◇ ORIGINAL ARTICLE ◇心筋ストレインレート空間分布の高時間分解能計測による収縮・弛緩の遷移過程の描出
吉新寛樹1

長谷川英之1

抄

金井浩1

田中元直2

録

はじめに：心筋ストレインやストレインレートのイメージングは局所心筋機能の評価に有用な技術であることが示されてきたが，心臓の収縮から弛緩への移行期においてはその機序について不明な点が多い．本論文では時間分解能を向上させた心筋ストレインレート計測を行い，その機序について検討した結果を述べる．方法：22 歳と 23 歳
男性健常者 2 名の左室長軸像において，通常の B モード像よりも超音波ビームの走査線密度を減らして走査し RF データを取得した．心電図 R 波前後と心音図のⅡ音前後のタイミングにおいて，走査したビーム上に設定した心臓壁内の多点に位相差トラッキング法を適用し，心筋ストレインレートの空間分布を高時間分解能で計測した．結果：
心音図のⅡ音周辺の収縮から弛緩に移行する過程において，心室中隔壁では右心室側が左心室側に対して約 15 ‑30 ms，左心室後壁では心外膜側が心内膜側に対して約 100 ‑ 130 ms，同一ビーム内で先行していた．また，ストレインレートの空間分布から，心尖側と心基部側では収縮と弛緩のタイミングが異なり，特に左心室後壁において心尖側から心基部側に移行する様子が見られた．結語：時間分解能を向上させた心筋ストレインレート計測により，収縮から弛緩への移行過程の機序解明の可能性を示した．

Imaging of transient in myocardial contraction and relaxation by measuring strain rate athigh temporal resolution
Hiroki YOSHIARA1, Hideyuki HASEGAWA1, Hiroshi KANAI, EJSUM1, Motonao TANAKA, SJSUM2
Abstract
Purpose: Strain and strain rate imaging have been shown to be useful for assessment of regional myocardial function. However, themechanism of transition in myocardial contraction and relaxation remains unclear. In this study, we investigated the mechanism bymeasuring myocardial strain rate at high temporal resolution. Method: The RF data of two young males were acquired in a typicalcross-sectional image（the transthoracic parasternal longitudinal-axis view）by scanning ultrasonic beams sparsely to improve temporal resolution. In the periods around the R-wave in electrocardiogram（ECG）and the second heart sound in phonocardiogram（PCG）, the phased tracking method was applied to multiple points in the heart wall for estimation of the strain rate. Result: In thecase of transition from contraction to relaxation around the second heart sound, the right ventricle（RV）side preceded the left ventricle（LV）side by 15 - 30 ms in the interventricular septum（IVS）, and the epicardium preceded the endocardium by 100 - 130 ms
in the posterior wall. Furthermore, the spatial distribution of strain rate showed that there was a time lag between the apex side andbase side in contraction and relaxation. In particular, transition from the apex side to base side was found in the posterior wall.
Conclusion: Myocardial strain rate was measured at high temporal resolution. In vivo experimental results showed the possibility ofusing this method for elucidation of the mechanism in myocardial contraction and relaxation.
Jpn J Med Ultrasonics 2007; 34（4）: 439‑448
Keywords

myocardial contraction/relaxation, strain rate, phased tracking method, frame rate, in vivo experiments

1．

はじめに示されてきたが1），心臓の収縮と弛緩との移行過程
においてはその機序について不明な点が多い．これ

心筋ストレインやストレインレートのイメージン

までに心臓壁運動の非侵襲的計測のために組織ドプ

グは局所心筋機能の評価に有用な技術であることが1‑6）
ライメージング法（Tissue Doppler Imaging: TDI）

東北大学大学院工学研究科電子工学専攻，2東北厚生年金病院
Department of Electronic Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6‑6‑05 Aramaki-aza-Aoba, Aoba, Sendai
980-8579, Japan, 2Tohoku Welfare Pension Hospital, 1‑12‑1 Fukumuro, Miyagino, Sendai 983‑8512, Japan
Received on November 2, 2006; Revision accepted on February 27, 2007

11

Jpn J Med Ultrasonics Vol. 34 No. 4（2007）

439

Fig. 1

Principle of measurement of strain rate distribution by shifting a layer.（a）Longaxis view of left ventricle.（b）Method of shifting of a layer along the ultrasonicbeam at t ＝ t 0.（c）Application of phased tracking method to the points preset in
the heart wall at t ＝ t 0が開発された．組織ドプライメージング法は心筋の6500 : ALOKA 製）の 3. 75 MHz セクタ型プローブ

