馬楚云 趙寶珍 熊文峰

正常心臟在舒張、收縮運動中,血液有規(guī)律地流入、射出心室,保證了有效的“泵”功能。近年來通過組織速度成像、二維斑點追蹤等技術(shù),對心肌整體及局部運動進行了細致研究,而對心腔內(nèi)血流動力學(xué)狀態(tài)的研究較少。血流向量成像（vector flow mapping,VFM）技術(shù)可將血流分解為流入觀測平面的基本流和平面內(nèi)封閉的渦流[1],通過向量圖及流線圖模式評價心腔血流動力學(xué)變化,直觀顯示出心腔內(nèi)的血流特點。本研究應(yīng)用VFM技術(shù)對正常人心動周期不同時相左室腔內(nèi)血流動力學(xué)特點進行觀察,探討VFM的臨床應(yīng)用價值。

1 資料和方法

1.1 研究對象

健康志愿者48例,男性30例,女性18例,年齡22～74歲,平均（52.2±14.3）歲。經(jīng)病史、體檢、心電圖、實驗室檢查及超聲心動圖檢查排除心、肺疾病。

1.2 儀器和方法

1.2.1 儀器超聲儀器為Alokaα-10彩色多普勒超聲儀,使用PA 52101心臟探頭,頻率范圍2.0～5.0 MHz,圖像由VFM軟件DAS-RS1工作站處理分析。

1.2.2 檢測方法受檢者左側(cè)臥位,平靜呼吸,連接心電圖,先常規(guī)超聲心動圖檢查,然后于心尖位三腔觀采集左室腔內(nèi)動態(tài)彩色多普勒血流圖像,幀頻30f/s左右,將彩色多普勒脈沖重復(fù)頻率調(diào)至無混迭,囑患者屏住呼吸采集圖像,（采集圖像時心率范圍60～100次/min）后存儲于移動硬盤進行脫機分析。

1.2.3 VFM軟件分析VFM以動態(tài)彩色多普勒圖為基礎(chǔ),將心腔內(nèi)血流以向量圖和流線圖方式顯示,可固定時相進行逐一檢測。向量圖以黃色直線表示,一端的紅色圓點代表向量方向,直線長短標(biāo)示向量大小。流線圖以近似平行和相對閉合的曲線表示,曲線的兩個端點表明血流流向,黃色圓點代表起始點,粉色圓點代表終止點?；玖鳛榻破叫械那€,渦流為相對閉合的曲線。VFM圖像左上角可調(diào)節(jié)顯示等流量參數(shù)線值、等流速線值、線條粗細及密度。線條粗細（thick,T）值代表線條粗細程度,T值越大,線條越粗; D值（density,D）代表線條密度,D值越大,線條越多; 流量參數(shù)和流速值分別以cm2/s和cm/s表示,數(shù)值越大,顯示的線條越少。測量渦流參數(shù)時,血流顯示流量參數(shù)調(diào)至1 cm2/s,T值調(diào)至1,觀察渦流縱徑、橫徑; 計量兩組渦流圈數(shù)時,血流顯示流量參數(shù)調(diào)至3 cm2/s,T值調(diào)至1。渦流橫徑為通過其中心的左右方向上的最大徑,渦流縱徑為通過其中心、垂直于橫徑的最大徑,兩者皆以mm為計量單位。同一時相有多個渦流時選擇最大的渦流進行測量。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 13.0統(tǒng)計學(xué)軟件,渦流參數(shù)經(jīng)正態(tài)性及方差齊性檢驗后進行F檢驗,不同心動周期渦流參數(shù)比較采用SNK（Student-Newman-Keuls）檢驗法。

2 結(jié)果

VFM顯示心動周期不同時相左室腔內(nèi)血流形態(tài)特點,以舒張期的等容舒張期、舒張早期、舒張中期和舒張晚期（左房收縮期）4個時相和收縮期的等容收縮期、快速射血期和緩慢射血期3個時相所顯示的特點進行描述。

