心臟超聲成像在左室渦流檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

王 婷 張秉宜

近年來(lái)有關(guān)心內(nèi)血流的分析越來(lái)越受重視。由于無(wú)創(chuàng)心血管成像技術(shù)的發(fā)展，使得心內(nèi)血流動(dòng)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(shí)變化，是心腔內(nèi)血液流動(dòng)模式的一個(gè)敏感指標(biāo)。血流可視化超聲技術(shù)具有良好的時(shí)間分辨率和簡(jiǎn)便、易行的特點(diǎn)，在心腔內(nèi)血流測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文就超聲心動(dòng)圖粒子圖像測(cè)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(diǎn)中的血液斑點(diǎn)成像（blood speckle imaging，BSI）技術(shù)在左室渦流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

一、渦流基本概念及形成機(jī)制

渦流是一種繞中心軸做圓周運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的流體結(jié)構(gòu)，能夠儲(chǔ)存旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)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(yùn)動(dòng)密不可分。在正常情況下，當(dāng)血流進(jìn)入左室時(shí)，會(huì)形成一個(gè)主渦流，右室和左房也會(huì)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(dòng)特性一直難以評(píng)價(jià)。左室渦流形成機(jī)制可以總結(jié)為：在舒張開(kāi)始時(shí)，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(gè)打開(kāi)二尖瓣的壓力梯度，促進(jìn)了血液從左房通過(guò)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(shí)上，在傳輸過(guò)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(gè)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(gè)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(duì)反向旋轉(zhuǎn)的渦流，一個(gè)位于二尖瓣前葉（主要部分）的遠(yuǎn)端，另一個(gè)位于后葉的遠(yuǎn)端（次要部分），正常情況下，主前渦順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，次后渦逆時(shí)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(duì)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(duì)稱模型中，渦流應(yīng)是對(duì)稱的。然而，二尖瓣口相對(duì)于左室的軸線是偏心的，前室較后室長(zhǎng)，在這種自然不對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu)中，渦流在后部較小，而前部的渦室實(shí)際上占據(jù)整個(gè)中心，最終于左室內(nèi)形成一個(gè)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(cè)中的應(yīng)用

