VFM 技術(shù)在評(píng)估擴(kuò)張性心肌病患者左室腔內(nèi)血流能量損耗中的應(yīng)用

朱達(dá) 彭映輝

云南省中醫(yī)醫(yī)院急診科（昆明 650021）

旋渦是在左心室（left ventricle，LV）舒張期間 觀察到的最重要的流體現(xiàn)象之一，能將二尖瓣血流重定向到左心室流出道［1］。這種渦流保證了流體動(dòng)量的有效傳遞，并使心室能量耗散最小化［2?3］。舒張期的旋渦形成可以作為評(píng)估舒張功能的指標(biāo)［4］。然而，這種腔內(nèi)流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在由各種心臟疾病引起的LV發(fā)生重構(gòu)后完全逆轉(zhuǎn)，增加了能量耗散，并且隨著新病理學(xué)的潛在發(fā)展而改變了壓力分布，不僅降低了心臟泵的效率，還增加了心臟肌肉的工作量。等容收縮期（isovolumic contraction，IVC）是左心室充盈和射血之間的間隔［5］。IVC時(shí)期使LV的壓力迅速升高，為L(zhǎng)V射血過(guò)程做準(zhǔn)備。近來(lái)，對(duì)于擴(kuò)張型心肌病患者，IVC作為心室不同步標(biāo)志物的興趣日益增加［6］。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，IVC期不是血流動(dòng)力學(xué)停滯階段，而是腔內(nèi)流動(dòng)態(tài)變化的階段。然而，在IVC期間擴(kuò)張型心肌病患者的腔內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的基本變化和精確特征在臨床上仍然未知。本研究采用血流向量成像（vector flow mapping，VFM）技術(shù)來(lái)研究擴(kuò)張性心肌病患者LV腔內(nèi)在IVC期間的血流特征，并與正常受試者的腔內(nèi)血流變化進(jìn)行比較，探討VFM的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2015年10月至2016年11月在我院門(mén)診和住院部門(mén)接受治療的89例被診斷為擴(kuò)張型心肌病的患者作為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）嚴(yán)重LV功能障礙（超聲心動(dòng)圖檢查射血分?jǐn)?shù)≤35%）；（2）通過(guò)多普勒超聲心動(dòng)描記術(shù)評(píng)估超過(guò)輕微瓣膜反流的病變；（3）冠狀動(dòng)脈造影正常；（4）竇性心律。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）臨床或血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定；（2）不愿意給予知情同意；（3）所有先天性、瓣膜性或肥厚型心肌病患者，心肌炎、心包炎、中重度肺動(dòng)脈高壓、甲狀腺疾病患者。最終58例符合條件患者被納入研究（觀察組），其中有24例LV異常松弛充盈，14例假性正常充盈，23例限制性充盈（基于二尖瓣血流速度模式）。對(duì)照組由56例同期在本院接受健康體檢的志愿者組成，平均年齡和性別分布與觀察組相比無(wú)明顯差異。對(duì)照組納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）超聲心動(dòng)圖結(jié)果正常，沒(méi)有區(qū)域性室壁運(yùn)動(dòng)異?；蛐呐K瓣膜病的征象；（2）LV大小和質(zhì)量指數(shù)正常；（3）竇性心律無(wú)傳導(dǎo)異常。研究方案經(jīng)云南省中醫(yī)院倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)，并獲得受試者的知情同意。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的超聲心動(dòng)圖超聲心動(dòng)圖檢查采用配備有多頻換能器的α 10超聲系統(tǒng)（日本Aloka公司）操作。使用雙平面辛普森（Simpson）法則獲得LV射血分?jǐn)?shù)和體積。每搏輸出量是舒張末期和收縮末期容積之間的差異。通過(guò)將最大長(zhǎng)軸除以最大短軸尺寸來(lái)計(jì)算LV球形指數(shù)。在心尖四腔切面記錄二尖瓣血流量，測(cè)量E波和A波的最大速度。主動(dòng)脈多普勒血流從長(zhǎng)軸視圖通過(guò)脈沖多普勒模式記錄。等容收縮時(shí)間是二尖瓣關(guān)閉到主動(dòng)脈瓣開(kāi)放之間相隔的時(shí)間。測(cè)量二尖瓣舒張?jiān)缙诃h(huán)速度以評(píng)價(jià)LV舒張功能。

