垂直と仮定し,壁運動の速度ベクトルを求め,境界条件として壁のθ方向速度Uθ0を算出した(図5)。
5.式(4)を用い,Ur(r,θ)およびUθ。からUθ(r,θ)を求めた。さらにUθは深さ方向9ポイントのUθの移動平均を採用した(図6)。
6.以上のアルゴリズムで求まった深さ方向200本の円弧上のUθのうち,反対側の壁での境界条件を満足する円弧上のUθを選び,Urとベクトル合成し,」r[1流速ベクト レルU(Ur,UB)を算出,表示した。
成果
[モデル流路実験]
モデル流路にて作成した定常流において,ハルスドフラー法で計測した流速と断層ドブラー法で計測した流速を比較した結果,両者の測定値の間にはy=0.648x+4.0(r=0.951,P〈O.001)の良好なL自:線関係を認め,断層ドフラー法にて,定量的計測が可能であることを確認した。
[臨床例における左室1血流分布]
正常例では,収縮期の左室腔内全体の血流は流出路に収束しており,流出路に近づくにつれ,十分に加速されていた(図7)。拡張期(急速流入期)には,左房からの流入血流は後壁に沿って速度を減じながら,緩やかにその方向を心尖部から中隔,流出路へと転じていた。また,後壁基部寄りの小領域に,流れの剥離・反転が認められた(図8)。
一方,心不全例では収縮期に,左室流入血流の大部分が収縮期直前の心房性流入期に流入するため,収縮中期にも左室後壁寄りになお流入血流が残っているのが認められた。また流出路においては,形態学的に流出路の急激な狭小化が認められるにもかかわらず,後壁寄りの流入血流のため流出血流は正常例ほど収束せず,流出血流の加速は正常例に比し,低下していた(図9)。
心不全例の左室流入血流は心房から左室腔内にジェット状に流入し,後壁で心尖部方向に屈曲したあと,心尖部で減速していた。また,中隔基部,後壁基部に回旋流を認めた(図10)。
まとめ
新たに開発した血流速度ベクトルマッピング法は,従来の断層ドプラー法の情報から血流速度ベクトル分布イメージングの描出を可能とした。これにより形態的異常からは推定困難な血流の異常を描出することが可能となった。今後,種々の心疾患例に本法を応用し,その流れ構造の差異について検討する予定である。