血流向量成像技術(shù)評價房間隔缺損的左室流場變化特點及能量損耗變化規(guī)律

張鍵,王慶慧,丁云川,陳劍,侯宗柳,蘇璇,李建華,張瑜

1.昆明醫(yī)科大學(昆明,650051) 2.昆明市延安醫(yī)院 超聲醫(yī)學科(昆明,650051) 3.云南省心血管疾病重點實驗室(昆明,650051) 4.云南省心臟疾病臨床醫(yī)學中心(昆明,650051)

0 引言

房間隔缺損(atrial septal defect，ASD)是最常見的先天性心臟病之一，在先天性心臟疾病中約占10%～20%，在成年人先天性心臟病發(fā)病率中占第一位。心房水平的分流會引起腔室內(nèi)血流動力學的變化，但常規(guī)超聲只能測量與聲束平行的血流速度，無法準確獲取血流的真實速度、方向，對于整個心腔的流場運動狀態(tài)和結(jié)構(gòu)變化情況有一定的局限性[1]。血流向量成像技術(shù)能觀察腔室內(nèi)血流的流場狀態(tài)，評價相關(guān)速度、流量、渦量和能量損耗值等腔室內(nèi)流體運動學相關(guān)變化的無創(chuàng)量化指標[2]。

本研究利用血流向量成像技術(shù)(vector flow mapping，VFM)來評價房間隔缺損患者在心動周期不同時相下左心室流體相關(guān)的流場運動狀態(tài)及能量損耗的變化，從而揭示ASD所導致的左室流體力學的異常，從而為左室心功能的定量評估提供可靠地依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象

2018年8月至2019年4月間，收入我院就診的繼發(fā)孔型ASD患者，共60例，其中不伴肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)者28例，男17例，女11例，年齡20～73歲，平均(42±11)歲，為PAH(-)組；伴PAH者32例，男20例，女12例，年齡22～75歲，平均(41±12)歲，為PAH(+)組。ASD的診斷經(jīng)常規(guī)及食管超聲心動圖證實，除外合并右室流出道狹窄、肺動脈狹窄及其他器質(zhì)性心臟疾病。輕度肺動脈高壓的診斷標準為肺動脈收縮壓≥40～50 mmHg(1 mmHg=133.32 Pa)，故本研究中肺動脈收縮壓>40 mmHg被定義為PAH。

2018年8月至2019年4月間，收入我院就診的相關(guān)健康志愿者，共31例，其中男性18例，女性13例，年齡20～72歲，平均年齡(40±12)歲，為正常對照組。排除了各種心肺疾病，無血脂、血糖、血壓等指標異常；患者享有知情同意權(quán)。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器

HITACHI公司的LISENDO 880彩色多普勒超聲診斷檢查儀器，相控陣單晶體探頭S121，頻率1.0～5.0 MHz。

1.2.2 方法

1)常規(guī)超聲心動圖及血流成像技術(shù)(vector flow mapping，VFM)檢查：受檢者采取左側(cè)臥位，平靜呼吸；連接同步體表心電圖，經(jīng)心尖四腔心、三腔心及兩腔心等多切面掃查，開啟VFM模式，調(diào)節(jié)設(shè)備相關(guān)設(shè)置，獲取優(yōu)質(zhì)的VFM影像；采集3個連續(xù)的心動周期，彩色多普勒幀頻≥55幀/s。2)VFM數(shù)據(jù)分析：將采集到的圖像通過VFM模式進行在線分析；選擇相應(yīng)的心動周期，并完整地勾畫出心內(nèi)膜；選擇Time-Flow Curve功能，獲取相關(guān)的時間-流量曲線，將整個心動周期劃分為等容舒張期(P0)、舒張早期的快速充盈期(P1)、舒張中期(P2)、心房收縮早期(P3)、心房收縮中期(P4)、心房收縮晚期(P5)、等容收縮期(P6)、收縮中期的快速射血期(P7)、收縮晚期的減慢射血期(P8)等9個時相；分別選擇Streamline、Energy loss選項，獲取P0～P8期左心室內(nèi)的流線以及能量損耗圖像，測量渦流數(shù)量、面積、循環(huán)強度及能量損耗等相關(guān)參數(shù)。

1.3 統(tǒng)計學分析

本研究采用SPSS 22.0來進行相關(guān)統(tǒng)計學分析。受檢者的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、左心室結(jié)構(gòu)和功能、流場參數(shù)用均數(shù)±標準差來表示，多組間比較采用單因素方差分析。對左心室的整體EL、流場參數(shù)及左室舒張功能參數(shù)采用Pearson雙變量相關(guān)檢驗來進行相關(guān)分析，檢驗水準α=0.05(雙側(cè))，以P<0.05視為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 左心室內(nèi)流線的變化特點

