多普勒超声体内定量检测人工心瓣下游TSS方法学的实验研究

张 浒，杨百晖，张桂敏＊，王 钰，李甘牛，孙 毅，李 斌

（1.昆明医学院第一附属医院a.心血管外科；b.心脏彩超室，云南 昆明650032；2.南京航空航天大学）

研究发现，瓣膜置换术后并发症如血栓、溶血和组织过度生长等均与瓣下血流湍流剪应力（Turblent shear stress，TSS）的作用密切相关［1－3］。因此临床上定时检测瓣下TSS对瓣膜置换术后患者的长期随访评估人工心瓣性能提供有效的血流动力学依据。国内学者［4，5］利用多普勒超声检测结合计算机图形分析软件可以计算出二尖瓣机械瓣下血流TSS，但该方法所得TSS值是基于数学模型的推算而并非实测。因此本研究拟在二尖瓣置换术动物模型上通过多普勒超声检测结合软件计算的TSS与热线流速仪（hot-film anemometry，HFA）实测的TSS的对比研究和相关性分析，验证多普勒超声检测结合软件分析计算TSS的客观性和准确性。

1 材料和方法

1.1 二尖瓣置换术模型的建立

采用昆明医学院动物科提供的成年滇南小耳猪封闭群7头，体重在45－68kg。动物麻醉后胸骨正中切开，建立体外循环，降温至30℃，阻断升主动脉灌注4℃心脏冷停跳液（10－15ml／kg），同时心脏表面用冰泥降温，心脏停跳后，沿左心耳长轴切开显露二尖瓣，体位右侧倾斜300，充分提吊暴露手术视野，剪除二尖瓣叶，分别采用GK-II单叶机械瓣（2例），St Jude双叶机械瓣（3例）、HancockII生物瓣（2例）进行瓣膜置换。检查瓣膜启闭正常后，复温，同时给予多巴胺等血管活性药物。缝合左心耳，开放升主动脉，心脏不能自主复跳者给予10-20WS电除颤，并行循环复温期间调整心脏前后负荷和内环境，停机后鱼精蛋白1∶1的初始比例中和肝素，撤除体外循环管道。待循环稳定后即可开始测量。

1.2 人工心瓣下游流场多普勒超声检测

采用GE Healthcare Vivid S5型多普勒超声心动仪，探头频率2.0－3.5MHz。无菌手套包裹探头，直接置于心脏表面。分别于四腔心切面（AFC）和二腔心切面（LTC）将速度频谱多普勒取样容积（1.5mm）置于下游距瓣尖0.5－2.0cm区域，确定核心区和周围边界共6个位点（AFC：Lc-核心区位点，Lo-外侧边界位点，Li-内侧边界位点；LTC：Lc-核心区位点，Lao-前外侧边界位点，Lpi-后内侧边界位点）在其上以频谱多普勒连续记录20个以上的二尖瓣跨瓣血流速度频谱，保存在多普勒超声心动仪上。

1.3 计算机图形分析

按照张桂敏等的方法［4，5］，首先将多普勒超声心动图仪记录并保存的待测位点至少5个心动周期的速度频谱图数字化，通过专门的图形分析软件，得到各个心动周期内速度的拟合曲线。计算机自动根据一系列公式计算，即可得到TSS。

1.4 热线流速仪（HFA）测TSS

1.4.1 HFA的标定 所谓的标定，就是给定一系列的已知流速，记录相应的电压值，用曲线拟合方法建立流速与电压的关系。本实验的标定是在体外循环机管道流动中进行的，其中曲线拟合的关系式如下：V＝30.0（E2－E20）＋30.0（E2－E20）2，式中流速单位为cm／s，电压单位为伏特（Vot）。

1.4.2 HFA探针的放置 将探针置于特制的金属鞘内，将金属鞘经心尖穿入左心室，在超声定位下将探针放于瓣下核心区和周围边界6个位点直接测量。1.5 统计学处理 所有数据以±s表示，用t检验及方差分析，并做直线相关分析。

2 结果

见表1，三种人工瓣膜下游核心区和边缘区6个测速点上应用多普勒超声结合计算机图形分析软件测算TSS值与HFA检测的TSS值比较无显著性差异 （P＞0.05）。相关分析显示：两种检测方法所得结果呈正相关（r＝0.91，P＜0.05）。

