心臟超聲成像在左室渦流檢測中的應(yīng)用進展

王 婷 張秉宜

近年來有關(guān)心內(nèi)血流的分析越來越受重視。由于無創(chuàng)心血管成像技術(shù)的發(fā)展，使得心內(nèi)血流動力學(xué)的可視化和量化成為可能。研究［1］表明，心內(nèi)渦流的改變與心功能異常有關(guān)，隨著心臟結(jié)構(gòu)和功能的變化而瞬時變化，是心腔內(nèi)血液流動模式的一個敏感指標。血流可視化超聲技術(shù)具有良好的時間分辨率和簡便、易行的特點，在心腔內(nèi)血流測量中的應(yīng)用越來越廣泛。本文就超聲心動圖粒子圖像測速（echocardiography particle image velocimetry，e-PIV）技術(shù)、血流向量成像（vecter flow map，VFM）技術(shù)，以及最近研究熱點中的血液斑點成像（blood speckle imaging，BSI）技術(shù)在左室渦流動力學(xué)檢測中的應(yīng)用進展綜述如下。

一、渦流基本概念及形成機制

渦流是一種繞中心軸做圓周運動或旋轉(zhuǎn)運動的流體結(jié)構(gòu)，能夠儲存旋轉(zhuǎn)時的動能，在自然界廣泛存在，是最高效的能量傳遞方式。渦流的產(chǎn)生與心臟的收縮和舒張運動密不可分。在正常情況下，當血流進入左室時，會形成一個主渦流，右室和左房也會出現(xiàn)這種情況，但由于其幾何形狀較為復(fù)雜，其心室內(nèi)流動特性一直難以評價。左室渦流形成機制可以總結(jié)為：在舒張開始時，左室心肌的松弛和解扭決定了左室壓力低于左房壓力，從而產(chǎn)生一個打開二尖瓣的壓力梯度，促進了血液從左房通過二尖瓣口（吸力效應(yīng)）流入左室的射流，但其本身并不足以產(chǎn)生渦流。事實上，在傳輸過程中，由于流體和固體邊界之間的速度差，在瓣葉后緣形成了一個剪切層，剪切層從左室腔二尖瓣口水平向心尖部輸送并卷起，立即形成一個緊湊的環(huán)形渦結(jié)構(gòu)，即渦流［2］。在縱向橫截面二維視圖中，表現(xiàn)為一對反向旋轉(zhuǎn)的渦流，一個位于二尖瓣前葉（主要部分）的遠端，另一個位于后葉的遠端（次要部分），正常情況下，主前渦順時針旋轉(zhuǎn)，次后渦逆時針旋轉(zhuǎn)。左室渦流的形成是左室的幾何結(jié)構(gòu)、二尖瓣的形態(tài)和正常的傳導(dǎo)系統(tǒng)之間的最佳相互作用的結(jié)果，可以降低心壁的諧波收縮，特別是二尖瓣口的生理偏心位置和瓣葉的對稱性是決定左室渦流的主要因素。理想狀態(tài)下，如果二尖瓣的幾何結(jié)構(gòu)是圍繞左室軸呈縱向?qū)ΨQ，即在軸對稱模型中，渦流應(yīng)是對稱的。然而，二尖瓣口相對于左室的軸線是偏心的，前室較后室長，在這種自然不對稱的幾何結(jié)構(gòu)中，渦流在后部較小，而前部的渦室實際上占據(jù)整個中心，最終于左室內(nèi)形成一個自流入道向流出道的大渦流［3］。

