心腔流場可視化的超聲觀察

唐紅 陳柳 韋馨 四川大學(xué)華西醫(yī)院 （成都 610041）

1.流場

研究流體流動時，首先將流體分割成很多無限小的體積元——流體粒子，然后研究流體粒子的運動規(guī)律，從而得到流體的運動規(guī)律。通常采用歐拉法研究流體運動。根據(jù)歐拉法，在流體流動空間的每一點上都對應(yīng)一個流速矢量v（x,y,z,t），它們構(gòu)成了一個流體速度場，簡稱流場（flow field）。

2.心腔流場

對于心臟，我們需要研究血液的流動狀態(tài)、單個血液質(zhì)點組成的流體在流場中速度分布隨時間變化的規(guī)律。心腔流場是目前公認(rèn)最復(fù)雜的流場，也是最吸引臨床心臟病學(xué)家的一個領(lǐng)域。人們試圖通過研究心腔流場來更深入地了解心臟的血流動力學(xué)變化，更準(zhǔn)確地評估心臟功能，提高心臟疾病診斷水平，為患者提供更有效的治療。

3.心腔流場的研究技術(shù)

3.1體外研究

人工心臟模型和計算機(jī)模擬成像是體外實驗研究的主要方式，如用右心循環(huán)模擬裝置觀察不同F(xiàn)ontan術(shù)式的流場[1]。

3.2 體內(nèi)研究

3.2.1 心血管磁共振成像

圖1.VFM觀察到的左心室腔流場(左：二維速度向量圖；中：流線圖；右：渦流圖)

圖2.心腔流場特征VFM與MRI圖像

磁共振成像（MRI）是心腔流場研究的重要方法，流速編碼、相位對比磁共振技術(shù)可以定量測量三維血流速度及血流量。但是，MRI價格高，體內(nèi)具有金屬裝置的患者（如人工心臟瓣膜、起搏器和人工心臟輔助裝置）不能進(jìn)行檢查。

3.2.2 超聲心動圖

M型彩色多普勒實現(xiàn)了心腔流場的線性觀察；彩色多普勒血流圖實現(xiàn)了心腔流場方向的大體觀察；實時三維彩色多普勒血流圖可反映心腔內(nèi)血流的空間關(guān)系；超聲造影M型可顯示心腔內(nèi)造影劑微泡隨時間變化的一維運動軌跡；超聲造影劑粒子成像測速技術(shù)（Echocontrast Particle imaging velocimetry）可顯示左心二維流場，實現(xiàn)單個造影劑微泡的二維流場觀察；超聲血流動力成像（Echodynamography）基于多普勒信號計算血流二維速度，以等速線顯示左心室腔速度向量的二維分布以及血流軸線分布[2～3]。

血流向量成像技術(shù)（Vector Flow Mapping,VFM）：2007年出現(xiàn)的VFM技術(shù)基于多普勒超聲成像，假設(shè)任何復(fù)雜血流都可以分解為一個基礎(chǔ)流 (層流) 和一系列渦流。利用流函數(shù)計算，推導(dǎo)出基礎(chǔ)流和渦流成分的速度、方向、分布，進(jìn)而計算出任意點的血流速度和方向。VFM技術(shù)有三種顯像模式：二維速度向量圖、流線圖、渦流圖。VFM技術(shù)真正實現(xiàn)了無創(chuàng)獲取心腔二維流場的速度及方向等信息（圖1），運用VFM觀察到的心腔流場特征與MRI圖像相似（圖2）。

4.血流向量成像技術(shù)的臨床應(yīng)用

4.1 左心室流場舒張期和收縮期變化的觀察

李治安等[4]運用VFM技術(shù)觀察到舒張期二尖瓣開放，左心房內(nèi)血流涌入左心室，舒張早期跨瓣血流在二尖瓣前、后葉形成兩個小漩渦，但是主方向仍然朝向心尖；舒張中期左心室內(nèi)的血流方向由心尖轉(zhuǎn)向左室流出道，為回旋盤繞狀血流，舒張早期的小漩渦演變成大漩渦,但是渦旋速度逐漸減低；舒張晚期，心房收縮二尖瓣再次開放，又見部分充盈血流（圖3）。