正常對照組：在P0期，左室內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的渦流出現(xiàn)；二尖瓣開放之后，血流方向由心底部朝向心尖側(cè)，P1、P2期，發(fā)現(xiàn)位于二尖瓣口附近存在較多的渦流；P3、P4、P5期的渦流仍然以在二尖瓣口周圍為主；二尖瓣關(guān)閉之后，P6期的渦流從二尖瓣口周圍向左室流出道側(cè)移動；進入P7、P8期，渦流逐漸減退消失。

PAH(-)組：渦流的整體變化特點與正常對照組相似。

PAH(+)組：在P0期，左室內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的渦流出現(xiàn)；在P1-P7期，左室內(nèi)均有大小、方向、數(shù)目不一樣的渦流產(chǎn)生，形態(tài)不規(guī)則，運動方向比較雜亂，疏密而不均勻；P3、P4、P5期，左心室的中部會出現(xiàn)較大的渦流；P6、P7期，渦流雜亂多變，圈數(shù)套疊現(xiàn)象比較多見，分布呈不規(guī)律性；進入P8期，渦流逐漸減退消失。詳見圖1。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAH(-)組的渦旋面積、循環(huán)強度、渦旋數(shù)量大小比正常對照組稍增大，而PAH(+)組則相較兩者明顯增加，其差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。詳見表1。

圖1 依次分別為PAH(+)組P0-P8期的流線圖Fig.1 Flow line of P0-P8 in PAH(+)group

項目PAH(-)組(n=28)PAH(+)組(n=32)正常對照組(n=31)FP渦旋面積(mm2)P08.76±12.2358.89±12.4567.89±12.052104.8550.000P1308.38±57.016358.42±62.137304.11±56.18284.6230.000P2275.73±47.523303.82±49.543267.18±48.72963.4130.000P3286.49±87.589325.88±91.546273.11±88.14362.5880.000P4282.33±95.234328.35±97.274265.63±93.72833.6430.000P5277.14±67.969312.28±72.439275.41±68.56254.4720.000P6466.96±259.754497.23±276.803453.90±258.01214.5290.000P7312.14±328.089375.28±336.010315.91±321.5111.8530.061P827.08±41.01135.27±49.14924.02±40.23216.5380.000循環(huán)強度(m2/s)P00.72±1.4131.23±1.8950.69±1.1371.6800.082P122.03±9.16832.18±10.23521.43±9.38716.5480.000P218.12±5.38929.32±7.76216.51±6.3876.8930.000P319.33±57.25338.76±63.34916.13±52.25934.2240.000P414.78±4.10621.62±6.18712.61±5.43874.4820.000P516.53±5.42425.43±7.23915.39±5.36455.4830.000P618.29±6.92628.35±7.93216.81±6.63724.2850.000P714.61±10.52622.54±13.45911.06±10.1131.1750.224P81.89±2.5342.35±3.4631.38±2.63232.8290.000

(續(xù)表1)

渦旋數(shù)量(個)P00.31±0.5680.68±0.6670.25±0.4491.1020.215P11.74±0.6132.65±0.5491.69±0.60484.6470.000P21.58±0.6142.16±0.7281.52±0.59363.8320.000P31.88±0.4322.94±0.5691.49±0.48223.5940.000P41.71±0.5263.01±0.7201.64±0.63222.7340.008P51.42±0.8412.38±1.1341.68±0.77263.6470.000P61.65±0.8842.98±1.0941.65±0.78834.2190.000P71.22±0.4922.07±0.5640.99±0.63174.3270.000P80.39±0.7150.82±0.9270.31±0.6415.2270.000

2.2 左心室內(nèi)能量損耗的變化規(guī)律

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAH(-)組各時相下的EL值比正常對照組稍增大，而PAH(+)組則相較兩者明顯增加，其差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。詳見表2。

表2 各心動周期不同時相下左心室整體能量損耗的比較Tab.2 Comparison of global left ventricular energy loss in different cardiac cycles

2.3 左心室內(nèi)渦流、能量損耗與心功能相關(guān)參數(shù)的比較分析

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAH(+)組與PAH(-)組的左室整體EL值大小在P1、P2、P3、P4期分別與其循環(huán)強度、渦旋面積及渦旋數(shù)量呈正相關(guān)(P均<0.05)；正常對照組的EL值在P0、P1、P2、P3、P4期分別與其循環(huán)強度、渦旋面積及渦旋數(shù)量呈正相關(guān)(P均<0.05)。

PAH(+)組、PAH(-)組、正常對照組的左室整體EL值大小在P1、P2、P3期分別與其E、E/e呈正相關(guān)，與e呈負相關(guān)，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見圖2。