1.e-PIV技術(shù)：是通過(guò)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(xì)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(yùn)動(dòng)［4］。該技術(shù)是用于流體顯像的一種光學(xué)方法，能測(cè)量流體的瞬時(shí)速度及相關(guān)特性，已應(yīng)用于血流動(dòng)力學(xué)檢測(cè)［5］。Hyperflow軟件是運(yùn)用對(duì)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(yùn)用。Tang等［6］應(yīng)用e-PIV檢查20例擴(kuò)張性心肌病患者和20例健康志愿者，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)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(zhǎng)度均顯著高于健康志愿者，差異均有統(tǒng)計(jì)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(wú)應(yīng)答者與應(yīng)答者分別在CRT開(kāi)啟（ON）和關(guān)閉（OFF）狀態(tài)下的心室內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CRT-OFF狀態(tài)下，無(wú)應(yīng)答者射血分?jǐn)?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(dòng)均較高，與應(yīng)答者比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）；在CRT-ON狀態(tài)下，無(wú)應(yīng)答者能量耗散、渦面積和渦度波動(dòng)均較應(yīng)答者進(jìn)一步增加，同時(shí)伴有收縮不同步指數(shù)惡化，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。表明CRT應(yīng)答者與無(wú)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(shí)。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(duì)照者左室流型，研究結(jié)果顯示，與健康對(duì)照者比較，左束支阻滯患者渦流能量耗散的定量指標(biāo)（相對(duì)強(qiáng)度、渦流相對(duì)強(qiáng)度和渦流脈動(dòng)相關(guān)）均顯著提高（均P＜0.05）；與整個(gè)心臟周期有關(guān)的渦流持續(xù)時(shí)間較健康對(duì)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(dòng)周期動(dòng)能的傳遞，導(dǎo)致左室功能效率降低；e-PIV所測(cè)數(shù)據(jù)有助于更好地理解傳導(dǎo)延遲的血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果，并可能優(yōu)化治療方法。Gao等［11］通過(guò)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(duì)比度泡密度）對(duì)追蹤血流質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)最準(zhǔn)確的渦度測(cè)量條件為：采集幀率為113幀/s、對(duì)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(cè)速（o-PIV，金標(biāo)準(zhǔn)）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(zhǔn)確評(píng)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(yùn)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(dòng)與相鄰的低速流動(dòng)區(qū)平均）。也有學(xué)者［13］對(duì)比了e-PIV與數(shù)字粒子成像測(cè)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(cè)的流速矢量等比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)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(dá)4 ms，但有效空間分辨率僅4 mm，導(dǎo)致一些小尺度細(xì)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(diǎn)追蹤為基礎(chǔ)，利用連續(xù)性方程和斑點(diǎn)追蹤超聲心動(dòng)圖計(jì)算血流速度，將二維平面血液的流動(dòng)分解為基本流和渦流，運(yùn)用流函數(shù)的方法獲得觀測(cè)平面內(nèi)任一質(zhì)點(diǎn)的速度向量。其以散斑跟蹤數(shù)據(jù)為邊界條件，對(duì)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(diǎn)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(jì)算垂直于聲束方向的速度［14］。有學(xué)者［15］對(duì)VFM技術(shù)進(jìn)行改良，無(wú)需將血流分為基本流和渦流成分，且通過(guò)組織追蹤技術(shù)解決了心臟室壁運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。Asami等［16］研究顯示，VFM與體視圖像粒子測(cè)速儀（stereo-PIV）獲得的速度場(chǎng)在主流特征和主渦特征的時(shí)間過(guò)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(jìn)的算法即vascular-VFM，使速度的估算與流動(dòng)的幾何形狀無(wú)關(guān)，結(jié)果表明，在最佳束角條件下，vascular-VFM所測(cè)速度具有較高的精準(zhǔn)度（r=0.95），證實(shí)改良的vascular-VFM技術(shù)提供了關(guān)于心臟血流動(dòng)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(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立了成人志愿者左室血流耗散的參考值（一個(gè)心動(dòng)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(píng)估患者的心臟狀況，通過(guò)VFM技術(shù)確定能量損失、動(dòng)能和能量性能指標(biāo)參考值，可以在任何臨床情況下評(píng)估各種心臟狀況。Mangual等［19］采用VFM技術(shù)對(duì)比了擴(kuò)張型心肌病患者與健康受試者左室動(dòng)能耗散量，研究發(fā)現(xiàn)健康受試者動(dòng)能耗散量高于擴(kuò)張型心肌病患者（P＜0.05），但由于動(dòng)能耗散取決于流入左室的動(dòng)能量，因此該研究將動(dòng)能耗散總量與進(jìn)入左室的動(dòng)能量進(jìn)行標(biāo)化，生成動(dòng)能耗散指數(shù)（動(dòng)能耗散量/動(dòng)能流入量），結(jié)果顯示兩組舒張期耗散指數(shù)比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；但擴(kuò)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(jì)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(dòng)力學(xué)模式，研究發(fā)現(xiàn)在舒張期，渦流方向?qū)α鲃?dòng)能量損失、動(dòng)壓無(wú)影響，但在收縮期，“逆時(shí)針”渦流的流動(dòng)能量損失與動(dòng)壓比值顯著高于“順時(shí)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(guò)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(duì)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(fù)荷過(guò)大，增加血流能量損失，而二尖瓣修復(fù)術(shù)通常不會(huì)增加這種損失，也說(shuō)明VFM技術(shù)可用于指導(dǎo)評(píng)估瓣膜手術(shù)的方式。雖然VFM已被證明是準(zhǔn)確描述和測(cè)量體外產(chǎn)生流動(dòng)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(shí)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(wú)需造影劑，基于使用“最佳匹配”搜索算法跟蹤血液細(xì)胞從一幀至下一幀產(chǎn)生的斑點(diǎn)，可以直接評(píng)估二維血流速度，而無(wú)需基于傳統(tǒng)彩色多普勒的數(shù)學(xué)假設(shè)［22］。由于移動(dòng)血液斑點(diǎn)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(duì)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(cè)2例先天性心臟病患兒的復(fù)雜血流模式，為了精確測(cè)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(jì)和顯示復(fù)雜的血流模式。Cantinotti等［25］也報(bào)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(rèn)為BSI具有較高的可行性、重復(fù)性和快速成像的優(yōu)點(diǎn)。高幀率BSI提供了傳統(tǒng)彩色多普勒數(shù)據(jù)的補(bǔ)充信息，增強(qiáng)了對(duì)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(guò)比較健康對(duì)照者心室BSI血流速度與脈沖多普勒血流速度，驗(yàn)證了BSI測(cè)量血流速度的準(zhǔn)確性，表明其能夠觀察和量化肺動(dòng)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?、瓣膜狹窄處的圓形血流和肺動(dòng)脈的異常血流渦流，可以更好地顯示復(fù)雜先天性疾?。ㄈ缬沂译p出口）的血流動(dòng)力學(xué)模式。Nyrnes等［27］研究認(rèn)為，BSI精確的速度測(cè)量深度可達(dá)8 cm，且其與脈沖多普勒測(cè)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(rèn)為，即使在復(fù)雜的血流情況下，BSI也可以用來(lái)計(jì)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(chǎng)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(dá)定向血流場(chǎng)的瞬時(shí)形狀，同時(shí)也傳達(dá)與時(shí)間相關(guān)的血流軌跡，有助于理解復(fù)雜的血流動(dòng)力學(xué)模式。另有研究［29］認(rèn)為BSI有可能提高產(chǎn)前主動(dòng)脈縮窄的檢測(cè)率，這仍是一個(gè)基于傳統(tǒng)胎兒影像的診斷挑戰(zhàn)，有待進(jìn)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(chǎng)切面上整個(gè)區(qū)域的二維速度，但其缺陷在于無(wú)法以更高的速度準(zhǔn)確跟蹤血流運(yùn)動(dòng)。VFM與BSI一樣，可以同時(shí)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(wú)需數(shù)學(xué)假設(shè)即可直接測(cè)量血流速度，是一種利用超快成像而直接測(cè)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(yùn)用于相對(duì)較淺的深度（通常小于10～12 cm）。