【背景】

　心筋の超音波検査による組織診断ultrasonic tissue characterizationは、心筋生検に代わる非侵襲的な方法として以前より多くの研究者が検討してきた。現在、超音波の通常の反射波よりも細かい組織情報を反映する超音波後方散乱信号integrated backscatter (IBS)を用いて、周期性変動cyclic variationを測定する方法が注目されている。他のgray scaleを用いた方法と異なり、GainやTGCなどの超音波機器の設定や胸壁の状態などにかかわらずcyclic variationは一定であり、心筋組織の性状を定量的に測定可能なシステムとして開発され注目されている。

　心筋細胞レベルでの収縮能の低下、弾性特性の障害、線維化あるいは浮腫などによってIBSの周期性変動cyclic variation値が低下することより定量的な評価が行われており、内科領域では、虚血性心疾患、各種心筋症などの心筋障害の評価に応用されている。しかしながら、小児科領域での報告は今だに少なく臨床的にほとんど使用されていない。

　また、一方では、心臓手術時の心筋障害が、術後の管理上に重要な問題となっている。特に、肥大心筋、心筋の未熟性、先天性心奇形の重篤な病態などが心筋障害の誘因となり、大動脈遮断時間や人工心肺時間の延長は、それだけ心筋代謝に異常をきたす可能性がある。人工心肺を使用した低体温法や大動脈遮断時に使用される優れた心筋保護液の開発などによって、心臓手術時の心筋保護法の改善がこれまでになされてきた。しかしながら、術後心筋障害の程度の判定は、CK-MBの上昇や低心拍出量症候群の重症度などから推定されてきたが、術後心筋障害の程度を適切に定量的に評価する方法は確立されていない。

【目的】

　今回、心臓手術を受ける小児の症例に対して、術前と術後早期にIBSを用いた超音波検査を行うことにより、小児科領域におけるIBSによる超音波心筋組織性状診断の応用を試み、心臓手術による心筋障害の評価を行うことを目的とした。また、同時に従来の超音波検査を施行し、これまでの超音波検査法によるデータとの関連についても合わせて検討を試みた。

【対象と方法】

　当院における小児の心臓手術例で、術前と術後早期に胸壁からの超音波検査が可能な症例45名を対象とした。IBSのシステムが装備された超音波検査機器Sonos 5500を用いて、一般の心エコー検査と同時にIBSによるデータを術前および術後に測定した。周期性変動cyclic variation (CV)は、超音波機器の設定条件によらず一定の値を示すと言われるが、できる限り測定条件を同一とするために、記録時の探触子は全例にS8 (3-8 MHz)を使用した。また、全体のgainとTGC (time gain compensation)の設定も統一したものとした。経胸壁的にIBSによる心臓の長軸断面を記録し、左室後壁の僧帽弁先端レベルに21x21 pixelsサイズの関心領域region of interest (ROI)を置いてIBS値の計測を行った。全ての症例につき3回ずつ測定して、その平均値をデータとして用いた。特に、心筋組織の性状を反映するCV値の術前後の変化を中心に検討した。また、各症例の手術に関連したprofile(表1)と共に、従来の心エコー検査による心機能データも合わせて測定して、IBSによるデータと比較した。

