[論文レビュー] Physical description of the blood flow from the internal jugular vein to the right atrium of the heart: new ultrasound application perspectives

Francesco Sisini|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Ultrasound in Clinical Applications参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Womersley方程式および圧力波の伝播を用いた物理モデルを提案し、非侵襲的血行動態信号から頸静脈内静脈（IJV）における血液の血流速度を推定する。ECGのP波と頸静脈圧（JVP）a波のピーク間の時間遅れを分析することで、脈波速度（164 cm/s）を算出し、コンプライアンスおよび圧力勾配を導出し、Doppler超音波測定と良好な一致を示すIJV血流速度を予測する。非侵襲的血行動態評価のための画期的で物理的根拠に基づくアプローチを提供する。

ABSTRACT

This is a self-published methodological note distributed under the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. The note contains an original reasoning of mine and the goal to share thoughts and methodologies, not results. Therefore before using the contents of these notes, everyone is invited to verify the accuracy of the assumptions and conclusions.

研究の動機と目的

• 脳から右心房への内部頸静脈（IJV）における血液の血流の物理的モデルを開発すること。
• 圧力波動のダイナミクスを用いて、直接的なDoppler測定なしにIJVにおける瞬時の血液速度を推定すること。
• 物理的インフォームドなアプローチにより、実験的Dopplerデータと照合することで、モデルの予測を検証すること。
• ECGおよびJVP波形のタイミングを用いて、脈波速度や血管コンプライアンスなどの血行動態パラメータを推定する可能性を検討すること。

提案手法

• 時間的に変化する圧力勾配を関数として、IJVにおける脈動的血液の流れをモデル化するためのWomersley方程式を用いる。
• 右心房からIJVスキャン部位への圧力波の伝播をモデル化するため、波動方程式（∂p/∂z = (1/c)∂p/∂t）を適用する。
• ECGのP波とJVPのa波ピーク間の時間遅れ（∆taQP）から脈波速度（c）を算出する。
• Moens-Korteweg方程式を用いて、IJVの最小断面積（CSAx）から単位長さあたりのコンプライアンス（C′）を導出する。
• 時間変化するIJV断面積（dCSA/dt）とC′を用いて、圧力勾配を計算する。
• 導出された圧力勾配を用いてWomersley方程式を解き、時間および位置の関数としての瞬時の血液速度w(t, z)を予測するが、一定のオフセットで正規化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ECGのP波とJVPのa波ピーク間の時間遅れを用いて、IJVにおける脈波速度を推定できるか？
• RQ2 IJV断面積の変化から導出された圧力勾配によって駆動される場合、Womersley方程式がIJVの血液速度をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 IJVの断面積変動から推定される血管コンプライアンスは、血行動態予測の精度にどのように影響するか？
• RQ4 直接的な速度測定なしに、ECGおよびJVP信号のみに依存して、Dopplerで測定された速度トレースを再現できるか？

主な発見

• 右心房からスキャン部位までの距離23 cm、測定された遅れ0.14 sを用いて、IJVにおける脈波速度は164 cm/sと算出された。
• 最小断面積0.2 cm²を用いて、IJVの単位長さあたりのコンプライアンスは9.8×10⁻³ cm²/mmHgと推定された。
• Womersleyモデルを用いて予測された血液速度トレースは、実験的Doppler超音波測定と強い定性的な一致を示した。
• モデルは時間および位置の関数として速度を予測するが、絶対値は加法的定数のオフセットを持つため、物理的に意味のあるのは波形の振幅のみである。
• 本手法により、非侵襲的ECGおよびJVP信号のみから、圧力勾配や血流速度などの血行動態パラメータを推定可能である。
• 本アプローチは、Doppler超音波に依存しない非侵襲的で物理的根拠に基づく血行動態モニタリングの実現可能性を示している。