速度分布をリアルタイムに計測出来るが，心臓の動を用いて左室長軸像を描出し，心室中隔壁と左心室

きのサンプリング周波数（フレームレート）は約後壁（自由壁）の RF 信号取得領域を設定した．デー

200 Hz 程度である ．本報告では，特に心筋が収タ取得の際は時間分解能を向上させるために，走査縮と弛緩の間で移行する心電図の R 波付近と心音範囲を約 20 度に制限した．この範囲を 5 本の超音図のⅡ音周辺において，心臓壁の広範囲を高時間分波ビームで 5. 6 度ごとに走査し，約 600 Hz の高フレー解能で計測するために通常の B モード像よりも超ムレートを実現した．RF 信号のサンプリング周波

音波ビームの走査線密度を減らして走査し（スパー数は 15 MHz であり，取得した RF 信号は別の計算ススキャン），約 600 Hz の高いフレームレートでデー機に転送して解析を行った .

1）タを取得した．心電図 R 波付近の等容性収縮期と心音図第Ⅱ音周辺の等容性弛緩期を対象に，スパーススキャンと位相差トラッキング法

2. 2 位相差トラッキング法によるストレインレー
ト算出原理

を組み合わ

Fig. 1b に示すように，心電図 R 波と心音図第Ⅱせて適用し，時間・空間分解能を向上させた心筋の音付近のタイミング t ＝ t（＝t R，t II ）で，心室中隔0ストレインレートを算出しその移行過程を観察した．

壁の右心室面から厚さ 821 μm の層を設定した．層7，8）

2．
2. 1

方法

計測におけるデータ取得

Fig. 1a に 示 す よ う に， 超 音 波 診 断 装 置（SSD440の厚さΔd ＝ 821 μm は送信超音波パルスの半値幅から決定した．Δd の厚さの層を，深さ方向に左室面までΔd/4 ＝ 205 μm ずつ移動させながら複数設定した．時刻 t ＝ t（＝t R，t II ）において設定した各0
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aFig. 2bA cross-sectional image measured by conventional echocardiography. a A healthyyoung male（subject A, 22 years old）. b A healthy young male（subject B, 23years old）. The arrows show the directions of the ﬁve ultrasonic beams used formeasuring the velocities at multiple points for estimation of strain rate in the heartwall層（i i ＝ 1，2，... ，M ）の上端 x 1 i と下端 x 2 i の点に位す．被験者 A と被験者 B のデータ取得時のフレー相差トラッキング法を適用して，時刻 t ＝ t 0 を中心ムレートはそれぞれ 630 Hz と 592 Hz である．に t 0 − T ≦ t ≦ t 0 ＋ T の区間で各時刻 t における各Fig. 3（1），（2）にそれぞれ被験者 A と被験者 B

点｛ x 1 i ，x 2 i ｝の速度｛v（ x 1 i ; t ）, v（ x 2 i ; t ）｝を算出しのビーム番号 2 についての R 波周辺の解析結果をた（Fig. 1c）．解析時間区間 T は，心臓壁運動の超示す．これらの解析結果はそれぞれ心電図 R 波周

音波ビームに直交する成分 の影響を避けるために

辺の± 160 ms，± 170 ms の区間を解析することで短時間に設定した．本報告では，設定した各層が各得られた．Fig. 3（a）は式（1）により得られたス

時刻にどれだけ厚さを変化させているかを評価する

トレインレートを M モード像上にカラー表示したために，ストレインレートを導入した ．時刻 t にものである．カラーコーディングは Fig. 3（a）左おける右室面から i 番目の層のストレインレート Si

側のカラーバーに示す．青色は厚みが増加している（t ）は，その上端と下端の速度 v（ x 1 i ; t ），v（ x 2 i ; t ）ことを，黄色は厚みが減少していることを示す．

を用いて次式で与えられる .