1.3 彩色多普勒超聲心動(dòng)圖從心尖長(zhǎng)軸切面記錄3個(gè)連續(xù)搏動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)二維彩色多普勒超聲心動(dòng)圖。多普勒區(qū)域的角度和大小僅限于LV腔，以獲得所有受試者的最大幀速率，幀速率從40～87幀/s變化，平均（53±10）幀/s。本研究中多普勒速度范圍為-61～61 cm/s。所有記錄都以數(shù)字形式存儲(chǔ)，并在離線狀態(tài)下分析。

1.4 VFM軟件分析在離線VFM工作站上處理來(lái)自彩色多普勒超聲心動(dòng)圖的數(shù)字原始數(shù)據(jù)。超過(guò)多普勒-61～61 cm/s范圍并導(dǎo)致混疊的流速可以通過(guò)在工作站上增加多普勒速度范圍至-122～122 cm/s來(lái)手動(dòng)校正。VFM是一種將傳統(tǒng)超聲心動(dòng)圖獲取的彩色多普勒速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后產(chǎn)生流速矢量圖的新技術(shù)。垂直于波束方向的速度分量可以通過(guò)使用復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算從波束方向上的速度分布推斷。VFM的原理和詳細(xì)的算法已有文獻(xiàn)報(bào)道［7-8］。

在流速矢量圖中，矢量用不同長(zhǎng)度的黃線表示，方向由傾斜度表示，紅色點(diǎn)在矢量的頭部（圖1）。旋渦分量可從腔內(nèi)流提取，并由旋渦圖中的閉合流線表示（圖2）。VFM測(cè)量通過(guò)渦旋中心并垂直于超聲波束的取樣線（圖2，綠線）來(lái)估算朝向超聲波探頭的流量（等于相對(duì)于超聲波探頭的流量），即渦流的流量。渦流通過(guò)采樣線的總流量設(shè)為零。本研究使用二維VFM，因此旋渦的流量表示為面積流量（cm2/s）。此外，研究還測(cè)量了渦旋分布區(qū)域的面積。在旋渦圖中，漩渦被表示為一系列同心環(huán)，最外環(huán)的面積被測(cè)量作為渦旋的面積。

圖1 正常人LV腔內(nèi)血流從二尖瓣關(guān)閉到主動(dòng)脈瓣開(kāi)口的流速矢量圖Fig.1 The flow of blood flow from mitral valve to aortic valve opening in normal LV cavity

圖2 正常人主動(dòng)脈瓣開(kāi)口時(shí)從心尖到左心室流出的血流速度梯度Fig.2 The velocity gradient of the flow from the apex of the heart to the left ventricle

通過(guò)設(shè)置從頂點(diǎn)到底部的解剖流線（圖2，黃線），在主動(dòng)脈瓣口的時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)出從心尖到LV流出道區(qū)域的血流速度梯度。用VFM測(cè)量解剖流線上的血流速度，計(jì)算LV頂部、中間和底部的平均速度。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法連續(xù)變量以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。選擇SPSS 13.0軟件，采用Kolmogorov和Smirnov檢驗(yàn)對(duì)連續(xù)變量進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。臨床特征和血液動(dòng)力學(xué)變量之間的比較采用studentt檢驗(yàn)或Mann?Whitney秩和檢驗(yàn)。不同心臟相位之間渦流中LV心尖到流出道的流速梯度差異比較采用Wilcoxon signed?rank檢驗(yàn)。通過(guò)卡方檢驗(yàn)來(lái)比較分類(lèi)變量之間的差異。將單變量分析中具有關(guān)聯(lián)的變量（P＜0.05）引入逐步多元線性回歸以確定渦旋變化的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組的臨床和超聲心動(dòng)圖特征兩組在心率、QRS寬度、LV射血分?jǐn)?shù)、LV舒張末期短徑、LV收縮末期短徑、LV舒張末期長(zhǎng)徑、LV收縮末期長(zhǎng)徑、LV舒張末期容積指數(shù)、LV收縮末期容積指數(shù)、左心房大小、LV等容收縮周期和舒張?jiān)缙诙獍戥h(huán)速度等指標(biāo)比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