二、超聲技術(shù)在左室渦流檢測中的應(yīng)用

1.e-PIV技術(shù)：是通過靜脈注射低劑量的超聲造影劑，采用超聲波束作為顯像源，利用微泡具有與紅細胞相同的流變特性，并作為血流示蹤劑，以顯示心內(nèi)血管運動［4］。該技術(shù)是用于流體顯像的一種光學(xué)方法，能測量流體的瞬時速度及相關(guān)特性，已應(yīng)用于血流動力學(xué)檢測［5］。Hyperflow軟件是運用對比流分析的大型軟件，基于該軟件的e-PIV技術(shù)已被廣泛運用。Tang等［6］應(yīng)用e-PIV檢查20例擴張性心肌病患者和20例健康志愿者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴張性心肌病患者可觀察到異常的血流模式，且渦旋面積、渦旋深度和渦旋長度均顯著高于健康志愿者，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）。Cimino等［7］應(yīng)用e-PIV技術(shù)比較心臟再同步治療（CRT）無應(yīng)答者與應(yīng)答者分別在CRT開啟（ON）和關(guān)閉（OFF）狀態(tài)下的心室內(nèi)血流動力學(xué)模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CRT-OFF狀態(tài)下，無應(yīng)答者射血分數(shù)、整體縱向應(yīng)變值較低，而收縮不同步指數(shù)和左室收縮容積較高，且能量消耗、渦流面積和渦度波動均較高，與應(yīng)答者比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；在CRT-ON狀態(tài)下，無應(yīng)答者能量耗散、渦面積和渦度波動均較應(yīng)答者進一步增加，同時伴有收縮不同步指數(shù)惡化，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）。表明CRT應(yīng)答者與無應(yīng)答者在渦流形狀和能量特性上均存在差異。該結(jié)論也得到其他研究［8-9］證實。Gürel等［10］應(yīng)用e-PIV分析20例起搏器患者、6例左束支阻滯患者和10例健康對照者左室流型，研究結(jié)果顯示，與健康對照者比較，左束支阻滯患者渦流能量耗散的定量指標（相對強度、渦流相對強度和渦流脈動相關(guān)）均顯著提高（均P＜0.05）；與整個心臟周期有關(guān)的渦流持續(xù)時間較健康對照者縮短（28%vs.44%，P＜0.05），表明左束支傳導(dǎo)阻滯或起搏器刺激引起的傳導(dǎo)延遲干擾了心動周期動能的傳遞，導(dǎo)致左室功能效率降低；e-PIV所測數(shù)據(jù)有助于更好地理解傳導(dǎo)延遲的血流動力學(xué)結(jié)果，并可能優(yōu)化治療方法。Gao等［11］通過模擬回波數(shù)據(jù)集探討e-PIV的基本成像參數(shù)（線密度、幀率、對比度泡密度）對追蹤血流質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)最準確的渦度測量條件為：采集幀率為113幀/s、對比泡密度為19氣泡/ml。有學(xué)者［12］比較了高幀率（1000幀/s）e-PIV與光學(xué)粒子圖像測速（o-PIV，金標準）在左室模型中的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)o-PIV與e-PIV獲得的血流分布相似，高幀率e-PIV可以準確評估左室高速舒張期流入射流和高能流結(jié)構(gòu)。高幀頻的運用雖使e-PIV能夠分辨約1 m/s的高速血流，但與o-PIV比較，e-PIV仍然略微低估了二尖瓣噴射速度。分析原因可能是由于e-PIV較o-PIV的空間分辨率降低，導(dǎo)致該區(qū)域血流產(chǎn)生平均效應(yīng)（高速窄射流區(qū)的流動與相鄰的低速流動區(qū)平均）。也有學(xué)者［13］對比了e-PIV與數(shù)字粒子成像測速（d-PIV）在體外模型中的功能，研究發(fā)現(xiàn)兩種技術(shù)所測的流速矢量等比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。究其原因，e-PIV數(shù)據(jù)在顯像流體方向和流線可達4 ms，但有效空間分辨率僅4 mm，導(dǎo)致一些小尺度細節(jié)在e-PIV上顯示不清。目前由于e-PIV技術(shù)具有創(chuàng)性、空間分辨率低、易低估高速血流，且不能充分闡明渦流的三維特征等原因，臨床應(yīng)用受限。

