多普勒超聲體內(nèi)定量檢測人工心瓣下游TSS方法學(xué)的實驗研究

張 滸，楊百暉，張桂敏＊，王 鈺，李甘牛，孫 毅，李 斌

（1.昆明醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院a.心血管外科；b.心臟彩超室，云南 昆明650032；2.南京航空航天大學(xué)）

研究發(fā)現(xiàn)，瓣膜置換術(shù)后并發(fā)癥如血栓、溶血和組織過度生長等均與瓣下血流湍流剪應(yīng)力（Turblent shear stress，TSS）的作用密切相關(guān)［1－3］。因此臨床上定時檢測瓣下TSS對瓣膜置換術(shù)后患者的長期隨訪評估人工心瓣性能提供有效的血流動力學(xué)依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者［4，5］利用多普勒超聲檢測結(jié)合計算機圖形分析軟件可以計算出二尖瓣機械瓣下血流TSS，但該方法所得TSS值是基于數(shù)學(xué)模型的推算而并非實測。因此本研究擬在二尖瓣置換術(shù)動物模型上通過多普勒超聲檢測結(jié)合軟件計算的TSS與熱線流速儀（hot-film anemometry，HFA）實測的TSS的對比研究和相關(guān)性分析，驗證多普勒超聲檢測結(jié)合軟件分析計算TSS的客觀性和準確性。

1 材料和方法

1.1 二尖瓣置換術(shù)模型的建立

采用昆明醫(yī)學(xué)院動物科提供的成年滇南小耳豬封閉群7頭，體重在45－68kg。動物麻醉后胸骨正中切開，建立體外循環(huán)，降溫至30℃，阻斷升主動脈灌注4℃心臟冷停跳液（10－15ml／kg），同時心臟表面用冰泥降溫，心臟停跳后，沿左心耳長軸切開顯露二尖瓣，體位右側(cè)傾斜300，充分提吊暴露手術(shù)視野，剪除二尖瓣葉，分別采用GK-II單葉機械瓣（2例），St Jude雙葉機械瓣（3例）、HancockII生物瓣（2例）進行瓣膜置換。檢查瓣膜啟閉正常后，復(fù)溫，同時給予多巴胺等血管活性藥物?？p合左心耳，開放升主動脈，心臟不能自主復(fù)跳者給予10-20WS電除顫，并行循環(huán)復(fù)溫期間調(diào)整心臟前后負荷和內(nèi)環(huán)境，停機后魚精蛋白1∶1的初始比例中和肝素，撤除體外循環(huán)管道。待循環(huán)穩(wěn)定后即可開始測量。

1.2 人工心瓣下游流場多普勒超聲檢測

采用GE Healthcare Vivid S5型多普勒超聲心動儀，探頭頻率2.0－3.5MHz。無菌手套包裹探頭，直接置于心臟表面。分別于四腔心切面（AFC）和二腔心切面（LTC）將速度頻譜多普勒取樣容積（1.5mm）置于下游距瓣尖0.5－2.0cm區(qū)域，確定核心區(qū)和周圍邊界共6個位點（AFC：Lc-核心區(qū)位點，Lo-外側(cè)邊界位點，Li-內(nèi)側(cè)邊界位點；LTC：Lc-核心區(qū)位點，Lao-前外側(cè)邊界位點，Lpi-后內(nèi)側(cè)邊界位點）在其上以頻譜多普勒連續(xù)記錄20個以上的二尖瓣跨瓣血流速度頻譜，保存在多普勒超聲心動儀上。

1.3 計算機圖形分析

按照張桂敏等的方法［4，5］，首先將多普勒超聲心動圖儀記錄并保存的待測位點至少5個心動周期的速度頻譜圖數(shù)字化，通過專門的圖形分析軟件，得到各個心動周期內(nèi)速度的擬合曲線。計算機自動根據(jù)一系列公式計算，即可得到TSS。