Fig. 3（b），（c）はそれぞれ心電図と心音図である．

9）8）v（ x 2 i ; t ）−v（ x 1 i; t ）S（t）＝［（m/s）/m］iΔdFig. 3（d），（e）はそれぞれ心室中隔壁と左心室後（1）壁内に設定した各層の上端の点の振動速度を重ねて表示している．

分子は各層の上端と下端の点の速度差を，分母はFig. 3 において，心室中隔壁で心電図の R 波の約層の初期厚さを表し速度差を正規化している．すな

30 ‑ 40 ms 前に厚みが増加しているが，その後等容

わち，S（t）は i 番目の層に関して時刻 t におけるi性収縮期において約 60 ‑ 70 ms の拡張に伴う厚みの単位長さ当りの厚み変化速度を表わしている．左室減少を経て，再び収縮する過程が見られた．R 波以後壁についても同様にしてストレインレートを算出

前に見られる厚みの増加は，心電図 Q 波のタイミした．算出したストレインレートはカラーコーディ

ングにほぼ一致しており心筋の収縮によるものと考ングを用いて M モード像上に表示し，心筋局所のえられるが，心房収縮期における心室の拡張が壁の収縮あるいは弛緩の時間変化を観察出来るようにし弾性により戻るという現象であるとも考えられ今後た.

も検討が必要である．一方，同じタイミングにおい
3．

3. 1

結

心電図 R 波周辺のて左室後壁では壁内で厚みの増加と減少の混在が見果られた．これらの移行過程において心室中隔壁と左計測結果

Fig. 2a, b にそれぞれ被験者 A（22 歳男性健常者）

室後壁それぞれの壁内で深さにより数十 ms の時間差が見られた．と被験者 B（23 歳男性健常者）の B モード像を示
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441

Fig. 3In vivo experimental results around the R-wave.（1）Subject A.（2）Subject B.（a）:Strain rate, S（, superimposed on the M-mode image.（b）: Electrocardiogrami t）（ECG）.（c）: Phonocardiogram（PCG）.（d）: Superimposed estimates of the velocity signals at multiple points along the beam in the interventricular septum（IVS）.（e）: Superimposed estimates of the velocity signals at multiple points

along the beam in the posterior wall（PW）

3. 2

心音図第Ⅱ音周辺の計測結果

Fig. 4（1），（2）にそれぞれ被験者 A と被験者 Bの心音図第Ⅱ音周辺の解析結果を示す．Fig. 4（a）‑（e）は Fig. 3（a）‑（e）にそれぞれ対応している．

Fig. 4a のストレインレートの時間変化から，収縮室側が左室側に対して約 15 ‑ 30 ms，左室後壁においては心外膜側が心内膜側に対して約 100 ‑ 130 ms
先行している．
3. 3 心電図 R 波から心音図第Ⅱ音にかけての 2次元ストレインレート分布から弛緩に移行するタイミングは，心室中隔壁と左各超音波ビームにおけるストレインレートを算出

室後壁それぞれの壁内においても深さにより異なるした後に，それらをフレーム毎の B モード像上にことが分かる．具体的には心室中隔壁においては右カラーで表示することで 2 次元ストレインレート分

442

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Fig. 4

In vivo experimental results around the second heart sound.（1）Subject A.（2）Subject B.（a）: Strain rate, S（t）
, superimposed on the M-mode image.（b）:iElectrocardiogram（ECG）.（c）: Phonocardiogram（PCG）.（d）: Superimposed
estimates of the velocity signals at multiple points along the beam in the interventricular septum（IVS）.（e）: Superimposed estimates of the velocity signals atmultiple points along the beam in the posterior wall（PW）

布を得た．R 波から第Ⅱ音周辺にかけての連続するした．Fig. 5, 6 の被験者 A，B の移行過程から，特フレームの 2 次元空間分布から，収縮から弛緩へのに左室後壁において強い収縮が心尖部側から心基部移行過程を示すフレームを抽出したものを，被験者側へ移行し，弛緩も心尖部側が心基部側に対して先A と B に関して各々 Fig. 5, 6 に示す．Fig. 5, 6 下行していることが分かる．

部に示したグラフは各超音波ビーム上における左室内腔幅の時間変化を表す．この内腔幅の時間変化は，

3. 4 心音図第Ⅱ音周辺の 2 次元ストレインレー
ト分布

位相差トラッキング法により得られた左室後壁と心Fig. 7 に心音図第Ⅱ音周辺の 2 次元ストレインレー

室中隔壁それぞれの左室内腔側の変位の差から算出

ト分布を，被験者 A，B に関して示す．第Ⅱ音周辺

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443

Fig. 5Two-dimensional distribution of strain rate from the R-wave to the second heart sound for subject A.（a）Time
of the R-wave.（b）Isovolumic contraction phase.（c）Early ejection phase.（d）Middle ejection phase.（e）Late ejection phase.（f）Isovolumic relaxation phase. The lower graph shows temporal change in width of theLV chamber along each ultrasonic beamにおいて収縮から弛緩に移行する過程を観察した．