2.VFM技術(shù)：是以彩色多普勒血流圖或斑點追蹤為基礎(chǔ)，利用連續(xù)性方程和斑點追蹤超聲心動圖計算血流速度，將二維平面血液的流動分解為基本流和渦流，運用流函數(shù)的方法獲得觀測平面內(nèi)任一質(zhì)點的速度向量。其以散斑跟蹤數(shù)據(jù)為邊界條件，對彩色多普勒數(shù)據(jù)應(yīng)用二維連續(xù)性方程，得到了垂直于回波束線的速度分量，所以與傳統(tǒng)多普勒技術(shù)相比，其優(yōu)點在于不僅可以獲得與聲束平行方向上的血流速度，也可以計算垂直于聲束方向的速度［14］。有學(xué)者［15］對VFM技術(shù)進行改良，無需將血流分為基本流和渦流成分，且通過組織追蹤技術(shù)解決了心臟室壁運動的問題。Asami等［16］研究顯示，VFM與體視圖像粒子測速儀（stereo-PIV）獲得的速度場在主流特征和主渦特征的時間過程轉(zhuǎn)換方面具有很好的一致性（r=0.87，P＜0.001）；但常規(guī)的VFM算法僅適用于有界區(qū)域；后續(xù)研究［17］提出了一種改進的算法即vascular-VFM，使速度的估算與流動的幾何形狀無關(guān)，結(jié)果表明，在最佳束角條件下，vascular-VFM所測速度具有較高的精準度（r=0.95），證實改良的vascular-VFM技術(shù)提供了關(guān)于心臟血流動力學(xué)精確的二維信息。Akiyama等［18］應(yīng)用VFM技術(shù)觀察50例健康志愿者左室的血流結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特點，建立了成人志愿者左室血流耗散的參考值（一個心動周期的平均能量損失為10.1～59.1 mW/m），以便在圍手術(shù)期評估患者的心臟狀況，通過VFM技術(shù)確定能量損失、動能和能量性能指標參考值，可以在任何臨床情況下評估各種心臟狀況。Mangual等［19］采用VFM技術(shù)對比了擴張型心肌病患者與健康受試者左室動能耗散量，研究發(fā)現(xiàn)健康受試者動能耗散量高于擴張型心肌病患者（P＜0.05），但由于動能耗散取決于流入左室的動能量，因此該研究將動能耗散總量與進入左室的動能量進行標化，生成動能耗散指數(shù)（動能耗散量/動能流入量），結(jié)果顯示兩組舒張期耗散指數(shù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義；但擴張型心肌病患者收縮期耗散指數(shù)明顯高于健康受試者，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）。Nakashima等［20］應(yīng)用VFM技術(shù)觀察二尖瓣手術(shù)后心室內(nèi)血流動力學(xué)模式，研究發(fā)現(xiàn)在舒張期，渦流方向?qū)α鲃幽芰繐p失、動壓無影響，但在收縮期，“逆時針”渦流的流動能量損失與動壓比值顯著高于“順時針”渦流（P＜0.001）。結(jié)果表明，二尖瓣手術(shù)后改變了心室渦旋方向，心室內(nèi)的渦流因心臟的結(jié)構(gòu)和功能變化而改變，因此通過VFM技術(shù)優(yōu)化心室內(nèi)血流以保證心輸出量在心血管術(shù)中至關(guān)重要。也有學(xué)者［21］將VFM技術(shù)應(yīng)用到二尖瓣置換術(shù)和二尖瓣修復(fù)術(shù)對比研究中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二尖瓣置換術(shù)可能導(dǎo)致心臟負荷過大，增加血流能量損失，而二尖瓣修復(fù)術(shù)通常不會增加這種損失，也說明VFM技術(shù)可用于指導(dǎo)評估瓣膜手術(shù)的方式。雖然VFM已被證明是準確描述和測量體外產(chǎn)生流動結(jié)構(gòu)的有效工具，但與e-PIV一樣，目前局限于二維數(shù)據(jù)，在精確性方面與三維數(shù)據(jù)相比仍存在差距，且受限于時間和空間分辨率。