圖3.VFM技術(shù)觀察到的左心室舒張期流場

圖4.VFM定量評估主動脈瓣反流程度

Tanaka[5]觀察了左心室收縮期流場，發(fā)現(xiàn)收縮早期左室流出道的血流大部分射向主動脈，一部分沿著二尖瓣向后流動，并在二尖瓣左室面附近區(qū)域形成加速的渦流；收縮中期左心室中間段及心尖段的血流逐漸加速，而左室流入道及左室后壁區(qū)域的血流則被收縮的室壁推向左室流出道附近；收縮晚期，血流的速度逐漸減低。流出道的血流大部分繼續(xù)射向主動脈，一部分血流沿著左室后壁向心尖方向流動從而形成旋流。

4.2 主動脈瓣反流的定量評估

Li Chen等[6]運用VFM方法和傳統(tǒng)超聲方法評估了21名慢性主動脈瓣反流患者。VFM法根據(jù)流體力學(xué)方程直接計算出取樣位置的前向血流量與反流量之比（即反流率）。結(jié)果顯示VFM可準(zhǔn)確評估主動脈瓣反流量，即使對于傳統(tǒng)超聲評估方法難以定量的偏心性反流（圖4）。

4.3 擴(kuò)張型心肌病患者的左心室流場觀察

四川大學(xué)華西醫(yī)院應(yīng)用VFM 技術(shù)對擴(kuò)張型心肌病患者的左心室流場進(jìn)行了初步觀察，提示舒張期左心室腔流場呈現(xiàn)巨大渦流狀態(tài)，心腔內(nèi)血流速度明顯低于正常人（圖5）。

圖5.擴(kuò)張型心肌病患者的左心室流場（左：二維速度向量圖，右：流線圖）

圖6.正常人右心房收縮期流場（左：二維速度向量圖，右：流線圖）

4.4 右心房流場觀察及VFM定量體肺流量比Qp/Qs的準(zhǔn)確性

韋馨等[7]應(yīng)用VFM 技術(shù)觀察到正常人與房間隔缺損患者的右心房流場存在明顯差異（圖6～圖7），并且采用血流量曲線模式，計算VFM所測體肺流量比Qp/Qs= F(PA)/F(AV)。正常組30例，Qp/Qs均 值 (1.0±0.08)， 范 圍 0.84～1.15；房間隔缺損（ASD）組17例，ASD最大徑7～32mm (17.07±7.04mm)， VFM 所測 Qp/Qs均值(2.11±0.59)，范圍1.18～3.34，右心導(dǎo)管法所測均值(2.23±0.78)，范圍1.13～3.60，二者一致性良好。VFM所測Qp/Qs重復(fù)性：組內(nèi)變異系數(shù)為10.02%；組間變異系數(shù)為10.56%。

4.5 正常人與二尖瓣狹窄患者的肺靜脈流場觀察

尚艷文等[8]應(yīng)用VFM技術(shù)觀察到正常人肺靜脈內(nèi)的血液質(zhì)點平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則的流動，為層流流動狀態(tài)（圖8）。較之正常人的肺靜脈流場，風(fēng)濕性二尖瓣狹窄的患者表現(xiàn)為云霧樣旋滾狀血流流場，此時，各血液質(zhì)點相對不規(guī)則地流動，為紊流狀態(tài)（圖9）。

圖7.ASD患者的雙心房流場

圖8.正常人左上肺靜脈各時相血流二維速度向量圖

圖9.二尖瓣狹窄患者左上肺靜脈各時相血流二維速度向量圖

圖10.VFM流線模式展示的正常人左心耳流場（左：心耳充盈；中：充盈與排空速為零；右：心耳排空）

圖11.主動脈弓部的二維速度向量圖

圖12.1例圍術(shù)期ASD患者和正常對照者左室腔渦流圖

4.6 左心耳流場觀察

四川大學(xué)華西醫(yī)院應(yīng)用VFM技術(shù)觀察正常人的左心耳流場，提示收縮期血流方向由心耳基底部流向尖部，心耳充盈；舒張早期心耳處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，充盈與排空速為零；舒張晚期，血流方向由心耳尖部流向基底部，心耳排空（圖10）。

