血流向量成像技术对正常人心动周期不同时相左室流态的研究

马楚云 赵宝珍 熊文峰

正常心脏在舒张、收缩运动中,血液有规律地流入、射出心室,保证了有效的“泵”功能。近年来通过组织速度成像、二维斑点追踪等技术,对心肌整体及局部运动进行了细致研究,而对心腔内血流动力学状态的研究较少。血流向量成像（vector flow mapping,VFM）技术可将血流分解为流入观测平面的基本流和平面内封闭的涡流[1],通过向量图及流线图模式评价心腔血流动力学变化,直观显示出心腔内的血流特点。本研究应用VFM技术对正常人心动周期不同时相左室腔内血流动力学特点进行观察,探讨VFM的临床应用价值。

1 资料和方法

1.1 研究对象

健康志愿者48例,男性30例,女性18例,年龄22～74岁,平均（52.2±14.3）岁。经病史、体检、心电图、实验室检查及超声心动图检查排除心、肺疾病。

1.2 仪器和方法

1.2.1 仪器超声仪器为Alokaα-10彩色多普勒超声仪,使用PA 52101心脏探头,频率范围2.0～5.0 MHz,图像由VFM软件DAS-RS1工作站处理分析。

1.2.2 检测方法受检者左侧卧位,平静呼吸,连接心电图,先常规超声心动图检查,然后于心尖位三腔观采集左室腔内动态彩色多普勒血流图像,帧频30f/s左右,将彩色多普勒脉冲重复频率调至无混迭,嘱患者屏住呼吸采集图像,（采集图像时心率范围60～100次/min）后存储于移动硬盘进行脱机分析。

1.2.3 VFM软件分析VFM以动态彩色多普勒图为基础,将心腔内血流以向量图和流线图方式显示,可固定时相进行逐一检测。向量图以黄色直线表示,一端的红色圆点代表向量方向,直线长短标示向量大小。流线图以近似平行和相对闭合的曲线表示,曲线的两个端点表明血流流向,黄色圆点代表起始点,粉色圆点代表终止点。基本流为近似平行的曲线,涡流为相对闭合的曲线。VFM图像左上角可调节显示等流量参数线值、等流速线值、线条粗细及密度。线条粗细（thick,T）值代表线条粗细程度,T值越大,线条越粗; D值（density,D）代表线条密度,D值越大,线条越多; 流量参数和流速值分别以cm2/s和cm/s表示,数值越大,显示的线条越少。测量涡流参数时,血流显示流量参数调至1 cm2/s,T值调至1,观察涡流纵径、横径; 计量两组涡流圈数时,血流显示流量参数调至3 cm2/s,T值调至1。涡流横径为通过其中心的左右方向上的最大径,涡流纵径为通过其中心、垂直于横径的最大径,两者皆以mm为计量单位。同一时相有多个涡流时选择最大的涡流进行测量。

1.3 统计学处理

采用SPSS 13.0统计学软件,涡流参数经正态性及方差齐性检验后进行F检验,不同心动周期涡流参数比较采用SNK（Student-Newman-Keuls）检验法。

2 结果

VFM显示心动周期不同时相左室腔内血流形态特点,以舒张期的等容舒张期、舒张早期、舒张中期和舒张晚期（左房收缩期）4个时相和收缩期的等容收缩期、快速射血期和缓慢射血期3个时相所显示的特点进行描述。

2.1 舒张期血流形态特点

向量图显示舒张早期为朝向心尖的黄色短线,近中轴处线条密集,近心肌壁的线条稀疏,自二尖瓣口至心尖,线条逐渐变短,速度向量变小; 舒张中期清晰可见左室腔内基底段到心尖段不同水平从流入道向流出道转向的血流,流入道二尖瓣口至心尖的线条长短差异不明显,速度梯度变化小,流出道心尖至主动脉瓣口的线条长度逐渐增加,向量速度增快; 舒张晚期向量图类似于舒张早期,为自二尖瓣口向心尖逐渐缩短的黄线,与舒张早期相比,心尖部线条缩短更明显,向量速度梯度增加; 等容舒张期仅见少量自主动脉瓣下朝向心尖的短黄线,速度极低。流线图舒张早期展现出通过二尖瓣口流向心尖的密集血流,其方向近似于平行,分布均匀; 舒张中期则呈现沿流入道进入左室和从左室腔转向流出道形成的近似闭合曲线,大部分流入道流线较流出道密集,少部分流入道流线较流出道稀疏; 舒张晚期流线与舒张早期类似,但密度较早期稀疏、二尖瓣口与心尖部流线疏密差异增大; 等容舒张期显示主动脉瓣下朝向心尖的稀少间断血流。涡流图舒张早期显现为二尖瓣下的小涡流,形态不规则,大多数为前后叶处均有,位于前叶处普遍大于后叶,少部分亦可见沿流入道分布的靠近心肌壁的小涡流; 舒张中期显示几乎充满整个左室腔的大涡流,形态规则,近中轴相对于靠心肌壁侧密集,少数者二尖瓣后叶及心尖可见小涡流; 舒张晚期二尖瓣下见与舒张早期位置相似的小涡流,形态较之缩小; 等容舒张期无涡流出现（图1）。