2.1 舒張期血流形態(tài)特點

向量圖顯示舒張早期為朝向心尖的黃色短線,近中軸處線條密集,近心肌壁的線條稀疏,自二尖瓣口至心尖,線條逐漸變短,速度向量變小; 舒張中期清晰可見左室腔內(nèi)基底段到心尖段不同水平從流入道向流出道轉(zhuǎn)向的血流,流入道二尖瓣口至心尖的線條長短差異不明顯,速度梯度變化小,流出道心尖至主動脈瓣口的線條長度逐漸增加,向量速度增快; 舒張晚期向量圖類似于舒張早期,為自二尖瓣口向心尖逐漸縮短的黃線,與舒張早期相比,心尖部線條縮短更明顯,向量速度梯度增加; 等容舒張期僅見少量自主動脈瓣下朝向心尖的短黃線,速度極低。流線圖舒張早期展現(xiàn)出通過二尖瓣口流向心尖的密集血流,其方向近似于平行,分布均勻; 舒張中期則呈現(xiàn)沿流入道進入左室和從左室腔轉(zhuǎn)向流出道形成的近似閉合曲線,大部分流入道流線較流出道密集,少部分流入道流線較流出道稀疏; 舒張晚期流線與舒張早期類似,但密度較早期稀疏、二尖瓣口與心尖部流線疏密差異增大; 等容舒張期顯示主動脈瓣下朝向心尖的稀少間斷血流。渦流圖舒張早期顯現(xiàn)為二尖瓣下的小渦流,形態(tài)不規(guī)則,大多數(shù)為前后葉處均有,位于前葉處普遍大于后葉,少部分亦可見沿流入道分布的靠近心肌壁的小渦流; 舒張中期顯示幾乎充滿整個左室腔的大渦流,形態(tài)規(guī)則,近中軸相對于靠心肌壁側(cè)密集,少數(shù)者二尖瓣后葉及心尖可見小渦流; 舒張晚期二尖瓣下見與舒張早期位置相似的小渦流,形態(tài)較之縮小; 等容舒張期無渦流出現(xiàn)（圖1）。

2.2 收縮期血流形態(tài)特點

向量圖快速射血期、緩慢射血期均顯示為快速流向主動脈瓣口的密集黃色短線,自心尖部至主動脈瓣口線條逐漸加長、密度及速度增加,緩慢射血期向量速度比快速射血期減低; 等容收縮期向量圖明顯展示出自流入道向流出道的血流方向變化,流入道和流出道線條長短近似相等,速度向量差異不顯著。流線圖快速射血期、緩慢射血期均呈現(xiàn)自心尖沿流出道至主動脈瓣口的流線,疏密均勻,方向大致相同,緩慢射血期流線較快速射血期稀疏; 等容收縮期示左室中上部自流入道向流出道轉(zhuǎn)向血流形成的近似閉合曲線。渦流圖顯現(xiàn)快速射血期為主動脈瓣下靠近流入道一側(cè)的小渦流,形態(tài)不規(guī)則,少部分亦可見沿流出道分布的靠近心室壁的小渦流; 緩慢射血期多數(shù)未見明顯渦流,僅極少數(shù)于主動脈瓣下或左室流出道近心室壁側(cè)見少量極小渦流; 等容收縮期大多表現(xiàn)為位于左室中上部的較大渦流,形態(tài)較規(guī)則,疏密較均勻,少數(shù)二尖瓣下及左室中下部亦可見少量形態(tài)不規(guī)則的小渦流（圖2）。

2.3 心動周期不同時相渦流參數(shù)比較

圖2 收縮期左室腔血流向量圖、流線圖和渦流圖像 A,D,G:快速射血期; B,E,H:緩慢射血期; C,F,I:等容收縮期; A,B,C:向量圖; D,E,F:流線圖; G,H,I:渦流圖

左室腔內(nèi)不同心動周期時相中渦流的縱徑、橫徑以及圈數(shù)呈現(xiàn)一定規(guī)律,即舒張中期渦流縱徑及橫徑最大,圈數(shù)最多,渦流縱徑大于橫徑,舒張早期和舒張晚期渦流參數(shù)值相對接近,其橫徑大于縱徑。等容收縮期渦流的縱徑、橫徑以及圈數(shù)僅次于舒張中期,呈縱徑大于橫徑表現(xiàn),快速射血期渦流最小、圈數(shù)最少。5個時相中渦流參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）,結(jié)果詳見表1。