表1 兩組的臨床和超聲心動(dòng)圖特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

表1 兩組的臨床和超聲心動(dòng)圖特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

注：LV=左心室

組別 例數(shù)對(duì)照組 56觀察組 58 P值年齡（歲）53±10 54±11 0.676男/女35/21 38/20 0.827心率（次/min）69±11 76±13 0.003收縮壓（mmHg）116±15 110±18 0.075舒張壓（mmHg）74±10 70±13 0.138 QRS寬度（ms）90±17 133±43 0.000 LV射血分?jǐn)?shù)（%）62±6 29±7 0.000 LV每搏量（mL）70±14 66±21 0.232 LV舒張末期短徑（mm）45±5 70±9 0.000 LV收縮末期短徑（mm）29±4 58±8 0.000組別 左心房大?。╩m）二尖瓣E峰速度（cm/s）對(duì)照組觀察組P值舒張?jiān)缙诙獍戥h(huán)速度（cm/s）8.79±2.58 4.40±1.71 0.000 LV舒張末期長(zhǎng)徑（mm）75±6 89±8 0.000 LV收縮末期長(zhǎng)徑（mm）60±5 79±8 0.000 LV舒張末期容積指數(shù)1.59±0.20 1.34±0.16 0.000 LV收縮末期容積指數(shù)2.10±0.34 1.37±0.18 0.000 38±4 49±9 0.000 LV等容收縮周期（ms）66±11 117±39 0.000 70±19 72±24 0.582二尖瓣A峰速度（cm/s）66±15 69±31 0.121

2.2 兩組在舒張期和IVC期間渦旋的形成情況對(duì)照組中所有受試者在IVC期間渦流均到達(dá)LV的底部區(qū)域（圖3A）。33例（59%）受試者的旋渦分布在LV的底部?頂部區(qū)域，21例（37%）分布在底部?中部區(qū)域，2例（4%）僅分布在底部區(qū)域。

觀察組中只有28例（48%）在IVC期間到達(dá)LV的底部區(qū)域（圖3B），顯著低于對(duì)照組（P=0.000）。16例（28%）患者的旋渦分布在LV的底部-中部-頂部區(qū)域，8例（14%）分布在底部?中部區(qū)域，32例（55%）分布在中部-頂部區(qū)域，2例（3%）完全沒(méi)有觀察到大旋渦。

在IVC開(kāi)始時(shí)，對(duì)照組旋渦的面積（15±3）cm2和流量（36±8）cm2/s均顯著小于觀察組（27±8）cm2，（45 ± 12）cm2/s，均P=0.000。在 IVC 結(jié)束時(shí)，兩組旋渦流量相似（28± 4）cm2/svs.（29±11）cm2/s，P=0.617，對(duì)照組旋渦的面積顯著小于觀察組（16 ± 3）cm2vs.（24 ± 9）cm2，P=0.000。在IVC期間，對(duì)照組旋渦的面積輕微增加并不顯著（P=0.073），但流量明顯減少［（10± 27）%］；觀察組旋渦的面積和流量均顯著下降，其中流量減少了（29±54）%,與對(duì)照組相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000）。見(jiàn)圖3。

圖3 兩組LV腔內(nèi)血流從MV閉合到AV開(kāi)放Fig.3 The blood flow in LV cavity of the two groups was closed from MV to AV

2.3 兩組在主動(dòng)脈瓣開(kāi)口時(shí)血流速度情況當(dāng)主動(dòng)脈瓣開(kāi)口時(shí)，觀察組中僅在21例患者可觀察到瓣膜下LV射血的初始血流速度（36%），與對(duì)照組相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000），并且觀察組在LV室的中部和基底部的平均血流速度均顯著低于對(duì)照組（P＜0.05）。見(jiàn)表2。

表2 主動(dòng)脈瓣開(kāi)放時(shí)LV頂、中、底部的平均血流速度Tab.2 The average blood flow velocity at the top，middle and bottom of the LV of aortic valve opening x± s，cm/s