3 討 論

VFM是以彩色血流多普勒成像技術(shù)和二維心肌組織追蹤技術(shù)為基本，以血液是不可壓縮的，質(zhì)量守恒定律，連續(xù)方程為原理，通過對結(jié)合腔室內(nèi)的血流分析來觀測血液流速、流量大小以及渦流的相關(guān)時間-空間分布的具體情況[3],Uejima[4]等通過實驗發(fā)現(xiàn)VFM所測量得到的血流速度向量大小與實際的血流速度值相似度極高，進而進一步驗證出VFM成像技術(shù)可以作為一種有效評估腔室內(nèi)血流動力學的臨床應(yīng)用技術(shù)。本研究利用VFM成像技術(shù)來評價ASD在心動周期不同時相下左室流體相關(guān)的流場運動狀態(tài)及EL的變化規(guī)律，從而為研究腔室內(nèi)的血流動力學變化提供了一種嶄新的思路。

本研究發(fā)現(xiàn)，PAH(-)組與正常對照組的渦流變化特點相似，P1、P2期發(fā)現(xiàn)二尖瓣口附近存在較多渦流，P6期的渦流從二尖瓣口周圍向左室流出道側(cè)移動。原因考慮ASD不合并PAH時，右室內(nèi)收縮末期壓力無明顯升高，室間隔無明顯受壓，對左心室形態(tài)影響不大[5]。PAH(+)組在心動周期各時相下左室內(nèi)均有大小、方向、數(shù)目不一樣的渦流產(chǎn)生，同時PAH(+)組的渦旋面積、循環(huán)強度、渦旋數(shù)量大小相較其余兩組明顯增加，這種變化特點，主要是由于ASD所產(chǎn)生的左向右分流減少了左室舒張末期充盈量，同時增加了右室舒張末期容積，右室容積越大，對左室舒張末期充盈量影響也越大；PAH使右室收縮末期壓力增加，擠壓室間隔靠向左室一側(cè)，左室的形態(tài)由正常的橢圓形變?yōu)楠M長的長橢圓形或不規(guī)則形，趨于狹小，在嚴重病例中甚至呈“裂隙樣”改變，室間隔運動不協(xié)調(diào)，從而導致血液淤滯、血液容量增多及血液質(zhì)點增多[6]。

圖2 三組EL與E、e、E/e的重疊分布散點圖Fig.2 Three groups of scatter plots of overlapping distribution of EL、E，e,E/e

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PAH(-)組各時相下的EL值比正常對照組稍增大，而PAH(+)組則相較兩者明顯增加，其整體EL峰值均出現(xiàn)在P1期。且相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)三組的EL值在P1、P2、P3、P4期分別與其循環(huán)強度、渦旋面積及渦旋數(shù)量呈正相關(guān)；且與其E、E/e呈正相關(guān)，與e呈負相關(guān)。渦旋在腔室內(nèi)相互撞擊、旋轉(zhuǎn)，會擾亂血流速度向量的分布，此時由于血流的黏滯性以及心室壁各節(jié)段的室壁剪切應(yīng)變力與周圍血液之間的相互摩擦將會產(chǎn)生摩擦相關(guān)的熱能，從而增加相應(yīng)流體的能量損耗，即EL值與渦流的循環(huán)強度、渦旋面積及渦旋數(shù)量大小密切相關(guān)[7]。ASD合并PAH時，左室受壓變形，左室容積縮小，舒張期充盈受限，射血分數(shù)下降，左心舒張末壓升高，心功能受損。同時，由于左室回心血量減少，左室充盈減少，進一步通過Frank-Starling定律導致左室輸出量減少，能量損耗明顯增加[8]。左室舒張期又是主動消耗能量的過程[9]，心臟的有效射血量隨之降低，從而使提供給心肌的氧氣和能量受到制約，最終造成舒張功能的相應(yīng)減低。上述現(xiàn)象表明，對心腔內(nèi)流體能量損耗的定量評估可以為心功能評價提供新的參考。

目前本研究仍存在一定的局限性，一是目前研究的樣本量比較少，需要進一步增加，從而獲取更加客觀的實驗結(jié)果；二是VFM是利用二維圖像來模擬三維的血流流場[10]，因此難免會丟失一些重要的信息。相信未來伴隨著科技的進步，VFM成像技術(shù)將會擁有更加廣泛和實用的診療價值和社會應(yīng)用價值。

綜上所述，VFM成像技術(shù)可顯示ASD左室內(nèi)血流的流場狀態(tài)變化特點以及能量損耗的變化規(guī)律，通過可視化測量渦旋面積、渦旋數(shù)量、循環(huán)強度以及能量損耗大小，可為ASD左室心功能的定量評估、內(nèi)外科的治療選擇以及效果的觀察提供強有力的診斷和測量技術(shù)保障。