【結果】IBSのシステムによるデータは、小児45症例中44症例において術前術後の計測が可能で、術前と術後でCV値に有意差を認めた(表2)。

　また、術前CVは、LV mass index (LVMI)と明らかな負の相関関係があった(r=-0.448,p=0.0056)。一方、術後CVは、人工心肺時間(CPB)と有意な負の相関があったが(r=-0.392,p=0.0081)、大動脈遮断時間(ACC)との有意な相関はなかった。術後CVの術前CVに対する比(post/pre CV)は、手術手技によって有意な差異を認め、CPBが長いにもかかわらずFontan群は、心内修復群(ICR)と他の非心内修復群(NICR)の3群で比較して明らかに値が高値だった(p<0.05)。また、Fontan群は、他のチアノーゼ疾患群、非チアノーゼ疾患群の3群で比較しても、post/pre CVが高値だった(p<0.05)。Fontanを除いた症例でpost/pre CVは、CPBと負の相関があった(r=-0.346,p=0.033)。術後のCKの心筋関連アイゾザイムの最高値(peak CK-MB)は、ACCおよびCPBに従属していた(R2=0.504, p<0.0001, Y=28+0.66XおよびR2=0.282, p=0.0017. Y=29+0.22X)。peak CK-MBは、post/pre CVと明らかな相関関係はなかったが、peak CK-MBの値を35 IU/1(CPB=0の症例の上限値)で2群に分けてpost/pre CVの値を比較したグラフで有意差があった。従来の心エコー検査による心機能測定値(SF, EF, Vcfc, Tei indexなど)は、CVのデータおよび各症例の手術に関連したprofile(CPB, ACC,手術手技など)と明らかな相関を認めなかった。

【考察】Fontan症例群は、他の群と比較して、CPB timeが長いにもかかわらず、post/pre CVが高値であり、術後のcyclic variationが他群と異なり改善している。これは、Fontan手術による心臓の前負荷および後負荷の改善に加え、チアノーゼが消失し、血液中の酸素飽和度が上昇していることと、基本的に心外修復術であり、直接の心筋への侵襲がすくないことなどが関係している可能性がある。CPB timeとpost/pre CVの関係は、上記に記したFontan症例の特殊性を考慮し、Fontan症例を除くと有意な相関関係がある。CPB timeとpost CVとにも有意な相関関係があり、CPB timeの上昇とともにpost/pre CVとpost CVは低下する。また、同様の関係を、ACC timeで検討しても有意な相関は認められなかったが、ある程度の負の相関傾向を示した。以上より、術後のcyclic variationは、CPB timeの上昇にともなって生じる心筋組織の何らかの変化を反映して低下する可能性が示唆された。

　また、peak CK-MBは、確かに、CPB timeやACC timeと有意な相関があり、手術による心筋障害を示す指標として有用なものと考えられる。今回post/pre CVと有意な相関関係ではなかったが、負の相関傾向を示しており、また、peak CK-MBの値を35 IU/1(CPB time=0の症例の上限値)で2群に分けてpost/pre CVの値を比較したところ、有意差があった(post/pre CVの値が、peak CK-MB高値の群で低下していた)。peak CK-MBとpost/pre CVに有意の相関を示さなかった理由として、測定時期の相違、または、post/pre CVの値の低下が、peak CK-MBを上昇させる直接の心筋細胞障害による細胞レベルの収縮能の低下、弾性特性の障害によるものよりも、むしろ二次的に生じる浮腫による影響が大きかった可能性などが推測される。上記仮説は、従来の心エコーの心機能を示す測定値が、術後に明らかな低下を示さず、post/pre CVの値と相関が認められなかったことに矛盾しないと思われる。つまり、主に二次的に生じた浮腫によってpost/pre CVの低下が生じたために、細胞レベルの収縮能は比較的良好に保たれており、従来の心機能測定値に大きな影響を及ぼさなかったという可能性も推測される。

　一方、LVMIとpost/pre CVの有意の相関はなかった。一般に、肥大心筋が手術時の心筋障害が生じやすいと言われているが、少なくとも、今回のデータでは、心筋組織の状態を反映しうると考えられているcyclic variationの変動が肥大心筋の方により大きく現れるという結果にはならなかった。

【結論】Integrated backscatterを用いて、小児心臓手術後の心筋障害の評価を試み、以下のような結果が得られた。

1)　経胸壁的なintegrated backscatterにおけるcyclic variationの測定は、小児の手術前後において比較的容易であった。

2)　Cyclic variationは、手術後に変動を示し、人工心肺時間の延長とともに低下する傾向を認めた。今回の検討では、大動脈遮断時間とは明らかな相関は認められなかった。

