Imaging of Propagation of Electric Excitation and Shear Waves in Human Heart

摘要

我々はすでに，摘出したラット心臓の乳頭筋において，電気的刺激の約15ms後に，心筋の収縮に伴うパルス状の振動が心筋に生じることを観察している．もし，電気的興奮の伝導によって自発的に生じるこうした心臓壁振動を超音波によって体表から観察できれば，疾患による細胞の電気的ポテンシャルの傷害などを非侵襲に検出することが可能となり，従来にはない画期的な診断技術となり得る．本報告では，心電図のR波のタイミングに心臓壁に生じる微小な振動の空間分布を，次のようなin vivo実験において非侵襲に計測し可視化する．心臓壁の速度波形の超音波計測によって，電気的興奮または心臓弁の閉鎖によって生じたパルス状の振動波形を検出する．超音波ビームを粗く走査することによって，心臓壁内に設定した数千個の点に関して，400Hz程度の高いフレームレートで振動波形を計測することが可能である．これらの点における波形の瞬時位相を空間的に内挿し，得られた位相の空間分布を時系列的に並べることによって，壁に沿った波形の伝搬を可視化することができる．5人の健常な被験者に適用した結果，長軸像，短軸像，心尖アプローチのいずれにおいても仁パルス状振動の伝搬が観察された．特に心電図Q波の直後に，プルキンエ線経の末端のある乳頭筋に近い心尖部付近から伝搬が始まり，基部方向に1-2 m/sの伝搬速度で伝搬している．これは，電気的興奮の伝搬速度と対応する．心電図のR波の後には，別のパルス状波形が逆方向に伝搬している．この振動には速度分散性があること，50Hz成分が数m/sの伝搬速度をもつことから，僧帽弁閉鎖に伴う横波伝搬と考えられる．心筋梗塞による心筋の虚血部分・障害部分・壊死部分は，各々活動電位の脱分極・再分極の様子が異なるため，この波動伝搬は，心筋の粘弾性とは別に，心筋の興奮伝導の空間的評価や心筋の障害の程度の診断に利用できる可能性がある．%We have already shown that the pulsive vibration is excited on the myocardium 15 ms after the electrical stimulation to an isolated heart. If the heart wall vibration caused by spontaneous electric excitation is visualized using ultrasound, the regional cell damage regarding electric potential due to diseases can be noninvasively detected. In this study, the spatial distribution of the minute vibration caused just around R-wave of ECG is visualized in in vivo experiments as follows: By the ultrasonic measurement of the myocardial motion, we detect pulsive waves spontaneously caused by electrical excitation or valve closure. Using a sparse sector scan, the waves are measured almost simultaneously at several thousand points set in the heart wall at a high frame rate (400 Hz). The consecutive spatial distributions of the interpolated phase of the waves reveal wave propagation along the wall. The propagation time is several ms, which is too short to be detected by conventional methods. The spontaneously driven pulsive waves and their propagations were clearly visible in 5 healthy subjects in the longitudinal-axis, short-axis, and apical views. Just after the Q-wave of ECG, the propagation started from the apex to the base side of the heart. Its propagation speed was slow (1-2 m/s for 20-100 Hz), which shows the propagation of electrical excitation. Then, after R-wave of ECG, another pulsive wave started to propagate reversely from base to apex. Since its speed was several m/s for about 50 Hz but there was dispersion, this is the shear wave caused by the mitral-valve closure. The method noninvasively reveals the propagation of electrical conduction wave by measuring regional myocardial response to it in human heart, which will be a novel tissue characterization of the heart.