超声粒子图像测速技术评估左心室涡旋特性的初步研究

张耀楠，周伟，牛丽丽

1.西安思源学院 电子信息工程学院，陕西 西安 710038；2.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院， 辽宁 沈阳110169；3.中国科学院深圳先进技术研究院 生物医学与健康工程研究所， 广东 深圳 518055

超声粒子图像测速技术评估左心室涡旋特性的初步研究

张耀楠1，2，周伟2,3，牛丽丽3

1.西安思源学院 电子信息工程学院，陕西 西安 710038；2.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院， 辽宁 沈阳110169；3.中国科学院深圳先进技术研究院 生物医学与健康工程研究所， 广东 深圳 518055

左心室涡旋特性可被认为是心脏健康潜在的指示器，通过超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性是一个较新的研究方向，关键是要证明其具有足够的可靠性和精确性，以便用于临床应用。为此，本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统，搭建了一个人体血液循环仿真系统，通过聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿体，以便在受控条件下测试超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性的可行性。系统可以对仿体进行连续成像，通过调整扫描线密度、图像宽度、图像深度等参数，最快可以实现每秒钟上千帧的成像速度。实验过程中，在液体水池中打入超声造影微泡，开启脉动泵循环多个周期，对仿体进行实验采集。通过超声粒子图像测速技术可得到心脏内血液流动的速度分布，进一步可计算出心脏内涡旋的相关参数，包括能量损失（DI）、能量波动（EF）、涡旋相对强度（RS）、涡旋的波动（W）等。结果证明所构建的系统、仿体、相关算法是可行的，可为下一步工作打好基础。

超声；粒子图像测速；左心室；涡旋

0 引言

研究表明，左心室血液的流动动态可以被认为是心脏健康一个潜在的指示器[1-2]。研究者在研究过程中发现，在心室舒张充盈的过程中，血流会在心室腔内形成涡旋。在心室等容收缩期，心室的收缩会加大涡旋的强度，血液在心室内以涡旋的形式流动，可以减少血液之间和血流与心室壁之间的碰撞。在心室的射血期，涡旋形式的血流有利于射血时血流方向的改变，从而提高心脏射血的效率。因此，涡旋可以最小化血液流动过程中能量的损失，并减少心脏射血时所需要的能量[3-9]。心脏相当于一个大血泵，可为全身供血，在心脏收缩期时，心脏通过逆时针的扭转和挤压将血液泵至全身各处；在心脏舒张期时，通过顺时针方向将血液抽回心脏。当心脏遭受心肌梗塞、心力衰竭、肥厚型心肌症等疾病危害时，心脏的功能会发生紊乱，心脏内的血流动力学参数会发生变化。

目前用于计算心脏内涡旋参数的主要方法有：相位对比的心脏核磁共振成像技术和基于彩色多普勒的血流向量图。1986年Nayler GL等人提出利用相位对比技术对血流速度进行测量，相位对比的核磁共振成像（Phase-contrast Cardiac Magnetic Resonance）技术应用大小相等、方向相反的两叶组成的双极梯度磁场，第一叶使静止和流动组织的质子群进行相位积聚，随之应用第二叶，静止质子丧失相位，总相位为零，而流动的血液在两个梯度之间，经过不同的正负梯度，累加后产生相位位移。此时相位位移与血液在流速编码方向的流动成正比，从而通过公式可计算得到心脏内血流的速度场。近些年由于科学技术的发展，磁共振血流成像在三维成像的基础上添加了时间上分辨率，成为四维核磁共振（4D MRI）血流成像[10]。

基于彩色多普勒的血流向量图将血流分解为进入观测平面的基本流和平面内封闭的涡流，可测量心动周期不同时刻心腔内任意一点真实的血流速度。首先通过彩色多普勒成像，扫描心室内的血流区域，得到心室内各个位置沿扫描波束方向的血液流动状况。再根据流函数和流距离函数得到速度场在垂直于波束方向的速度分量，从而得到心室内血流速度场二维分布。

核磁共振的成像方法在三维空间具有很高的空间分辨率，但是该方法在时间分辨率方面受到了极大的限制，计算非常消耗时间。彩色多普勒具有廉价、耗时短、时间分辨率高等优点，但是该方法尚未被体外模型验证，且对垂直于声束方向的涡旋测量不准确。

粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是用于流体显像的一种光学方法，被广泛应用于流体力学实验室，能测量流体的瞬时速度相关特性。其原理为在流体中充分植入具有良好流体动力学特征的粒子示踪剂，使用脉冲激光照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统获取两次或多次曝光的粒子图像，形成两幅或多幅PIV实验图像，再利用图像互相关方法进行分析，从而得出每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。超声粒子图像测速技术（Echo-PIV）采用超声波束作为显像源，微泡作为粒子示踪剂，能够显示心腔内血流动力。2000年，echo-PIV初次用于实验室显像挟沙水流中的高岭土粒子，随后该技术成功应用于心腔内血流实验和临床研究[11-13]。

通过超声粒子图像测速技术来计算心脏内涡旋特性还是一个较新的研究方向，关键是要证明其具有足够的可靠性和精确性，以便用于临床应用。为此，本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统，搭建了一个人体血液循环仿真系统，通过聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿体，以便在受控条件下测试超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性的可行性，报道如下。

1 实验系统

1.1 超声粒子图像测速技术总体流程

超声粒子图像测速技术总体示意图，见图1。本文采用超声线阵探头进行图像数据的采集，通过超声探头对仿体进行连续的B-mode超声成像，然后将前后两帧B-mode超声图像划分为有限个小的窗口，对前后两张图像对应位置的小窗口进行互相关分析，互相关平面极值所对应的位置即为最佳匹配点即小窗口运动到的位置，从而可以计算粒子的位移，由于B-mode超声成像的成像频率已知，所以可以求得整个流场的速度矢量图。

图1 超声粒子图像测速技术总体示意图

1.2 人体血液循环仿真系统的搭建

人体血液循环仿真系统，见图2。脉动泵采用Harvard Apparatus公司生产的大动物血泵，可以通过大动物血泵调整脉动频率、射血分数、射血体积等参数。超声采集设备使用的是Sonix RP系统，通过该系统可以对仿体进行连续成像，通过调整扫描线密度、图像宽度、图像深度等参数，最快可以实现每秒钟上千帧的成像速度。流量计可以实时提供流入仿体液体的流量信息。试验中采用的仿体分为两种，一种是自制的聚乙烯醇（PVA）材料仿体，一种是购买的硅橡胶材料仿体，实验的过程中在液体水池中打入超声造影微泡，开启脉动泵循环多个周期，待超声造影微泡均匀分布在液体中时，对仿体进行实验采集。在仿体的后方放置吸收超声的材料，以减少超声数据采集时的噪声干扰。

图2 人体血液循环仿真系统

1.3 用于算法验证的左心室仿体

左心室硅胶仿体，见图3。此仿体购买自Shelley Medical Imaging Techologies公司。

图3 左心室硅胶仿体

该仿体拥有左心室、主动脉弓、主动脉、冠状动脉，上方为大脑和上肢供给血液的血管。实验时，将此仿体连接到血液循环系统中，打入超声造影微泡，采集数据，应用Echo-PIV算法对图像进行计算。由于此仿体是由硅胶制成的，对于超声波的反射很强，在成像的过程中表现出较多噪声，因此主要是采用这个仿体进行算法的验证。

1.3.1 聚乙烯醇（PVA）水凝胶的制备

聚乙烯醇PVA水溶液在室温下可以通过链段之间的氢键逐渐形成水凝胶，但是这种水凝胶的力学性能较差，使用价值较低。为了获得高强度、高含水的PVA水凝胶，有研究者通过不同的交联方法和反应条件来直接影响高分子的网络结构从而改善其性能。

PVA水凝胶的制备按照交联方法可分为化学交联和物理交联。化学交联又分为辐射交联和化学试剂交联。辐射交联主要是利用电子束、紫外线等直接辐射PVA溶液，使PVA分子间通过自由基而交联在一起。化学试剂交联则是采用化学交联剂使PVA分子间发生化学反应而交联形成凝胶，常用的化学交联剂有醛类、硼酸、环氧氯丙烷以及可与PVA通过配位络合形成凝胶的重金属盐等。物理交联主要有反复冻结法和冻结部分脱水法。

水凝胶中PVA浓度为10wt%、散射子（Sigmacell Cellulose）浓度为3wt%，制作过程如下：

（1）准确称取PVA聚合物加入烧杯中，加入定量的纯净水，在烧杯中加入磁转子，并放入恒温加热磁力搅拌器中进行加热。30 ℃下搅拌1～2 h，使PVA聚合物充分溶胀，以利于后面加热时PVA聚合物的溶解。