3 討論

心腔內(nèi)的血流狀態(tài)與心臟功能、心肌運動密切相關(guān)。正常人心肌運動協(xié)調(diào),在有規(guī)律的心電傳導(dǎo)下,心肌運動使心腔內(nèi)血流在心動周期不同時相中發(fā)生動力學(xué)變化。舒張期血液由左房進入左室,帶著自身血流動能,加之左室腔復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu),自流入道轉(zhuǎn)向流出道; 等容收縮期左室肌收縮扭轉(zhuǎn),加速這種血流轉(zhuǎn)向,增加了血流動能,當(dāng)左室壓升高至射血期主動脈瓣開放,血流進入主動脈,左室肌持續(xù)收縮使血液保持高效動能,連續(xù)不斷射入主動脈,隨后主動脈瓣關(guān)閉,等容舒張期開始,左室壓迅速下降,進入下一個舒張期。既往超聲心動圖頻譜多普勒可探測心腔內(nèi)的血流速度,尤其平行于聲束方向的心瓣膜口血流速度,但無法顯現(xiàn)不同方向不同速率的血流狀態(tài)。近期興起的VFM將血液分為代表血流方向的基本流和封閉平面的渦流,利用流體函數(shù)原理推導(dǎo)計算出垂直于聲束的血流速度,進而得到實際的血流速度方向和大小[1]。本研究中VFM通過流線圖、向量圖直觀顯現(xiàn)了這一過程。舒張早期左房壓明顯大于左室壓,血液以基本流的方式進入左室,越靠近中軸流量越大,二尖瓣口向心尖部血流速度逐漸降低,二尖瓣下出現(xiàn)圈數(shù)較少的小渦流,且橫徑大于縱徑,為快速進入左室的血液與二尖瓣葉碰撞形成,少數(shù)流入道心肌壁側(cè)極小的渦流可能為血流撞擊室壁所致。 舒張中期血流到達心尖后轉(zhuǎn)向,朝向左室流出道流動,形成充滿整個左室腔的大渦流,渦流最大,圈數(shù)最多,而流入道和流出道流線的疏密度不同說明流量參數(shù)存在一定差異,可能跟個體血流轉(zhuǎn)向時間先后有關(guān),幀頻不同、心電傳導(dǎo)及圖像采集時相差別可能為影響因素。 舒張晚期,由于左房收縮,血液再次充盈左室,除基本層流外,二尖瓣下因血流碰撞再次出現(xiàn)與舒張早期類似的小渦流。舒張晚期相比舒張早期,流線密度的稀疏說明流量參數(shù)較前者減少,心室充盈以舒張早期為主,而心尖部與房室瓣口向量梯度增加,可能由于左室壓隨血流充盈至舒張晚期逐漸升高,房室壓差小于舒張早期,雖左房收縮血流仍不能完全到達心尖所致。等容收縮期作為心臟射血的貯備階段,左室腔內(nèi)血流進一步從流入道轉(zhuǎn)向流出道,形成以渦流為主的血流狀態(tài),渦流大、圈數(shù)多; 射血期由于血液以層流方式快速射入主動脈,射血早期二尖瓣下僅出現(xiàn)小渦流,其意義在于促使二尖瓣在左室收縮早期保持關(guān)閉狀態(tài)[2]。研究中等容舒張期未測及渦流,分析與左室內(nèi)朝向心尖的血流速度極低有關(guān),此為左室充盈的準(zhǔn)備階段。射血期、舒張早期及舒張晚期出現(xiàn)的小渦流是由射流衍生的反向渦流,橫徑大于縱徑[3],而舒張中期、等容收縮期的大渦流是因心室內(nèi)血流碰撞到室壁后改變方向的回旋血流所形成[3],縱徑大于橫徑,這種整體的大渦流不是簡單的同等量液體的推進,而是動量的有效傳遞,起到一個動態(tài)促成血流方向逆轉(zhuǎn)的作用[4]。

表1 左室腔內(nèi)不同心動周期時相中渦流縱、橫徑以及圈數(shù)比較

有研究認為,流體最普遍的運動方式是漩渦,液體以渦流的形式傳播,可能是自然界中最高效的能量傳遞形式[5]。心室內(nèi)漩渦的形成與心室的解剖結(jié)構(gòu)、心肌的運動和電生理以及心室的功能等多因素相關(guān)[4,6-7],通過研究心室內(nèi)血液流動規(guī)律可以了解心臟的生理功能。VFM通過流線、向量等模式不僅顯示心腔內(nèi)基本流的方向、大小,而且對渦流進行測量,為探測心腔血流動力學(xué)改變提供了新的方法,可以初步定量研究心腔內(nèi)復(fù)雜的流態(tài)。

但VFM技術(shù)目前也存在一定的局限性,其只能研究二維平面的向量變化,無法完全滿足左室復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。心臟作為一個整體,心腔內(nèi)血流和心肌運動、心電活動及心臟形態(tài)相互作用互為影響,本研究僅探討了心動周期不同時相血流的向量圖、流線圖及渦流圖變化,得出一定規(guī)律,但這種血流動力學(xué)改變與心腔大小、心肌運動等的具體關(guān)系尚待進一步研究。

[1]Ohtsuki S,Tanaka M.The flow velocity distribution from the Doppler information on a plane in three-dimentional flow[J].J Visual,2006,9(1):69-82.

[2]Sengupta PP,Khandheria BK,Korinek J,et a1.Left ventricular isovolumic flow sequence during sinus and paced rhythms:new insights from use of high-resolution Doppler and ultrasonic digital particle imaging velocimetry[J].J Am Coll Cardiol,2007,49(8):899-908.

[3]Gharib M,Rambod E,Kheradvar A,et al.Optimal vortex formation as an index of cardiac health[J].California Institute of Technology,2006,103(16):6305-6308.

[4]Tanaka M,Sakamoto T,Sugawara S,et al.Blood flow structure and dynamics,and ejection mechanism in the left ventricle:analysis using echo-dynamography[J].J Cardiol 2008,52(2):86-101.

[5]Dabiri JO,Gharib M.The role of optimal vortex formation in biological fluid transport[J].Proc Biol Sci,2005,7(272):1557-1560.

[6]Sepherd JT,Vanhoutte PM.The human cardiovascular system[M].New York:Raven Press,1979:68.

[7]GeL,RatcliffeM,Theuseof computational flow modeling(CFD) to determine the effect of left ventricular shape on blood flow in the left ventricle[J].Ann Thorac Surg,2009,87(4):993-994.