<Doppler quantitation in aortic stenosis and regurgitation>

서론

심초음파는 비침습적인 검사로서 안전하게 반복적으로 시행할 수 있는 장점이 있기 때문에 다양한 심장 질환의 진단과 치료 방침의 결정에 중요한 역할을 하고 있다. 특히 심장 판막 질환에 있어서는 해부학적인 진단뿐만이 아니라 기능적, 혈역학적인 정보를 제공해 주기 때문에 적절한 치료와 수술 시기의 결정에 매우 중요한 역할을 한다.

특히 1980년 대 이후 도입된 도플러 심초음파는 이전에 침습적인 심도자술과 조영술로만 얻을 수 있었던 여러 혈역학적인 정보들을 정확하게 평가할 수 있게 해 줌으로써 상당히 긴 자연 경과 기간을 가지고 있는 판막 질환 환자들의 추적 관찰을 용이하게 해 주었다.

이에 여기에서는 대동맥판 협착증과 폐쇄부전증에서의 도플러 심초음파를 이용한 정량적 평가 방법에 대하여 알아보고자 한다.

Doppler quantitation of aortic stenosis

1. Bernoulli equation

대동맥판 협착증의 정도를 평가하는 방법중 가장 보편적으로 사용되는 판막 사이의 압력차는 대동맥판의 혈류속도를 측정하여 단순화된 Bernoulli equation으로 구할 수 있다. 이는 에너지 보존의 법칙에 근거하고 있다. 유체가 이행할 때 각 부위에서의 전체에너지는 압력에너지, 운동에너지 및 위치에너지의 합으로 표현될 수 있고 이 두 부위에서의 전체 에너지의 양은 에너지 보존 법칙에 의하여 같다.

이를 수식으로 나타내면

P1 + 1/2rV12 + rgh1 = P2 + 1/2rV22 + rgh2 이 되고

여기에서 위치에너지에는 차이가 없으므로 위치에너지 항을 소거하면

P1 + 1/2rV12 = P2 + 1/2rV22

P1 - P2 = 1/2r (V22 - V12) 이 되고

여기서 1/2r ≅ 4 이므로

P1 - P2 = 4 (V22 - V12) 으로 나타낼 수 있다.

일반적으로 협착전의 혈류속도는 협착후의 혈류속도에 비하여 현저히 적기 때문에 이를 무시하면 P1 - P2 = 4 V22 로 단순화될 수 있다. 그러나 aortic regurgitation이나 빈혈 등이 동반되어 stroke volume이 증가되어 있는 경우에는 V1도 무시할 수 없을 정도로 증가하기 때문에 단순화한 Bernoulli equation을 이용하여 구한 pressure gradient는 overestimation 되게 된다.

Fig. 1 Diagram of blood flow through a narrowed orifice to illustrate the Bernoulli equation, which measures pressure gradient across the orifice using blood flow velocity.

2. Peak flow velocity and pressure gradient

협착이 심할수록 두 chamber 사이의 압력차는 커지고 압력차가 커질수록 flow velocity는 증가한다. 대동맥판 협착의 평가에 가장 기본이 되는 방법이 peak flow velocity의 측정이다. Peak flow velocity를 측정하기 위해서는 ultrasonic beam을 flow의 방향과 가장 평행하게 맞추는 것이 중요하다. 이를 위해서는 일반적으로 사용되는 apical window 뿐만 아니라  left parasternal, right parasternal, suprasternal notch 등 다양한 window에서의 측정이 필요하다.

Peak flow velocity의 측정은 가장 간단한 방법이기는 하지만 여러 가지 고려해야할 사항이 있다. 이는 stroke volume에 의해서 영향을 받게 된다. 같은 정도의 협착이 있더라도 대동맥판 폐쇄부전이 동반되어 있거나 빈혈 등이 있어 심박출량이 증가되어 있는 경우에는 flow velocity가 높게 측정되며, 반대로 좌심실 기능 부전이 있어 심박출량이 감소되어 있는 경우에는 flow velocity가 낮게 측정된다.

위에서 설명한 단순화된 Bernoulli equation에 의해 peak flow velocity로부터 쉽게 peak pressure gradient를 구할 수 있다. 여기서 고려해야할 점은 이렇게 구한 peak pressure gradient는 cardiac catheterization으로 구한 peak-to-peak gradient가 아니라 instantaneous pressure gradient라는 점이다. 따라서 이는 peak-to-peak gradient에 비해서 일관되게 overestimation되는 경향이 있다. 따라서 peak gradient보다는 mean gradient를 사용하는 것이 더 정확한 비교가 가능하다.

Fig 2. Diagram of pressure tracings of left ventricle and aorta in aortic stenosis along with the corresponding Doppler velocity spectrum.