3)　Fontan手術施行群は、他の疾患群と異なり、術後のcyclic variationが上昇する傾向を認め、術後早期の心筋組織状態の改善が示唆された。

4)　肥大心筋に、術後のcyclic variationの変動が大きいという傾向は認められなかった。

5)　今回の検討では、従来の心臓超音波検査データとintegrated backscatterのデータとの間に、明らかな相関関係は認められなかった。

表1.症例のprofile

SV single ventricle, PAVSD pulmonary atresia and VSD, ICR intracardiac repair.

表2.IBS値の結果　*p<0.01

　本論文は、心筋生検に代わる非侵襲的な方法として多くの研究者が検討してきた心筋の超音波検査による組織性状診断ultrasonic tissue characterizationの中で、現在最も注目されている超音波後方散乱信号integrated backscatter (IBS)の周期性変動cyclic variationを測定する方法を小児科領域に応用したものである。

　本論文では、心臓手術を受ける小児の症例に対して、術前と術後早期にIBSを用いた超音波検査を行うことにより、心筋細胞レベルでの収縮能の低下、弾性特性の障害、浮腫などによってIBSの周期性変動cyclic variation値が低下することを用いて定量的な解析を行い、小児心臓手術後の心筋障害の評価を行うことを試みたものであり、下記の結果を得ている。

1)　超音波後方散乱信号integrated backscatterにおける周期性変動cyclic variationの測定は、これまで、内科領域では、虚血性心疾患、各種心筋症などの心筋障害の評価に応用されていたが、小児科領域での報告は今だに少なく臨床的にほとんど使用されていなかったため、小児科領域への応用が困難であることも予測されたが、小児の心臓手術前後において経胸壁的な、測定は比較的容易であった。

2)　Integrated backscatterにおけるcyclic variationの測定値は、手術の前後で変動を示し、大部分の心臓手術において不可欠な人工心肺cardiopulmonary bypassの使用時間の延長とともに低下する傾向を認め、人工心肺時間の延長と心筋組織の手術による変化との関連が推定された。また、今回の検討では、大動脈遮断時間とcyclic variationとの間には、明らかな相関関係は認められなかった。

3)　Fontan手術(total cavopulmonary anastomosis)施行群は、他の疾患群と異なり、術後のcyclic variationがむしろ上昇する傾向を認め、術後早期の心筋組織状態の改善が示唆された。この結果は、Fontan手術によって、動脈血酸素飽和度の改善や心臓の前負荷および後負荷の軽減が期待できることと、また、現行のFontan手術が基本的に心外修復術であり心筋への直接侵襲がないことなどによると推定される。

4)　内科領域では、以前より肥大した心筋に、手術時の心筋障害が生じやすいという報告がなされていたが、今回の検討では、肥大した心筋の方が、よりcyclic variationの変動(低下)が大きいという傾向は認められなかった。

5)　今回の検討では、従来の心臓超音波検査データ(EF, ejection fraction、FS, fractional shortening、Tei index, total ejection isovolume indexなど)とintegrated backscatterのデータとの間に、明らかな相関関係は認められなかった。このことは、integrated backscatterのデータは、従来の超音波検査データとは異なる観点より心臓の状態を把握しているものと推定される。

　以上、本論文は、超音波後方散乱信号integrated backscatter (IBS)の周期性変動cyclic variationを測定する方法を小児科領域に応用し、小児心臓手術後の心筋障害の評価を行うことを試みることによって、上記のような結果を得た。このことは、超音波組織性状診断ultrasonic tissue characterizationの臨床応用の遅れている小児科領域において、その応用と発展を促し、また、小児心臓術後の心筋障害の評価と管理の分野に、臨床上の重要な貢献をなすと考えられ、学位の授与に値するものと考えられる。