（2）调整温度到95 ℃，加热搅拌1 h，观察溶液中没有悬浮的颗粒物，基本变为均一透明时即可，在加热的过程中为了防止水分的流失，可以在容器上面覆盖一层锡箔纸膜。

（3）在PVA聚合物完全溶解后，加入已经称好的Sigmacell Cellulose，继续加热搅拌15 min，使Sigmacell Cellulose均匀分布于PVA水溶液中，这时溶液呈现为乳白色。

（4）停止加热搅拌后，由于粘度较大，在溶液中可能会有气泡，把容器放入超声清洁器，震荡15 min，除去溶液内部的气泡，然后静置冷却至30 ℃。

1.3.2 左心室仿体的制备

左心室仿体模具，见图4。制作左心室仿体主要以图4模型为基础，以PVA水凝胶为材料。制作仿体需要一大一小两套模具（图4A），首先使用小模具（图4A-1）制作出一个实心模型，然后将此模型放入大模具（图4A-2）中，在大模具中形成空余位置，并在该位置加入PVA。具体流程如下：

（1）配置5.5%wt的琼脂糖溶液，将溶液放入微波炉中进行加热直至完全溶解。

（2）将溶液倒入小模具（图4A-1）中，静置一段时间待液体完全凝固。打开模型（图4C-1），即可得到左心室琼脂糖模型（图4B），将琼脂糖模型放入大模具中（图4C-2），可以看出大模具中琼脂糖模型周围有一部分空余的位置。

（3）从大模具上方小孔处注射PVA水凝胶直至溢出，然后将大模具密封。将密封好的大模具放入-20 ℃的冰箱中冻融12 h。最后将冻融好的仿体取出，通过挤压碾碎心室仿体内的琼脂糖，用水冲出琼脂糖，得到PVA心室模型（图4D）。

图4 左心室仿体模具

2 左心室涡旋参数的计算

在心室舒张充盈的过程中，血流会在心室腔内形成涡旋，涡旋可以最小化血液流动过程中能量的损失，并减少心脏射血时所需要的能量，所以涡旋是心脏内血液流动的重要参数。通过Echo-PIV算法可以得到心脏内血液流动的速度分布，进一步可计算出心脏内涡旋的相关参数。

涡量是描述旋涡运动最重要的物理量之一，定义为流体速度矢量v的旋度，涡量的单位是秒分之一（s-1）。涡量的计算公式：

涡量是1个周期性的变量，通过对多幅图像相同位置涡量值组成的序列进行傅里叶变化，得到图像各个位置的零阶谐波值和一阶谐波值，即公式(2)中的分量ω0(x，y)，ω1(x，y)：

涡旋的相对强度是评判心脏功能的重要参数，当发生心力衰竭等疾病时，心脏的收缩舒张功能会减弱，从而使得心脏左心室内涡旋的相对强度降低。涡旋的相对强度（Relative Strength，RS）是一阶谐波强度值与零阶谐波值的比，可通过公式(3)计算得到：

其中：

涡旋的波动是平方归一化的涡量变化：

公式(5)中，T为一次心跳持续时间，LV代表左心室。液体流动时相互之间会产生摩擦，从而导致能量损失。能量损失也是评价心脏功能的一个重要参数，当心脏发生病变时，左心室内的血流不能继续保持良好的涡旋结构，从而会加大能量的损失，其计算公式如下：

其中，ρ代表液体的密度，μ代表液体的粘度，DI代表能量的损失。

能量的波动是相对于平均能量的能量变化，其计算公式如下：

上式中下角标“0”代表平均速度。

3 实验

3.1 PVA仿体实验

当心脏发生心肌梗死、肥厚性心肌症时，心肌的弹性会发生变化，同时心脏左心室内的血流动力学参数也会发生变化。本文采用不同硬度的仿体测试对血流动力学参数的影响。在制作PVA仿体时，会经历冻融阶段，不同冻融周期制作出的仿体会出现不同的硬度。通过实验，可测量1～8个冻融周期的仿体弹性模量，本研究使用了3周期、7周期的仿体进行了实验。

3.2 实验数据的处理

对采集的超声图像进行处理，步骤如下：

（1）输入连续的含有超声造影微泡的心脏左心室长轴切面图像，总帧数N应涵盖至少一个心动周期内超声系统所采集的图像。

（2）在第一帧图像上选择一个感兴趣区域（Region of Interest，ROI）。

（3）对第n帧和第n+1帧图像的ROI进行匹配计算。将ROI划分为多个分析窗口（次窗口），两幅图中对应的两个次窗口进行二维互相关运算，获得该次窗口所代表的血流的位移矢量，然后利用三点高斯峰拟合算法进行亚像素分析，利用全局和局部中值滤波器去除错误矢量，并采用双线性内插算法对错误矢量进行替换。通过迭代提高计算的精度，最后减小窗口大小，提高空间分辨率。依次对ROI每一对次窗口进行该运算，得到第n帧图像ROI内的二维位移矢量分布图。