1.4 熱線流速儀（HFA）測TSS

1.4.1 HFA的標定 所謂的標定，就是給定一系列的已知流速，記錄相應(yīng)的電壓值，用曲線擬合方法建立流速與電壓的關(guān)系。本實驗的標定是在體外循環(huán)機管道流動中進行的，其中曲線擬合的關(guān)系式如下：V＝30.0（E2－E20）＋30.0（E2－E20）2，式中流速單位為cm／s，電壓單位為伏特（Vot）。

1.4.2 HFA探針的放置 將探針置于特制的金屬鞘內(nèi)，將金屬鞘經(jīng)心尖穿入左心室，在超聲定位下將探針放于瓣下核心區(qū)和周圍邊界6個位點直接測量。1.5 統(tǒng)計學(xué)處理 所有數(shù)據(jù)以±s表示，用t檢驗及方差分析，并做直線相關(guān)分析。

2 結(jié)果

見表1，三種人工瓣膜下游核心區(qū)和邊緣區(qū)6個測速點上應(yīng)用多普勒超聲結(jié)合計算機圖形分析軟件測算TSS值與HFA檢測的TSS值比較無顯著性差異 （P＞0.05）。相關(guān)分析顯示：兩種檢測方法所得結(jié)果呈正相關(guān)（r＝0.91，P＜0.05）。

表1 三種人工瓣膜下游6個測速點上多普勒超聲測算與HFA檢測的TSS值比較（±s）

表1 三種人工瓣膜下游6個測速點上多普勒超聲測算與HFA檢測的TSS值比較（±s）

Itemes TSS（N／m2）GK-Ⅱ單葉機械瓣n＝2 St.Jude雙葉機械瓣n＝3 HancockII生物瓣n 5.7 52.6±13.5 50.4±17.8 A 47.4±12.6 58.8±16.7 53.4±12.1 59.5±15.3 47.4±17.1 59.3±17.9 Li E 141.9±28.1 139.0±29.9 104.9±28.5 119.0±19.9 105.9±28.3 102.0±28.3 A 137.6±26.5 144.0±28.1 107.6±25.5 114.0±18.1 106.6±25.5 103.0±25.3 Lo E 146.4±25.3 149.0±24.3 104.4±24.3 109.0±14.3 108.4±24.7 109.0±27.6 A 141.5±23.2 137.0±28.1 110.7±23.9 107.0±18.1 111.7±23.5 101.0±22.1 LTCLc E 59.0±21.2 55.4±15.8 59.6±23.8 52.3±15.7 57.5±23.5 51.4±17.8 A 55.3±21.7 58.8±16.7 55.3±15.3 59.5±15.3 54.2±15.6 59.3±17.9 Lao E 138.5±23.1 134.0±29.3 105.5±15.1 114.0±19.3 106.5±25.3 97.0±23.7 A 141.2±22.9 142.0±24.3 113.2±22.9 112.0±24.3 112.2±22.1 103.0±26.3 Lpi E 147.3±24.4 140.0±29.1 108.5±15.3 110.0±19.1 109.7±25.5 105.0±27.2 A 139.7±25.3 148.0±28.3 109.6±14.1 118.0±18 ler AFCLc E 53.2±16.5 55.1±15.8 50.4±14.3 52.3±1＝2 HFA Doppler HFA Doppler HFA Dopp.3 107.3±24.2 107.0±29.1

3 討論

自1960年以來，隨著人工心瓣置換術(shù)的發(fā)展，已能有效地使心瓣膜疾病患者的生命得以延長，心功能得到改善。但與此同時，術(shù)后并發(fā)癥，如血栓栓塞、溶血、組織過度生長等，往往使得部分受術(shù)者的生存質(zhì)量不佳。隨著心瓣流體力學(xué)的進展，人們發(fā)現(xiàn)這些并發(fā)癥的產(chǎn)生與瓣后的流場分布及血流TSS的作用密切相關(guān)［1－3］。同時，一些研究和臨床實踐也表明，在許多瓣膜疾病中，如二尖瓣狹窄等，TSS也有著十分重要的作用［6－8］。因此，定時地測量瓣后血流TSS可為一些瓣膜疾病的診斷和人工心瓣的性能評估提供有效的血流動力學(xué)依據(jù)。