3. LVOT-to-aortic valve(AoV) time velocity integral(TVI) ratio

심박출량에 따른 flow velocity와 pressure gradient의 영향을 보정하기 위하여 LVOT-to-AoV TVI ratio를 사용할 수 있다. 심박출량에 따라 AoV의 flow와 LVOT의 flow는 비례하여 증감하기 때문에 이 값은 stroke volume의 변화에 영향을 덜 받게 된다. 그러나 수치고 cardiac output이 감소되어 aortic valve의 opening이 충분치 않은 경우에는 overestimation 될 수 있다.

4. Continuity equation

Shunt가 없다면 aortic valve의 flow는 LVOT의 flow와 같기 때문에 continuity equation에 의하여 직접 AVA를 구할 수 있다.

Flow across LVOT = Flow across aortic valve

LVOT area x TVILVOT = AVA x TVI x TVIAV

LVOT D2 x 0.785 x TVILVOT = AVA x TVIAV

AVA = (LVOT D2 x 0.785 x TVILVOT) / TVIAV

5. Low-output, low-gradient aortic stenosis

Cardiac output이 감소되어 있는 경우에 같은 정도의 협착이 있다면 pressure gradient는 적게 측정이 된다(underestimation). 그러나 continuity equation으로 AVA를 측정한다면 감소된 stroke volume으로 인해 aortic valve의 opening이 충분치 못해 실제보다 협착이 더 심한 것처럼 측정되게 된다(overestimation). 이러한 경우에 dobutamine echocardiography가 유용하게 사용된다. Dobutamine infusion으로 stroke volume이 증가하면 low-output으로 인하여 완전히 열리지 못했던 aortic valve가 충분히 열리게 되어 정확한 평가를 할 수 있게 된다. 또한 이는 contractile reserve도 평가할 수 있기 때문에 수술 후의 결과를 예측하는데에도 중요한 역할을 한다.

6. Criteria of severe aortic stenosis

(1) Peak aortic valve velocity ≥ 4.5 m/sec

(2) Mean pressure gradient ≥ 50 mm Hg

(3) Aortic valve area ≤ 0.75cm2

(4) LVOT/AoV TVI ratio ≤ 0.25

Doppler quantitation of aortic regurgitation

1. Color flow imaging

color flow imaging이 도입되기 전에는 pulsed wave Doppler를 이용하여 regurgitant jet의 maximal extent 혹은 length를 aortic regurgitation의 grading에 사용했으나 이는 angiography를 이용한 severity와 correlation이 좋지 않은 것으로 알려져 있다. Parasternal short-axis view에서 regurtitant jet area나 width가 훨씬 더 좋은 correlation이 있기 때문에 최근에는 이를 많이 사용하고 있다. 이 경우에 LVOT의 area나 diameter와의 비를 이용하게 되는데 유의 할 점은 regurgitant orifice가 항상 round 하지 않다는 점이다. 즉 regurgitant orifice의 모양에 따라 측정되는 width가 달라질 수 있다는 것이다.

Fig 3. Diagram of color-flow imaging to estimate severity of aortic regurgitation, from parasternal long-axis(left) and short-axis views(right).

2. Continuos wave Doppler

Continous wave Doppler를 이용하여 aortic regurgitant jet의 이완기의 경사를 측정하는 방법이 있다. 이는 mitral stenosis에서 pressure half time(PHT)을 이용하여 mitral valve area를 측정하는 것과 마찬가지로  aortic regurgitant jet의 PHT을 측정하여 aortic regurgitation의 정도를 평가한다. Aortic regurgitant velocity는 이완기의 aorta와 LV 사이의 압력차에 의해 결정되므로 aortic regurgitation이 심할수록 두 chamber 사이의 pressure equalization이 빨리 일어나게 된다. 즉 velocity decay가 빨라져 regurgitant jet의 경사가 심해지므로 PHT은 짧아지게 된다. 일반적으로 PHT이 250 msec 이하이면 severe 한 것으로 평가한다.

그러나 이 수치는 aortic regurgitation의 severity와는 별개로 systemic vascular resistance와 LV compliance에 의해서도 영향을 받게 된다. 즉 같은 정도의 aortic regurgitation을 가지고 있는 환자에서 systemic vascular resistance가 클수록, 그리고 LV compliance가 감소되어 있을수록 regurgitant jet의 velocity decay가 빨리 일어나게 된다.

Aortic regurgitant jet의 Doppler signal의 intensity로 aortic regurgitation의 severity를 평가하기도 하는데 이는 매우 주관적이고 semiquantitative한 방법으로 단일 방법으로 평가를 내리기보다는 다른 여러 평가 방법과 함께 사용하여 종합적인 판단을 내리는 도구로 사용한다.

Fig 4. The reason for shorter deceleration time(or pressure half time) with severe aortic regurgitation is shown in this diagram of LV and aortic pressure trace. With more significant regurgitation, the aortic pressure decay is more rapid and associated with a rapid rise in diastolic left ventricular (LV) pressure.