4.7 主動脈弓部流場的定量研究

主動脈弓部流場的維持需要左室射血的推動力及大血管本身的彈性運動。圖11展示的是四川大學(xué)華西醫(yī)院應(yīng)用VFM技術(shù)觀察到的收縮期主動脈弓部流場的二維速度向量圖。主動脈弓部流場與左室腔流場的同步性如何，血管本身的彈性運動在多大程度上影響弓部流場等仍待探索。

4.8 VFM評價房間隔缺損（ASD）、動脈導(dǎo)管未閉（PDA）患者左室腔渦流特征

左室腔渦流指標(biāo)：左室腔渦流的峰值流量（Maximum flow volume of vortex，Qmax），半流量面積（Half-value area of vortex，S），半流量渦流直徑（Diameter，D），渦流強(qiáng)度（Vortex intensity，VI）。

渦流運動是二維流動，滿足流函數(shù)的性質(zhì)，流函數(shù)的峰值定義為渦流的峰值流量（Qmax）；流函數(shù)值大于1/2峰值流量的區(qū)域面積和直徑定義為渦流半流量面積和直徑（S,D）；渦流強(qiáng)度（VI）定義為單位面積流量，即峰值流量與半流量面積之比。渦流強(qiáng)度越高表示小范圍內(nèi)渦流旋轉(zhuǎn)越劇烈。

陳柳等[9]分別觀察了18例ASD患者、15例PDA患者以及40名健康志愿者左室腔渦流特征。結(jié)果提示健康志愿者等容收縮期左室腔渦流峰值流量為38.08±8.55 cm2/s，半流量面積為2.95±1.07 cm2，半流量渦流直徑為1.91±0.35cm，渦流強(qiáng)度為14.59±6.62s-1。

ASD患者較之正常人，等容收縮期左室腔形成的渦流S及D縮小，VI增大，渦流Qmax有減小趨勢；介入封堵術(shù)后第2天，等容收縮期渦流特征尚未恢復(fù)（圖12）。

PDA患者較之正常人，等容收縮期左室渦流Qmax、S及D明顯增大，VI無變化；介入封堵術(shù)后第2天，左室等容收縮期渦流Qmax明顯減低，但是Qmax、S及D仍高于正常人（圖13）。

圖13.1例圍術(shù)期PDA患者和正常對照者左室腔渦流圖

5.VFM技術(shù)的應(yīng)用前景

李小慶等[10]通過體外流體力學(xué)實驗?zāi)Ｐ万炞C了VFM測量的準(zhǔn)確性及重復(fù)性。VFM技術(shù)適用人群廣，無特殊禁忌；無創(chuàng)、安全、實時動態(tài)；可定性、定量分析心臟的解剖結(jié)構(gòu)、心電生理、機(jī)械運動及心腔流場四者之間的相互作用及聯(lián)系。流場參數(shù)可以敏感地反映心功能狀態(tài)，可作為判斷心功能是否正常的指標(biāo)之一。Gharib等[11]提出舒張期左室渦流形成時間，并從理論和臨床試驗兩方面證實該指標(biāo)無切面依賴，無個體因素的影響，和LVEF相關(guān)性好，可以敏感地反映心功能。Hong等[12]應(yīng)用超聲造影劑粒子成像測速技術(shù)，研究了27名收縮性心力衰竭患者的左室渦流特征并得出結(jié)論：對于預(yù)測收縮性心力衰竭患者的血流動力學(xué)狀態(tài)及癥狀，流場參數(shù)（相對強(qiáng)度、渦流相對強(qiáng)度、渦脈動相關(guān)性）優(yōu)于傳統(tǒng)多普勒參數(shù)E/e和左心房容積指數(shù)。

流場可視化有望呈現(xiàn)心血管疾病的血流動力學(xué)改變。我們期待心腔流場的超聲觀察由可視化血流二維方向及速度，實現(xiàn)動態(tài)的視化血流三維方向及速度。

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