TSS的研究也分為體外和在體兩大類。體外研究主要采用模擬研究的方法，即先設(shè)計該原型現(xiàn)象或過程的相似力學(xué)模型，然后通過對模型的研究，間接地得出有關(guān)原型的規(guī)律。其特點是所有研究都是在離體條件下模擬人體或動物心瓣流場構(gòu)建相應(yīng)的模型，因而研究結(jié)果將難以如實地反映不同個體內(nèi)心瓣流場中高度擾動的TSS，為此需要通過體內(nèi)實時研究，才能對體內(nèi)心瓣流場中TSS進行較為客觀的描述。HFA由于具有三維測速并可以直接測量TSS大小等特點被認為是現(xiàn)在檢測TSS的金標準［9］。但是HFA為有創(chuàng)檢測方法，不能直接應(yīng)用于人體檢測TSS。動物實驗的優(yōu)點在于實驗過程便于操作和控制，流場環(huán)境更接近于人體，因此它是體外研究和人體研究的橋梁。超聲多普勒具有安全無創(chuàng)，簡便易行和可重復(fù)性強等特點，新一代多功能彩色超聲多普勒的問世，更大大提高了對心瓣血流速度、方向、流型等描述的準確性。同時，在許多醫(yī)院里，彩色超聲多普勒已成為瓣膜疾病術(shù)前、術(shù)后檢查的常規(guī)手段，因此，國內(nèi)學(xué)者提出了基于彩色超聲多普勒速度圖像分析的瓣后血流TSS的在體無創(chuàng)測量技術(shù)，研制了相應(yīng)的軟件。但該方法基于數(shù)學(xué)模型的推算而并非實測，本研究在瓣膜置換術(shù)動物模型上，通過三種人工瓣膜下游核心區(qū)和邊緣區(qū)六個測速點上的比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法測算結(jié)果無顯著性差異，多普勒超聲結(jié)合軟件分析計算TSS與HFA實測結(jié)果正相關(guān)，因此該檢測方法是一種比較客觀準確的體內(nèi)無創(chuàng)檢測TSS方法，能較客觀地反映二尖瓣人工瓣膜下游流場的情況，可用于人工瓣膜下游血流動力學(xué)性能的定量評估和研究。

［1］Koppensteiner R，Moritz A，Schlick W，et al.Blood rheology after cardiac valve replacement with mechanical prostheses or bioprostheses［J］.Am J Cardiol，1991，67（1）：79.

［2］Carcia MJ，Vandervoort P，Stewar WJ，et al.Mechanisms of hemolysis with mitral proshetic regurgitation.Study using transesophageal echocardiography and fluid dynamic simulation［J］.J Am Coll Cardiol，1996，27（2）：399.

［3］Schoephoer RT，Chandran KB.Velocity and turbulence measurements past mitral valve prostheses in a model left ventricle［J］.J Biomech，1991，24（7）：549.

［4］張桂敏，石應(yīng)康，唐 紅，等.二尖瓣狹窄下游湍流剪應(yīng)力體內(nèi)多普勒超聲定量檢測的方法學(xué)研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2002，19（1）：71.

［5］樊瑜波，蒲 放，蔣文濤，等.瓣后血流湍流剪應(yīng)力在體無創(chuàng)測量技術(shù)［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)學(xué)報，2003，22（2）：133.

［6］Davies PF，Remuzzi A，Gordonl EJ，et al.Turbulent fluid shear stress induces vascular endothelial cell turnover in vitro［J］.Proc Natl Acad Sci U.S.A.，1986，83（11）：2114.

［7］Cape EG，Vanauker MD，Sigfusson G，et al.Potential role of mechanical stress in the etiology of prediatric heart disease：septal shear stress in subaortic stenosis［J］.J Am Coll Cardiol，1997，30（3）：247.

［8］張桂敏，石應(yīng)康，唐 紅.二尖瓣下游湍流剪應(yīng)力與心瓣膜損害的關(guān)系［J］.中國胸心血管外科臨床雜志，2001，8（4）：217.

［9］Hasenkam JM.Studies of velocity fields and turbulence downstream of aortic valve prostheses in vitro and in vivo［J］.Danish Medical Bulletin，1990，37（3）：235