ことも観察された．

心室中隔壁においては心基部側から心尖部側へ，左4． 考心室後壁においては心尖部側から心基部側へ移行し察ていく様子が見られた．また，大動脈弁が閉じるタ

4. 1

イミング に先行して収縮から弛緩へ移行している

Fig. 5, 6 に示した収縮から弛緩への一連の移行過10）444

心周期の各相における特徴と生理学的考察

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Fig. 6

Two-dimensional distribution of strain rate from the R-wave to the second heart sound for subject B.（a）Timeof the R-wave.（b）Isovolumic contraction phase.（c）Early ejection phase.（d）Middle ejection phase.（e）Late ejection phase.（f）Isovolumic relaxation phase. The lower graph shows temporal change in width of theLV chamber along each ultrasonic beam

程についてその特徴と生理学的考察を述べる．

た．

Fig. 5（a），6（a）は心電図 R 波のタイミングに

Fig. 5（b），6（b）は等容性収縮期に対応する．

おける 2 次元ストレインレート分布である．左室後心室中隔壁においては右室側で厚みが減少している

壁において，心尖部側は厚みが増加（青）しているのに対して，左室側では厚みが増加している．また，のに対して心基部側では厚みの減少（赤）が見られ

R 波のタイミングですでに厚みが増加していた部位

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が等容性収縮期において厚みが減少していることがるかを調べ，移行過程との関係について考察する．

観察された．この厚みの減少は Fig. 5, 6 下図のグ

Fig. 8 に各超音波ビーム上における左室後壁の左ラフにおける左室内腔幅の増加に対応し，特に心基室内腔側の点が，心電図 R 波のタイミングから最部側でより顕著である．これは次の駆出期に備えても左室内腔側に変位するまでの時間をプロットした

心尖部側が収縮し左室圧が上昇した結果，収縮が進グラフを示す．この遅延時間は Fig. 8 右上図に示んでいない心基部側が拡張したことによると考えらすように，各ビーム上において左心室後壁の左室内れる．

腔側の点に位相差トラッキング法を適用することでFig. 5, 6 の（c），（d）はそれぞれ駆出期の前半と内腔側への変位のピークを検出し算出した．被験者中盤に対応する．Fig. 5（c）
，6（c）では，左室後A，B についてそれぞれ 3 拍分，2 拍分の結果を重壁においては全体的に厚みの増加が顕著で強く収縮ねて表示している．グラフより心尖部側が心基部側しており，Fig. 5（d），6（d）のタイミングではそよりも早いタイミングで内腔側に最も変位しており，の強い収縮が心基部側に移行していることが観察さ収縮・弛緩が心尖部側から心基部側へ移行することれた．また，Fig. 5（c），6（c）では心尖側においに対応していることが分かる．これより，左心室後て心室中隔壁と左室後壁の左室内腔側で厚みの減少

壁は心尖部側から血液を押し出すように動作していが見られるが，これは心尖側が強く収縮し内腔の血ると考えられる．

液を圧縮した結果，その反作用を受け厚みが減少し5． 結たと考えられる．厚みは減少しているが，心筋は収縮状態にあると考えられる。

語

超音波ビームのスパーススキャンと位相差トラッ

Fig. 5（e），6（e）は心電図 T 波後の収縮後期のキング法を用いることで，心臓壁広範囲の収縮・弛タイミングである．依然駆出期であり左室後壁の心緩の移行特性を高時間分解能（約 600 Hz: 1. 7 ms）

基部側は強く収縮しているが，心尖部側の心外膜側で計測した．心音図第Ⅱ音周辺の収縮から弛緩に移においては厚みの減少が見られ弛緩し始めている様行する過程では，同じ心臓壁内において深さによる子が分かる．

時間差（約 15 ms 以上）が見られた．空間的には心Fig. 5（f），6（f）は大動脈弁閉鎖後の等容性弛

尖部・心基部方向で連続的に収縮から弛緩に移行し緩期に対応する．左室後壁の心尖部側や心基部側のていく過程が見られ，効率的な血液拍出を可能にし心外膜側では弛緩が見られ，左室内腔幅のグラフにていると考えられる．