（4）n=n+1，判断n是否大于或等于N。若“否”，则返回第（3）步。若“是”，则进行第（5）运算。通过对第（3）步的循环运算，得到输入图像ROI的二维位移矢量分布图。换言之，得到了若干个心动周期内每一个心跳时刻心脏内血液流动的位移矢量图。

（5）通过步骤（4）得到的位移矢量图和超声获取图像的时间间隔，计算得到心脏内血液速度分布图。

（6）通过左心室内流体的速度，计算出心脏左心室内血流动力学相关参数。

4 实验结果与讨论

4.1 硅胶仿体实验结果与讨论

在硅胶仿体实验中，实验参数如下：脉动泵频率35 Hz、脉动泵每搏射血体积35 mL、超声探头12 MHz（线阵探头），线密度256。硅胶仿体实验估计涡旋参数，见表1。

表1 硅胶仿体实验估计涡旋参数

在人体的整个心动周期内，心脏血流并非都处于涡旋状态，但在心脏填充期，左心室内血流处于涡旋状态。对于整个实验系统来说，脉动泵相当于左心房，可为心室供血，本研究选择脉动泵供血时期获得的B超图像进行研究（图5）。

图5 硅胶仿体实验中供血时期的B超图像

本研究同时计算了速度（Velocity）、剪切力（Wall Shear Stress，WSS）、涡量（Vorticity）等信息。速度、剪切力、涡量的彩色编码矢量图，见图6～8。从图中可知，本研究采用的算法可精确地计算出心脏左心室仿体中的血液流动。

4.2 PVA实验仿体结果与讨论

本研究采用3周期弹性模量为168.52 kPa和7周期弹性模量为296.04 kPa的仿体进行实验。每个周期的仿体分别进行3组实验。实验参数如下：脉动泵频率15 Hz、脉动泵每搏射血体积15 mL、超声探头12 MHz（线阵探头），线密度128。PVA仿体实验结果，见表2。

由实验结果可知，两组间DI、EF、RS、W等参数无统计学差异。弹性模量大的仿体其形状比弹性模量小的仿体小，且差异有统计学意义（P＜0.05）。

本研究对仿体内部的血流速度、剪切力和涡量进行了比较，并对这3个参数同样的尺度进行了彩色编码。彩色编码对比图像，见图9。

本研究中，两组之间彩色编码的度量相同，图像的右端贴有不同颜色彩色编码所对应的值，红色代表数值大，蓝色代表数值小。通过对图像的观察，我们发现7周期的速度、剪切应力、涡量均比3周期大。PVA仿体实验结果，见表3。

表2 PVA仿体实验结果

表3 PVA仿体实验结果

图6 速度彩色编码矢量图

图7 剪切力彩色编码矢量图

图8 涡量彩色编码矢量图

图9 彩色编码对比图像

5 结束语

左心室血液的流动动态可被认为是心脏健康一个潜在的指示器，通过超声粒子图像测速技术来计算心脏内涡旋特性还是一个较新的研究方向。本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统，搭建了一个人体血液循环仿真系统，通过聚乙烯醇（PVA）制作了左心室仿体，完成了一些初步的实验，结果证明所构建的系统、仿体、相关算法是可行的，为下一步工作打好了基础。

本研究由中科院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所完成，仍有以下需要改进的地方：

（1）实验期间，由于缺少采集大鼠心脏信号的探头，未能完成动物实验。若能购买到实验设备进行动物实验，可使实验结果更有说服力。

（2）可与医院进行合作，采集病人信息，有利于进一步探索超声粒子图像测速技术对心脏功能的评估。

（3）改善实验算法，使算法能够更加适用于心室这种非规则形状内流场的计算，能够更加准确的计算出心室内的流场。

（4）改善体外实验系统，使之能够更加接近于人体真实的情况，能够使采集到的数据更接近于真实。

[1] Sengupta PP,Pedrizzetti G,Kilner PJ,et al.Emerging trendsin CV flow visualization[J].JACC Cardiovasc Imaging,2012,5(3):305-316.

[2] Kanski M,Arvidsson PM,Töger J,et al.Left ventricular fluid kinetic energy time curves in heart failure from cardiovascular magnetic resonance 4D flow data[J].J Cardiovasc Magn Reson,2015,17:111.

