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加藤陽子 (Baltimore, USA)

加藤陽子 (Baltimore, USA)

Johns Hopkins University
Research fellow

2018年09月08日

【テーマ】Kato’s

MRIによる心機能評価

心臓MRIは、Ejection fractionのみならず、心筋ストレイン解析や心筋のねじれ (Rotation/Torsion)といった詳細評価も可能である。今回は心臓MRIを用いた心機能評価について述べる。

 

1. Tagging画像

2. 心筋の走行とRotation/Torsion

3. ストレイン (Strain)

4. MRIによるストレイン解析と臨床的意義

 

1. Tagging画像

心筋壁の局所的な変形であるストレインやねじれ(Rotation/Tortion)等が注目されている。これらの詳細心機能評価は従来心エコーで行われてきたが、技術の進歩とともにMRIでも可能となってきた。これらの解析に広く用いられてきたのが非造影のTagging画像である(図1)。[1][2][3]これはRFパルスを用いて心筋に線状あるいは格子状の印をつけた画像である(T1緩和とともに心筋上の印は薄くなる)。心筋上の格子あるいは線は心筋の変形とともに変形するため、心筋壁の局所的な変形を評価することができる。Tagging画像の解析には専用のワークステーションソフトを用いる必要がある。

心基部・心尖部短軸断面におけるTagging画像の例  文献[3]より一部引用

図1.  心基部・心尖部短軸断面におけるTagging画像の例
文献[3]より一部引用

通常のCine画像から同様の解析を行うことも、Feature tracking機能を持つワークステーションを用いることで可能である(図2)。このワークステーションには複数のvender由来の製品があり、多少の差がある。[4][5] また、Strain-enchoding MRIという、撮影断面に直行する方向の動きを定量化して画像構成するプロトコールを用いる方法もある。[6][7]

図2:Feature tracking機能をもつワークステーションによる左室circumferential strainの評価例  文献[5]より一部引用

図2. Feature tracking機能をもつワークステーションによる左室circumferential strainの評価例
文献[5]より一部引用

 

2. 心筋の走行とRotation/Torsion

心筋は斜め方向に走行し、収縮時にねじれるような動きを示す。心内膜側・心外膜側とも8の字を描くように心筋が走行するが、心内膜側と心外膜側では方向が異なる[8] 外膜側のねじれが心内膜側を凌駕するため、結果的に心外膜側の心筋走行に基づいたねじれを示す。ねじれの角度を長軸方向周囲に求めたのがRotationであり、それを長軸方向の短縮で割ったのがTorsionである。[9]

心外膜側(図内A)と心内膜側(図内B)の心筋の走行の違い  文献[8]より引用

図3. 心外膜側(図内A)と心内膜側(図内B)の心筋の走行の違い
文献[8]より引用

YoneyamaらによるMESA studyの報告では、TorsionはLVEFおよび年齢と正の関係にあり(図4)、高血圧患者のTorsionは正常血圧者よりも有意に大きく、男性よりも女性のほうが有意に大きなTorsionを示した。この結果から彼らはTorsionを心拍出量を維持するための代償機構ではないかと推測した。[3]

年齢によるTorsion、LVEF、Stroke Volume (SV)、Circumference Shortening(CS)の変化  文献[3]より部分引用

図4. 年齢によるTorsion、LVEF、Stroke Volume  (SV)、Circumference Shortening (CS)の変化
文献[3]より部分引用

 

3. ストレイン (Strain)

心筋の短縮を3種類の方向に分けてあらわしたものがストレインである。Longitudinal, radial, circumferentialの3種類がある(図5)。[10]

Radial strainは心筋の壁厚の増加を反映する。Longitudinal strainは長軸方向の動きを反映する。circumferential strainは円周方向の短縮を反映する。ストレインは拡張末期を基準として、そこからの長さの変化を表したものであり、単位は%である。Radial strainは収縮により壁厚が増加するため正の値となるが、longitudinal/ circumferential strainは収縮により短縮するため負の値となる。いずれのストレインも、絶対値が大きいほど心筋の収縮が良いことになる。

ストレインの解析は心筋のセグメントごと(segmental strain)に行われるほか、心筋壁の外膜側・中部・内膜側に分けて解析することも可能である。またセグメントごとのデータ(segmental strain)に限らず、心筋の基部・中部・心尖部ごとにまとめたregional strainや、全体をまとめたglobal strainなどの形で報告することもできる。心エコーとの違いとして、segmental strainはMRIでは再現性が低く、regional strainやglobal strainでは高い再現性が得られると報告される。[11] 左室のみではなく右室や心房など、他部位のストレイン解析も数は少ないが報告されている。

3種類のストレイン:longitudinal, radial, circumferential   文献[10]より引用

図5. 3種類のストレイン: longitudinal, radial, circumferential
文献[10]より引用

 

4. MRIによるストレイン解析と臨床的意義

MRIによるストレイン解析はまだ一般的な臨床使用には至っていないのが現状であるが、今後報告は増えていくと予想される。

ストレインの正常値には、Tagging画像から求めた左室ストレインの正常値[1] やFeature tracking機能をもつワークステーションで解析した左室・右室ストレインの正常値[12] など、過去の報告をまとめたいくつかのReviewがある。AndreらはFeature trackingを用いた正常者の左室ストレインの解析(男性75名、女性75名)で、男性は女性よりも有意差をもってradial strainは大きく、longitudinal strainとcircumferential strainは絶対値が小さかったと報告した。[13]

左室ストレインの心不全発症との関連が報告されている。ChoiらはMESA studyの心疾患の既往のない1,768名の5.5年の観察でcircumferential strainの絶対値が16.3%より小さい群では心不全発症率が有意に高いと報告した。[14]