おいても心尖部側での拡張が確認出来る．これは急ストレインレートの計測により得られる厚みの増速流入期に備えるために左室内腔を拡張させ左室圧加・減少が必ずしも心筋の収縮・弛緩と対応していを減少させる動作と考えられる．一方で，心基部側ない時相もあるため，ストレインレートの分布からの心内膜側では依然収縮を持続させており左室内腔心筋の状態を推定するには生理学的な機能を考慮にも圧縮された状態を維持している．

入れる必要がある．見かけ上厚みが減少していても以上の一連の移行過程から，特に左室後壁におい心筋は収縮状態にある可能性も考えられ，特に同一て収縮初期に心尖部側が強く収縮し，収縮期の間を壁内で厚みの増加と減少が混在するような時相にお通してこの収縮が心尖部側から心基部側に移行していては，その生理学的解釈について今後も検討していくことが分かった．この動作により，効率的に血いく必要がある．また，心電図 R 波周辺の解析で液を拍出するのを可能にしていると考えられる．収は複雑な変化が見られ，収縮開始の機序については縮と同様に弛緩においても，心尖部側が心基部側に明らかにすることは出来なかった．今後は心尖アプ対して先行していることが観察された．この動作は，ローチにより心尖・心基部方向の空間分解能を向上

次の急速流入期に備えて左室圧を減少させることにさせた解析を行い，収縮開始の機序を検討する必要寄与していると考えられる．

がある．

4. 2

左心室後壁の移行過程と壁の変位の関係

左室後壁においては収縮・弛緩が心尖部側から心基部側に移行する傾向が見られた．ここでは，左室後壁の左室内腔側が収縮期の間にどのように変位す446

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Fig. 7

Two-dimensional distribution of strain rate around the second heart sound.（1）Subject A, transition
from contraction to relaxation every 16 ms.（2）Subject B, transition from contraction to relaxation
every 17 ms

Fig. 8The delay time from the R-wave to the frame, at which the LV-side of the posterior wall shows themaximum displacement toward the LV chamber along each ultrasonic beam.（1）Subject A.（2）Subject B. The upper right ﬁgure shows the strain rate of the posterior wall superimposed on M-mode
image along a certain beam, and the white arrow corresponds to delay from the R-wave. Times（a）,（b）,（c）and（d）shown by arrows in the ﬁgures correspond to those in Fig. 7

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447

文献
1） Sutherland GR, Salvo GD, Claus P, et al. Strain andstrain rate imaging: a new approach to quantifying
regional myocardial function. J Am Soc Echocardiogr
2004;17（7）:788‑802.
2） Sutherland GR, Stewart MJ, Groundstroem KW, et al.
Color Doppler myocardial imaging: a new techniquefor the assessment of myocardial function. J Am Soc
Echocardiogr 1994;7（5）:441‑58.
3） Heimdal A, Stoylen A, Torp H, et al. Real-time strain
rate imaging of the left ventricle by ultrasound. J Am
Soc Echocardiogr 1998;11:1013‑9.
4） Miyatake K, Yamagishi M, Tanaka N, et al. New
method for evaluating left ventricular wall motion bycolor-coded tissue Doppler imaging: in vitro and invivo studies. J Am Coll Cardiol 1995;25（3）:717‑24.
5） Palka P, Lange A, Fleming AD, et al. Doppler tissue
imaging: myocardial wall motion velocities in normal
subjects. J Am Soc Echocardiogr 1995;8:659‑68.
6） Gorcsan J 3rd, Gulati VK, Mandarino WA, et al. Color-448

coded measures of myocardial velocity throughout thecardiac cycle by tissue Doppler imaging to quantify
regional left ventricular function. Am Heart J 1996;131（6）:1203‑13.
7） Kanai H, Sato M, Koiwa Y, et al. Transcutaneous
measurement and spectrum analysis of heart wall
vibrations. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr FreqControl 1996;43（5）:791‑810.
8） Kanai H, Hasegawa H, Chubachi N, et al. Noninvasive
evaluation of local myocardial thickening and its colorcoded imaging. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq
Control 1997;44（4）:752‑68.
9） Dʼhooge J, Konofagou E, Jamal F, et al. Twodimensional ultrasonic strain rate measurement of thehuman heart in vivo. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr
Freq Control 2000;49（2）:281‑6.
10） Kanai H, Yonechi S, Susukida I, et al. Onset ofpulsatile waves in the heart walls at end-systole.
Ultrasonics 2000;38:405‑11.

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