表1 三种人工瓣膜下游6个测速点上多普勒超声测算与HFA检测的TSS值比较（±s）

表1 三种人工瓣膜下游6个测速点上多普勒超声测算与HFA检测的TSS值比较（±s）

Itemes TSS（N／m2）GK-Ⅱ单叶机械瓣n＝2 St.Jude双叶机械瓣n＝3 HancockII生物瓣n 5.7 52.6±13.5 50.4±17.8 A 47.4±12.6 58.8±16.7 53.4±12.1 59.5±15.3 47.4±17.1 59.3±17.9 Li E 141.9±28.1 139.0±29.9 104.9±28.5 119.0±19.9 105.9±28.3 102.0±28.3 A 137.6±26.5 144.0±28.1 107.6±25.5 114.0±18.1 106.6±25.5 103.0±25.3 Lo E 146.4±25.3 149.0±24.3 104.4±24.3 109.0±14.3 108.4±24.7 109.0±27.6 A 141.5±23.2 137.0±28.1 110.7±23.9 107.0±18.1 111.7±23.5 101.0±22.1 LTCLc E 59.0±21.2 55.4±15.8 59.6±23.8 52.3±15.7 57.5±23.5 51.4±17.8 A 55.3±21.7 58.8±16.7 55.3±15.3 59.5±15.3 54.2±15.6 59.3±17.9 Lao E 138.5±23.1 134.0±29.3 105.5±15.1 114.0±19.3 106.5±25.3 97.0±23.7 A 141.2±22.9 142.0±24.3 113.2±22.9 112.0±24.3 112.2±22.1 103.0±26.3 Lpi E 147.3±24.4 140.0±29.1 108.5±15.3 110.0±19.1 109.7±25.5 105.0±27.2 A 139.7±25.3 148.0±28.3 109.6±14.1 118.0±18 ler AFCLc E 53.2±16.5 55.1±15.8 50.4±14.3 52.3±1＝2 HFA Doppler HFA Doppler HFA Dopp.3 107.3±24.2 107.0±29.1

3 讨论

自1960年以来，随着人工心瓣置换术的发展，已能有效地使心瓣膜疾病患者的生命得以延长，心功能得到改善。但与此同时，术后并发症，如血栓栓塞、溶血、组织过度生长等，往往使得部分受术者的生存质量不佳。随着心瓣流体力学的进展，人们发现这些并发症的产生与瓣后的流场分布及血流TSS的作用密切相关［1－3］。同时，一些研究和临床实践也表明，在许多瓣膜疾病中，如二尖瓣狭窄等，TSS也有着十分重要的作用［6－8］。因此，定时地测量瓣后血流TSS可为一些瓣膜疾病的诊断和人工心瓣的性能评估提供有效的血流动力学依据。

TSS的研究也分为体外和在体两大类。体外研究主要采用模拟研究的方法，即先设计该原型现象或过程的相似力学模型，然后通过对模型的研究，间接地得出有关原型的规律。其特点是所有研究都是在离体条件下模拟人体或动物心瓣流场构建相应的模型，因而研究结果将难以如实地反映不同个体内心瓣流场中高度扰动的TSS，为此需要通过体内实时研究，才能对体内心瓣流场中TSS进行较为客观的描述。HFA由于具有三维测速并可以直接测量TSS大小等特点被认为是现在检测TSS的金标准［9］。但是HFA为有创检测方法，不能直接应用于人体检测TSS。动物实验的优点在于实验过程便于操作和控制，流场环境更接近于人体，因此它是体外研究和人体研究的桥梁。超声多普勒具有安全无创，简便易行和可重复性强等特点，新一代多功能彩色超声多普勒的问世，更大大提高了对心瓣血流速度、方向、流型等描述的准确性。同时，在许多医院里，彩色超声多普勒已成为瓣膜疾病术前、术后检查的常规手段，因此，国内学者提出了基于彩色超声多普勒速度图像分析的瓣后血流TSS的在体无创测量技术，研制了相应的软件。但该方法基于数学模型的推算而并非实测，本研究在瓣膜置换术动物模型上，通过三种人工瓣膜下游核心区和边缘区六个测速点上的比较，发现两种方法测算结果无显著性差异，多普勒超声结合软件分析计算TSS与HFA实测结果正相关，因此该检测方法是一种比较客观准确的体内无创检测TSS方法，能较客观地反映二尖瓣人工瓣膜下游流场的情况，可用于人工瓣膜下游血流动力学性能的定量评估和研究。

［1］Koppensteiner R，Moritz A，Schlick W，et al.Blood rheology after cardiac valve replacement with mechanical prostheses or bioprostheses［J］.Am J Cardiol，1991，67（1）：79.

［2］Carcia MJ，Vandervoort P，Stewar WJ，et al.Mechanisms of hemolysis with mitral proshetic regurgitation.Study using transesophageal echocardiography and fluid dynamic simulation［J］.J Am Coll Cardiol，1996，27（2）：399.

［3］Schoephoer RT，Chandran KB.Velocity and turbulence measurements past mitral valve prostheses in a model left ventricle［J］.J Biomech，1991，24（7）：549.

［4］张桂敏，石应康，唐 红，等.二尖瓣狭窄下游湍流剪应力体内多普勒超声定量检测的方法学研究［J］.生物医学工程学杂志，2002，19（1）：71.

［5］樊瑜波，蒲 放，蒋文涛，等.瓣后血流湍流剪应力在体无创测量技术［J］.中国生物医学工程学学报，2003，22（2）：133.

［6］Davies PF，Remuzzi A，Gordonl EJ，et al.Turbulent fluid shear stress induces vascular endothelial cell turnover in vitro［J］.Proc Natl Acad Sci U.S.A.，1986，83（11）：2114.

［7］Cape EG，Vanauker MD，Sigfusson G，et al.Potential role of mechanical stress in the etiology of prediatric heart disease：septal shear stress in subaortic stenosis［J］.J Am Coll Cardiol，1997，30（3）：247.

［8］张桂敏，石应康，唐 红.二尖瓣下游湍流剪应力与心瓣膜损害的关系［J］.中国胸心血管外科临床杂志，2001，8（4）：217.

［9］Hasenkam JM.Studies of velocity fields and turbulence downstream of aortic valve prostheses in vitro and in vivo［J］.Danish Medical Bulletin，1990，37（3）：235