2.4 LV功能與漩渦變化的相關(guān)性將所有受試者的單因素分析結(jié)果中差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的指標(biāo)納入多變量模型中進(jìn)一步分析渦旋變化的影響因子，結(jié)果顯示左心室射血分?jǐn)?shù)減少是IVC期間旋渦面積百分比下降的唯一獨(dú)立預(yù)測(cè)因子（P=0.000），QRS寬度（P=0.026）和左心室收縮末期長(zhǎng)徑（P=0.004）是旋渦流量百分比減少的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。

3 討論

3.1 IVC期間的旋渦近年來(lái)，已有研究證實(shí)IVC期間腔內(nèi)旋渦持續(xù)存在，并不是常規(guī)了解的IVC 期的血液動(dòng)力學(xué)處于停滯階段［9?10］。旋渦反映了LV的功能狀態(tài)、形狀和結(jié)構(gòu)，其過(guò)早分解表示儲(chǔ)存能量的耗散，表明LV功能受損。雖然在舒張期的渦流形成和發(fā)展都得到了很好的研究，但迄今為止對(duì)IVC期間旋渦的變化，尤其對(duì)于心臟功能變化的潛在意義知之甚少。IVC與心內(nèi)膜下纖維的縮短有關(guān)，并伴有心外膜下纖維的伸展。研究發(fā)現(xiàn)，IVC期間可見(jiàn)一個(gè)短暫的，沿順時(shí)針扭轉(zhuǎn)的頂點(diǎn)，這是心內(nèi)膜下和心外膜下區(qū)域異步運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，可能有利于血流重新引導(dǎo)和加速，從而維持旋渦的流動(dòng)［11］。此外，IVC時(shí)期為心臟充盈和射血之間的過(guò)渡期間，LV流入和流出之間的血液流動(dòng)方向的完全改變主要依靠旋渦流動(dòng)而平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)。正常受試者在IVC期間旋渦持續(xù)存在，一旦LV開(kāi)始射血，旋渦消退。然而，WALKER等［12］報(bào)道，心力衰竭患者在LV射血期間渦旋持續(xù)存在。本研究證實(shí)了這一點(diǎn)，可能由于擴(kuò)張性心肌病患者的LV較多為球形，左心室壁運(yùn)動(dòng)減少，體積增大，進(jìn)而阻礙和減緩了心室的渦流耗散。需要通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)區(qū)分可能影響LV射血期間旋渦演變的因素。

3.2 VFM在評(píng)估IVC期間LV旋渦的應(yīng)用根據(jù)彩色多普勒?qǐng)D像數(shù)據(jù)，VFM運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)血流速度進(jìn)行估算。VFM的原理已經(jīng)在參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述［13］。由于彩色多普勒超聲心動(dòng)圖不需要注射造影劑即可獲取，因此通過(guò)VFM評(píng)估流速分布可以作為臨床上更方便的工具。目前，體外研究已對(duì)VFM的有效性和三維數(shù)值流動(dòng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，VFM評(píng)估的流量與實(shí)際流量之間存在良好的相關(guān)性（r=0.997，P＜0.001），預(yù)期值和實(shí)測(cè)值之間的誤差為1.3%［14］。此外，VFM已被用于研究正常LV收縮時(shí)的血流結(jié)構(gòu)和血流動(dòng)力學(xué)。最近一項(xiàng)對(duì)主動(dòng)脈瓣關(guān)閉不全患者的臨床研究亦支持其用于測(cè)量血流量［15］。本研究將三維腔內(nèi)流動(dòng)在二維掃描平面上可視化。雖然三維成像可以提供更好的跟蹤和量化腔內(nèi)流動(dòng)，但其空間和時(shí)間分辨率低限制了其在實(shí)踐中的應(yīng)用，并且三維VFM目前不可用?？紤]到旋渦可能在LV充盈和射血之間的轉(zhuǎn)變中起重要作用，從頂端長(zhǎng)軸視圖進(jìn)行觀察，這可能是最佳的觀點(diǎn)，因?yàn)樗軌蛲瑫r(shí)觀察LV流入和流出軸，其中包括二尖瓣和主動(dòng)脈口。觀察結(jié)果顯示，在所有正常人中，旋渦均到達(dá)主動(dòng)脈瓣下的區(qū)域，并且在IVC期間旋渦面積沒(méi)有減少。因此，輸出流體中的血液在IVC過(guò)程中保持動(dòng)態(tài)狀態(tài)，持續(xù)向主動(dòng)脈方向運(yùn)動(dòng)，在左心室射血開(kāi)始時(shí)以初始速度加速。然而，在擴(kuò)張性心肌病患者中，IVC期間的旋渦面積顯著變小，流量減少更為嚴(yán)重。在一半以上的患者中，旋渦僅達(dá)到LV的中間水平，這意味著主動(dòng)脈瓣下的血液無(wú)法獲得從旋渦轉(zhuǎn)移的動(dòng)量。在主動(dòng)脈瓣開(kāi)放時(shí)，只有36%的患者可觀察到瓣膜下的初始血流速度。另外，射血開(kāi)始時(shí)，患者LV中部和基底部的平均流速較低。

