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順方向視2次元アレイを用いた血流速度場の3次元血管内特性評価
3-D Intravascular Characterization of Blood Flow Velocity Fields with a Forward-Viewing 2-D Array.
PMID: 32616428 DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2020.05.022.
抄録
冠動脈疾患のリスク層別化は現在進行中の課題であり、冠動脈内の生理学を定量化するためのツールはほとんど存在しない。最近では、解剖学に基づいた計算流体力学的モデリングにより、冠動脈狭窄部の局所フローダイナミクスのマッピングが可能となり、WSSなどのパラメータは、患者ごとに有害な臨床イベントを予測するための強力な能力を示している。冠動脈疾患患者では心臓カテーテル検査が一般的であるため、病的な流れをその場でリアルタイムに特定できる低侵襲技術は、臨床的な意思決定に大きな影響を与える可能性がある。動脈壁付近の緩慢な流れをin vivoで定量化するためのステップとして、118素子の前方視リングアレイトランスデューサと研究用超音波システムを使用した血流動態の3D血管内画像化の概念実証が行われている。血流速度成分は、非焦点波ドップラーアプローチを使用して一次流れの方向に、横振動アプローチを使用して横方向と仰角方向に推定されます。この血管内3次元ベクトル速度システムを、ブタの大腿動脈を用いたファントム実験と生体内でのリアルタイム3次元データセットを取得して説明する。また、血流動態に対するカテーテルの効果を、直線血管と狭窄血管の両方のフローファントムで実験的に評価しています。その結果、小型のフォームファクターデバイスを用いて3次元の血流動態を測定することができ、中空カテーテルの設計により狭窄部での血流測定への影響が最小限に抑えられることが示された（ピーク速度：54.97±2.13 cm/s（カテーテルなし） vs. 51.37±1.08 cm/s（中空カテーテルあり）、誤差6.5％）。将来的には、このような技術により、すでにカテーテル治療を受けている患者の壁近傍の3次元フローダイナミクスの推定が可能になる可能性がある。
Risk stratification in coronary artery disease is an ongoing challenge for which few tools are available for quantifying physiology within coronary arteries. Recently, anatomy-driven computational fluid dynamic modeling has enabled the mapping of local flow dynamics in coronary stenoses, with derived parameters such as WSS exhibiting a strong capability for predicting adverse clinical events on a patient-specific basis. As cardiac catheterization is common in patients with coronary artery disease, minimally invasive technologies capable of identifying pathologic flow in situ in real time could have a significant impact on clinical decision- making. As a step toward in vivo quantification of slow flow near the arterial wall, proof-of-concept for 3-D intravascular imaging of blood flow dynamics is provided using a 118-element forward-viewing ring array transducer and a research ultrasound system. Blood flow velocity components are estimated in the direction of primary flow using an unfocused wave Doppler approach, and in the lateral and elevation directions, using a transverse oscillation approach. This intravascular 3-D vector velocity system is illustrated by acquiring real-time 3-D data sets in phantom experiments and in vivo in the femoral artery of a pig. The effect of the catheter on blood flow dynamics is also experimentally assessed in flow phantoms with both straight and stenotic vessels. Results indicate that 3-D flow dynamics can be measured using a small form factor device and that a hollow catheter design may provide minimal disturbance to flow measurements in a stenosis (peak velocity: 54.97 ± 2.13 cm/s without catheter vs. 51.37 ± 1.08 cm/s with hollow catheter, 6.5% error). In the future, such technologies could enable estimation of 3-D flow dynamics near the wall in patients already undergoing catheterization.
Copyright © 2020 World Federation for Ultrasound in Medicine & Biology. Published by Elsevier Inc. All rights reserved.