2.2 收缩期血流形态特点

向量图快速射血期、缓慢射血期均显示为快速流向主动脉瓣口的密集黄色短线,自心尖部至主动脉瓣口线条逐渐加长、密度及速度增加,缓慢射血期向量速度比快速射血期减低; 等容收缩期向量图明显展示出自流入道向流出道的血流方向变化,流入道和流出道线条长短近似相等,速度向量差异不显著。流线图快速射血期、缓慢射血期均呈现自心尖沿流出道至主动脉瓣口的流线,疏密均匀,方向大致相同,缓慢射血期流线较快速射血期稀疏; 等容收缩期示左室中上部自流入道向流出道转向血流形成的近似闭合曲线。涡流图显现快速射血期为主动脉瓣下靠近流入道一侧的小涡流,形态不规则,少部分亦可见沿流出道分布的靠近心室壁的小涡流; 缓慢射血期多数未见明显涡流,仅极少数于主动脉瓣下或左室流出道近心室壁侧见少量极小涡流; 等容收缩期大多表现为位于左室中上部的较大涡流,形态较规则,疏密较均匀,少数二尖瓣下及左室中下部亦可见少量形态不规则的小涡流（图2）。

2.3 心动周期不同时相涡流参数比较

图2 收缩期左室腔血流向量图、流线图和涡流图像 A,D,G:快速射血期; B,E,H:缓慢射血期; C,F,I:等容收缩期; A,B,C:向量图; D,E,F:流线图; G,H,I:涡流图

左室腔内不同心动周期时相中涡流的纵径、横径以及圈数呈现一定规律,即舒张中期涡流纵径及横径最大,圈数最多,涡流纵径大于横径,舒张早期和舒张晚期涡流参数值相对接近,其横径大于纵径。等容收缩期涡流的纵径、横径以及圈数仅次于舒张中期,呈纵径大于横径表现,快速射血期涡流最小、圈数最少。5个时相中涡流参数统计结果差异有统计学意义（P<0.05）,结果详见表1。

3 讨论

心腔内的血流状态与心脏功能、心肌运动密切相关。正常人心肌运动协调,在有规律的心电传导下,心肌运动使心腔内血流在心动周期不同时相中发生动力学变化。舒张期血液由左房进入左室,带着自身血流动能,加之左室腔复杂的形态结构,自流入道转向流出道; 等容收缩期左室肌收缩扭转,加速这种血流转向,增加了血流动能,当左室压升高至射血期主动脉瓣开放,血流进入主动脉,左室肌持续收缩使血液保持高效动能,连续不断射入主动脉,随后主动脉瓣关闭,等容舒张期开始,左室压迅速下降,进入下一个舒张期。既往超声心动图频谱多普勒可探测心腔内的血流速度,尤其平行于声束方向的心瓣膜口血流速度,但无法显现不同方向不同速率的血流状态。近期兴起的VFM将血液分为代表血流方向的基本流和封闭平面的涡流,利用流体函数原理推导计算出垂直于声束的血流速度,进而得到实际的血流速度方向和大小[1]。本研究中VFM通过流线图、向量图直观显现了这一过程。舒张早期左房压明显大于左室压,血液以基本流的方式进入左室,越靠近中轴流量越大,二尖瓣口向心尖部血流速度逐渐降低,二尖瓣下出现圈数较少的小涡流,且横径大于纵径,为快速进入左室的血液与二尖瓣叶碰撞形成,少数流入道心肌壁侧极小的涡流可能为血流撞击室壁所致。 舒张中期血流到达心尖后转向,朝向左室流出道流动,形成充满整个左室腔的大涡流,涡流最大,圈数最多,而流入道和流出道流线的疏密度不同说明流量参数存在一定差异,可能跟个体血流转向时间先后有关,帧频不同、心电传导及图像采集时相差别可能为影响因素。 舒张晚期,由于左房收缩,血液再次充盈左室,除基本层流外,二尖瓣下因血流碰撞再次出现与舒张早期类似的小涡流。舒张晚期相比舒张早期,流线密度的稀疏说明流量参数较前者减少,心室充盈以舒张早期为主,而心尖部与房室瓣口向量梯度增加,可能由于左室压随血流充盈至舒张晚期逐渐升高,房室压差小于舒张早期,虽左房收缩血流仍不能完全到达心尖所致。等容收缩期作为心脏射血的贮备阶段,左室腔内血流进一步从流入道转向流出道,形成以涡流为主的血流状态,涡流大、圈数多; 射血期由于血液以层流方式快速射入主动脉,射血早期二尖瓣下仅出现小涡流,其意义在于促使二尖瓣在左室收缩早期保持关闭状态[2]。研究中等容舒张期未测及涡流,分析与左室内朝向心尖的血流速度极低有关,此为左室充盈的准备阶段。射血期、舒张早期及舒张晚期出现的小涡流是由射流衍生的反向涡流,横径大于纵径[3],而舒张中期、等容收缩期的大涡流是因心室内血流碰撞到室壁后改变方向的回旋血流所形成[3],纵径大于横径,这种整体的大涡流不是简单的同等量液体的推进,而是动量的有效传递,起到一个动态促成血流方向逆转的作用[4]。

表1 左室腔内不同心动周期时相中涡流纵、横径以及圈数比较

有研究认为,流体最普遍的运动方式是漩涡,液体以涡流的形式传播,可能是自然界中最高效的能量传递形式[5]。心室内漩涡的形成与心室的解剖结构、心肌的运动和电生理以及心室的功能等多因素相关[4,6-7],通过研究心室内血液流动规律可以了解心脏的生理功能。VFM通过流线、向量等模式不仅显示心腔内基本流的方向、大小,而且对涡流进行测量,为探测心腔血流动力学改变提供了新的方法,可以初步定量研究心腔内复杂的流态。

但VFM技术目前也存在一定的局限性,其只能研究二维平面的向量变化,无法完全满足左室复杂的三维结构。心脏作为一个整体,心腔内血流和心肌运动、心电活动及心脏形态相互作用互为影响,本研究仅探讨了心动周期不同时相血流的向量图、流线图及涡流图变化,得出一定规律,但这种血流动力学改变与心腔大小、心肌运动等的具体关系尚待进一步研究。

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