3.3 IVC期間的旋渦影響因素在IVC期間非持續(xù)的旋渦可能歸因于擴(kuò)張性心肌病患者的心功能不全，多變量分析模型顯示，其主要與收縮和舒張功能低下，QRS寬度較大，IVC期延長(zhǎng)，LV幾何形狀改變密切相關(guān)，進(jìn)而阻礙了IVC期間最佳的旋渦的形成和血液的重新定向［16］。擴(kuò)張性心肌病患者的機(jī)械收縮不同步可能會(huì)干擾IVC期間旋渦的持續(xù)存在，并且LV收縮功能受損也無(wú)法產(chǎn)生足夠的向心力來(lái)維持旋渦。增大的LV腔室更容易發(fā)生流體能量耗散，IVC期延長(zhǎng)可能導(dǎo)致旋渦能量的衰減。此外，IVC期間未受抑制的渦流不利于早期收縮期間的血液排出，會(huì)進(jìn)一步加重LV功能障礙。

3.4 研究的局限性本研究存在如下局限性：（1）相對(duì)較低的幀速率是檢測(cè)旋渦流量的潛在限制。為了獲得在IVC時(shí)段內(nèi)跟蹤流動(dòng)所需的更高幀速率，二維灰階超聲心動(dòng)圖和彩色血流多普勒成像的空間分辨率被適當(dāng)?shù)販p小。幀率在對(duì)照組為（63±5）幀/s，觀察組為（45±5）幀/s。對(duì)于較大的LV腔室，患者的幀速率較低。然而，由于IVC期較長(zhǎng)，即使患者的心率較高也可獲得更多的幀數(shù)，IVC期間旋渦變化的趨勢(shì)在觀察組中更容易觀察到。（2）右心室功能和收縮壓可能影響LV的旋渦變化。但本研究未考慮右心室的影響，因?yàn)楣P者認(rèn)為L(zhǎng)V功能和結(jié)構(gòu)在旋渦的演變過(guò)程中起主導(dǎo)作用。此外，觀察組排除了中到重度肺動(dòng)脈高壓患者，以盡可能減少右心室的影響。（3）盡管VFM的算法本身是獨(dú)立的，但原始的速度數(shù)據(jù)仍然是基于常規(guī)的彩色多普勒頻譜記錄，因此VFM的最終結(jié)果并不完全與角度無(wú)關(guān)。在多普勒數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，為了盡量減少多普勒光束與血流通過(guò)LV腔的入射角，所有圖像均在心尖長(zhǎng)軸切面測(cè)得。

總之，VFM技術(shù)可以顯示LV內(nèi)血流結(jié)構(gòu)，為超聲研究心臟功能提供一個(gè)新的研究路徑，擴(kuò)張性心肌病患者的IVC期間LV旋渦明顯區(qū)別于正常人，VFM技術(shù)能夠通過(guò)旋渦顯像更好地評(píng)估擴(kuò)張性心肌病患者的IVC期間LV腔內(nèi)血流能量損耗的病理生理狀態(tài)。

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