3.BSI技術(shù)：是一種基于散斑跟蹤的血流技術(shù)，需要高幀速率追蹤血流，無需造影劑，基于使用“最佳匹配”搜索算法跟蹤血液細胞從一幀至下一幀產(chǎn)生的斑點，可以直接評估二維血流速度，而無需基于傳統(tǒng)彩色多普勒的數(shù)學(xué)假設(shè)［22］。由于移動血液斑點的去相關(guān)率較高，因此采集幀率必須很高，所以超快超聲成像的主要局限性是降低了穿透率和二維圖像質(zhì)量（對比度和分辨率）［23］。目前，BSI在新生兒心臟研究中使用廣泛。Fadnes等［24］應(yīng)用BSI檢測2例先天性心臟病患兒的復(fù)雜血流模式，為了精確測速，引入了一種前后跟蹤方法，該方法有效地減少了發(fā)生在流域邊緣的偏差，可以估計和顯示復(fù)雜的血流模式。Cantinotti等［25］也報道了BSI技術(shù)在一系列先天性心臟病患兒中的應(yīng)用研究，認為BSI具有較高的可行性、重復(fù)性和快速成像的優(yōu)點。高幀率BSI提供了傳統(tǒng)彩色多普勒數(shù)據(jù)的補充信息，增強了對異常血液軌跡（如分流方向、反流體積、狹窄射流）和漩渦形成的可視化，有助于深入了解復(fù)雜的冠心病生理學(xué)。有學(xué)者［26］通過比較健康對照者心室BSI血流速度與脈沖多普勒血流速度，驗證了BSI測量血流速度的準確性，表明其能夠觀察和量化肺動脈高壓患者右室近室間隔缺損處的渦流、功能減退的靜脈曲張?zhí)幍难髂Ｊ礁淖儭昴おM窄處的圓形血流和肺動脈的異常血流渦流，可以更好地顯示復(fù)雜先天性疾病（如右室雙出口）的血流動力學(xué)模式。Nyrnes等［27］研究認為，BSI精確的速度測量深度可達8 cm，且其與脈沖多普勒測量左室流入速度有較好的相關(guān)性（r=0.76），與脈沖波多普勒比較，BSI速度更低［（0.59±0.14）m/s vs.（0.82±0.21）m/s，P＜0.05］，應(yīng)用BSI分析血流特性可為小兒心臟病的病理生理學(xué)研究提供新的視角，并可成為重要的診斷方法。Angelelli等［28］研究認為，即使在復(fù)雜的血流情況下，BSI也可以用來計算血流速度，該技術(shù)結(jié)合了一種量身定制的基于粒子的流場可視化技術(shù)，能夠捕捉到血液的高收縮速度，且不依賴于造影劑的使用，其目的是傳達定向血流場的瞬時形狀，同時也傳達與時間相關(guān)的血流軌跡，有助于理解復(fù)雜的血流動力學(xué)模式。另有研究［29］認為BSI有可能提高產(chǎn)前主動脈縮窄的檢測率，這仍是一個基于傳統(tǒng)胎兒影像的診斷挑戰(zhàn)，有待進一步探討。

三、總結(jié)

總之，e-PIV能夠清晰顯像心腔內(nèi)血流，從而確定流場切面上整個區(qū)域的二維速度，但其缺陷在于無法以更高的速度準確跟蹤血流運動。VFM與BSI一樣，可以同時顯示向量流和彩色多普勒，并且可以提取定量的速度信息；不同之處在于BSI無需數(shù)學(xué)假設(shè)即可直接測量血流速度，是一種利用超快成像而直接測量血流速度的新方法，允許多線程采集，從而提升了圖像采集效能；其局限性在于聲束穿透力和圖像信噪比的下降，因此目前僅能使用較高頻率的探頭運用于相對較淺的深度（通常小于10～12 cm）。