右室ストレインの報告には不整脈原性右室心筋症(ARVC)や肺高血圧(PH)が認められる。Bourfissらは39名のARVC確定診断群、40名のpreclinical ARVC群、および31名の健常者コントロールのRV longitudinal strainを評価し、global RV longitudinal strainはARVC確定診断群において有意にコントロールよりも絶対値で小さな値(=機能低下)を認めたと報告した。[4] Heermannらは30名のRVEFが保持されたARVC確定診断またはborderline群と10名の正常者を比較し、RVEFが保持されていてもRV global longitudinal strain rate (longitudinal strainを収縮時間で除したもの)は有意に前者で絶対値の低下(=機能低下)を認めたと報告した(−0.9 ± 0.3 vs. -1.4 ± 0.5 sec−1; p < 0.005)。[11] Ohyamaらは、26名の肺高血圧患者のLV/RV strain解析を行い、右室 longitudinal strainはRVEFと負の相関を示し(r=−0.53, p=0.001)、平均肺動脈圧と正の相関を示した(r=0.60, p=0.001) と報告した。[5]

 

1.       Kawel-Boehm N, Maceira A, Valsangiacomo-Buechel ER, Vogel-Claussen J, Turkbey EB, Williams R, et al. Normal values for cardiovascular magnetic resonance in adults and children. J Cardiovasc Magn Reson. 2015;17: 29. doi:10.1186/s12968-015-0111-7

2.       Wu L, Germans T, Güçlü A, Heymans MW, Allaart CP, Van Rossum AC. Feature tracking compared with tissue tagging measurements of segmental strain by cardiovascular magnetic resonance. J Cardiovasc Magn Reson. 2014;16: 1–11. doi:10.1186/1532-429X-16-10

3.       Yoneyama K, Gjesdal O, Choi EY, Wu CO, Hundley WG, Gomes AS, et al. Age, sex, and hypertension-related remodeling influences left ventricular torsion assessed by tagged cardiac magnetic resonance in asymptomatic individuals: The multi-ethnic study of atherosclerosis. Circulation. 2012;126: 2481–2490. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.112.093146

4.       Bourfiss M, Vigneault DM, Aliyari Ghasebeh M, Murray B, James CA, Tichnell C, et al. Feature tracking CMR reveals abnormal strain in preclinical arrhythmogenic right ventricular dysplasia/ cardiomyopathy: A multisoftware feasibility and clinical implementation study. J Cardiovasc Magn Reson. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance; 2017;19: 1–13. doi:10.1186/s12968-017-0380-4

5.       Ohyama Y, Ambale-Venkatesh B, Chamera E, Shehata ML, Corona-Villalobos CP, Zimmerman SL, et al. Comparison of strain measurement from multimodality tissue tracking with strain-encoding MRI and harmonic phase MRI in pulmonary hypertension. Int J Cardiol. Elsevier Ireland Ltd; 2015;182: 342–348. doi:10.1016/j.ijcard.2015.01.016

6.       Ibrahim ESH, Stuber M, Fahmy AS, Abd-Elmoniem KZ, Sasano T, Abraham MR, et al. Real-time MR imaging of myocardial regional function using strain-encoding (SENC) with tissue through-plane motion tracking. J Magn Reson Imaging. 2007;26: 1461–1470. doi:10.1002/jmri.21125

7.       Neizel M, Lossnitzer D, Korosoglou G, Schäufele T, Lewien A, Steen H, et al. Strain-encoded (SENC) magnetic resonance imaging to evaluate regional heterogeneity of myocardial strain in healthy volunteers: Comparison with conventional tagging. J Magn Reson Imaging. 2009;29: 99–105. doi:10.1002/jmri.21612

8.       Omar AM abrou. S, Vallabhajosyula S, Sengupta PP. Left ventricular twist and torsion: research observations and clinical applications. Circ Cardiovasc Imaging. 2015;8. doi:10.1161/CIRCIMAGING.115.003029

9.       Young AA, Cowan BR, Streeter D, Spotnitz H, Patel D, Ross J, et al. Evaluation of left ventricular torsion by cardiovascular magnetic resonance. J Cardiovasc Magn Reson. 2012;14: 49. doi:10.1186/1532-429X-14-49

10.     Chitiboi T, Axel L. Magnetic resonance imaging of myocardial strain: A review of current approaches. J Magn Reson Imaging. 2017;46: 1263–1280. doi:10.1002/jmri.25718

11.     Heermann P, Hedderich DM, Paul M, Schülke C, Kroeger JR, Baeßler B, et al. Biventricular myocardial strain analysis in patients with arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC) using cardiovascular magnetic resonance feature tracking. J Cardiovasc Magn Reson. 2014;16: 75. doi:10.1186/s12968-014-0075-z

12.     Values N, Applications C. Tissue Tracking Technology for Assessing Cardiac Mechanics. 2015;8. doi:10.1016/j.jcmg.2015.11.001

13.     Andre F, Steen H, Matheis P, Westkott M, Breuninger K, Sander Y, et al. Age- and gender-related normal left ventricular deformation assessed by cardiovascular magnetic resonance feature tracking. J Cardiovasc Magn Reson. 2015;17: 1–14. doi:10.1186/s12968-015-0123-3

14.     Choi EY, Rosen BD, Fernandes VRS, Yan RT, Yoneyama K, Donekal S, et al. Prognostic value of myocardial circumferential strain for incident heart failure and cardiovascular events in asymptomatic individuals: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis. Eur Heart J. 2013;34: 2354–2361. doi:10.1093/eurheartj/eht133