3. Pulsed wave Doppler

Descending aorta의 pulsed wave Doppler signal을 측정하여 holodiastolic reversal flow가 보이면 severe한 aortic regurgitation으로 판단한다.

4. Continuity equation

Mitral regurgitation이 없다면 mitral valve inflow는 systemic stroke volume과 같다고 할 수 있다. Aortic regurgitation이 없다면 이는 LVOT의 outflow와 같다. Aortic regurgitation이 있는 경우 regurgitant fraction 만큼 LVOT의 outflow가 크다. 따라서 LVOT flow에서 MV flow를 뺀 것이 regurtitant volume이 된다. 각 부위에서의 flow는 각 위치에서의 단면적과 TVI를 곱하여 구한다.

이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

Aortic RegV = LVOT flow - MV flow

= (D2 x 0.785 x TVI) LVOT - (Annulus D2 x 0.785 x TVI) MV

Regurgitant fraction은 aortic RegV을 LVOT stroke volume과의 비율로 나타낸 것이다.

RF = (ortic RegV/LVOT stroke volume) x 100%

Flow volume은 area와 TVI의 곱으로 나타낼 수 있으므로 regurgitant volume을 aortic regurgitant TVI로 나누면 effective regurgitant orifice(ERO)를 구할 수 있다.

이 방법은 여러 가지 parameter를 측정하여야 하며 여러 계산 과정을 거쳐야 하는 복잡하고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 특히 aortic regurgitation의 quantitation에 continuity equation을 이용하려면  mitral regurgitation이 없어야 한다. 또한 LVOT나 mitral annulus가 완벽한 원통형이며 cardiac cycle 동안 diameter의 변화가 없다는 가정이 성립해야 적용이 가능하다. 따라서 mitral regurgitation이 있거나 eccentric jet에 의해서 septum이나 LVOT의 모양이 찌그러져 있는 경우에는 오차가 커질 수밖에 없으며 작은 측정상의 오차도 여러 계산 과정을 거치는 동안 그 오차가 증폭되어 나타날 수 있다.

5. Proximal isovelocity surface area(PISA)

PISA를 이용한 방법은 다음과 같다.

일단 aliasing velocity를 이용하여 aortic regurgitation의 proximal side의 isovelocity hemisphere의 반경을 측정하고 regurgitant flow rate를 구한다.

Regurgitant flow rate (RFR) = 2pr2 x aliasing velocity (Vr)

Effective regurgitant orifice(cm2) = RFR (cm3/sec)/Peak AR velocity(VAR)  (cm/sec)

Regurgitant volume(cm3) = ERO(cm2) x TVIAR(cm)

PISA method는 accelerating flow field이기 때문에 유체역학적으로 더 안정적이고 instrumentation factor나 hemodynamic variable에 덜 영향을 받는 것은 사실이다. 그러나 이는 평면에 뚤린 아주 작은 구멍으로 nonviscous fluid가 역류될 때의 가정 하에 이루어진 방법이다. 실제 lesion에서는 leaflet angle(혹은 inflow angle)이 180。가 아니며 regurgitant orifice의 geometry도 복잡하다. Orifice의 diameter도 dynamic하게 변화할 수 있고 그 position도 시시각각으로 변할 수 있다. PISA method에 의한 quantitation의 정확도는 isovelocity surface의 radius의 측정에 크게 좌우된다. isovelocity hemisphere의 radius는 비교적 작은 수치이고 계산시에 제곱이 되기 때문에 작은 측정상의 오차도 계산된 flow rate에는 상당한 오차를 초래할 수 있다. 또한 flow convergence region의 visualization이 optimal 하게 되지 않는 경우도 흔히 경험하게 된다. 또한 regurgitant orifice가 multiple 하거나 asymmetric 한 경우에는 아예 적용이 불가능하다.

6. Criteria of severe aortic regurgitation

(1) Regurgitant jet width/LVOT diameter ratio ≥ 60%

(2) Regurgitant jet area/LVOT area ratio ≥ 60%

(3) Aortic regurgitation PHT ≤ 250 msec

(4) Holodiastolic flow reversal in the descending aorta

(5) Dense continuous-wave Doppler signal

(6) Regurgitant fraction ≥ 55%

(7) Regurgitant volume ≥ 60 mL

(8) Effective regurgitant orifice ≥ 0.30 cm2

결론

Doppler echocardiography는 valvular disease의 severity 평가에 다양하게 사용되고 있으며 이는 판막 질환을 가지고 있는 환자의 추적 관찰 및 치료 시기의 결정에 매우 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 severity의 평가에 사용되고 있는 많은 방법들이 각각의 제한점과 pitfall을 가지고 있고 gold standard가 없는 실정이다. 따라서 판막 질환의 severity를 평가할 때는 이러한 제한점을 잘 이해하고 Doppler echocardiography 뿐만 아니라 다른 여러 가지 평가 방법을 종합하여 판단하는 comprehensive approach가 중요하다고 하겠다.

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