[3] Khalafvand SS,Hung TK,Ng EY,et al.Kinematic, Dynamic, and Energy Characteristics of Diastolic Flow in the Left Ventricle[J].Comput Math Methods Med,2015:701945.

[4] Kheradvar A,Gharib M.Influence of ventricular pressure drop on mitral annulus dynamics through the process of vortex ring formation[J].Ann Biomed Eng,2007,35(12):2050-2064.

[5] Jang J,Ahn CY,Jeon K,et al.A Reconstruction Method of Blood Flow Velocity in Left Ventricle Using Color Flow Ultrasound[J].Comput Math Methods Med,2015:108274.

[6] Choi YJ,Constantino J,Vedula V,et al.A New MRI-Based Model of Heart Function with Coupled Hemodynamics and Application to Normal and Diseased Canine Left Ventricles[J].Front Bioeng Biotechnol,2015,3:140

[7] Elbaz MS,Calkoen EE,Westenberg JJ,et al.Vortex flow during early and late left ventricular filling in normal subjects: quantitative characterization using retrospectively-gated 4D flow cardiovascular magnetic resonance and three-dimensional vortex core analysis[J].J Cardiovasc Magn Reson,2014,16:78.

[8] Subramanian A,Mu H,Kadambi JR,et al.Particle image velocimetry investigation of intravalvular flow fields of a bileaflet mechanical heart valve in a pulsatile flow[J].J Heart Valve Dis,2000,9(5):721-731.

[9] Taylor TW,Yamaguchi T.Flow patterns in three-dimensional left ventricular systolic and diastolic flows determined from computational fluid dynamics[J].Biorheology,1995,32(1):61-71.

[10] Nilsson A,Bloch KM,Töger J,et al.Accuracy of four-dimensional phase-contrast velocity mapping for blood flow visualizations: a phantom study[J].Acta Radiol,2013,54(6):663-671.

[11] Hong GR,Pedrizzetti G,Tonti G,et al.Characterization and quantification of vortex flow in the human left ventricle by contrast echocardiography using vector particle image velocimetry[J].JACC Cardiovasc Imaging,2008,1(6):705-717.

[12] Agati L,Cimino S,Tonti G,et al.Quantitative analysis of intraventricular blood flow dynamics by echocardiographic particle image velocimetry in patients with acute myocardial infarction at different stages of left ventricular dysfunction[J].Eur Heart J Cardiovasc Imaging,2014,15(11):1203-1212.

[13] 张波,许婧,智光.超声粒子图像测速技术检测心腔内涡流的研究进展[J].中国医药导报,2015,(11):30-33.

Preliminary Study of Application of the Ultrasonic Particle Image Velocimetry Technique in Evaluation of Left Ventricular Vortex Characteristics

ZHANG Yao-nan1,2, ZHOU Wei2,3, NIU Li-li3
1. College of Electronics and Information Engineering, Xi’an Siyuan University, Xi’an Shaanxi 710038, China; 2. Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110169, China; 3. Institute of Biomedical and Health Engineering, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Science, Shenzhen Guangdong 518055, China

The vortex properties of left ventricles can be considered as a potential indicator for heart’s health status. Using the ultrasonic particle image velocimetry (PIV) technique to calculate the characteristics of vortex in the heart is a relatively new research direction, and the key is to prove its adequate reliability and accuracy for clinical applications. For this purpose, a ultrasonic particle image velocimetry system was constructed to build a human blood circulation simulation system. And the polyvinyl alcohol (PVA) was used to make the left ventricular phantoms, so that the ultrasonic PIV technique could be tested in controlled conditions for the calculation of the vortex characteristics in the heart. The system achieved continuous imaging of the body, by adjusting the scanning line density, image width, image depth and other parameters, with the fastest speed of thousands of frames per second. Cardiac blood flow velocity profiles were obtained through the algorithm of acoustic PIV and further calculation of relevant parameters for the vortex in the heart, including energy loss (DI) and energy fluctuations (EF), vortex relative strength (RS) and eddy fluctuations (W). The results show that the constructed system, the simulated body and the related algorithms are feasible, which is the basis for the next step of work.

ultrasound; particle image velocimetry; left ventricles; vortex

R445.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.007

1674-1633(2016)06-0036-06

2016-01-27

辽宁省自然科学基金资助项目（201202071），西安思源学院校级重大科研项目（XASY-B1601）。

本文作者：张耀楠，教授，主要研究方向为医学影像分析。

作者邮箱：johanzyn@qq.com