血流向量成像技术对心腔流体力学的研究进展

程 冠 夏 娟 李 菁 马小静

目前用于评估左室血流的方法主要有MRI、超声心动图颗粒图像测速（echocardiography particle image velocimetry，echo-PIV）和血流向量成像技术（vector flow mapping，VFM）。MRI观察血流状态变化时虽无需造影剂，但其设备大且成像时间长，时间分辨率也较低；echo-PIV通过追踪充当造影剂的微气泡计算心腔内血流速度，时间分辨率较MRI更高，但需应用造影剂，且测量的血流速度范围有限；改良VFM技术通过连续性方程式精确测算心腔内血流任意位点的垂直和平行于声束的速度矢量及流量，可准确地量化心腔内流体状态［1］。研究［2］发现VFM可在超声心动图测得心功能指标正常的情况下监测到不同心脏疾病的涡流、循环、能量损耗（energy loss，EL）及室壁剪应力（wall shear stress，WSS）等指标，以判断心功能异常和疾病的发生，为疾病的早期诊断及干预提供可靠的流体力学证据。本文就VFM对心腔流体力学评估的研究进展进行综述。

一、VFM观测健康人左室内流场特征

EL是血液间、血液与室壁相互碰撞、摩擦消耗的不能转变为其他能量的热能；WSS是室壁周围流动的血液对室壁的作用力，垂直于室壁血流速度阶差越大，WSS越大。研究［3-5］应用VFM观测到健康人左室流场演变规律为：等容收缩期时，涡强逐渐增加，靠近左室侧壁WSS较大；快速射血期时，涡流面积及圈数减小，并向左室流出道移动，于二尖瓣下形成局部小涡流利于二尖瓣关闭，室间隔处WSS增大，形成第1个EL峰值；减慢射血期时，涡流消散，仅在主动脉瓣关闭瞬间瓣膜下出现局部小涡流，且该时相WSS及EL降低；等容舒张期时，几乎观察不到涡流，且EL和WSS也处于低值；快速充盈期时，血流高速进入左室，其两侧形成负压区，二尖瓣前后叶形成方向相反的局部小涡流，此时基底段WSS急速增大，形成第2个EL峰值；减慢充盈期时，涡流面积及圈数逐渐增大，WSS和EL降低；心房收缩期时，血液再次冲入左室，与心尖回转血流形成逆时针大涡流环，此时EL出现第3个小高峰。

二、VFM在心脏疾病中的应用

1.扩张型心肌病：患者左室涡旋多不规整，射血期瘀滞于心尖区，主动脉瓣下的血流无法获取有效动能将血液射入主动脉，残留于左室内的血液增多；快速充盈期新进血液与残留血液产生低速血流冲击效应，使WSS降低。虽然杂乱涡流会引起EL增加，但受血流速度明显减低的影响，扩张型心肌病患者EL较健康人普遍减低（P<0.05）［6-7］。由此可见，异常涡流、WSS及EL的改变可提示心功能异常。WSS作为VFM的评估指标，有关其应用仍在不断探索中。研究［8-9］发现WSS升高可引起斑块的破裂，WSS降低可促进斑块形成，但WSS可否预测扩张型心肌病患者心腔内血栓形成，为早期干预提供可靠证据仍需进一步研究。

2.肥厚型心肌病：部分肥厚型心肌病患者首发症状即为猝死，因此早期诊断尤为重要。研究［10］发现左室射血分数和左室舒张早期与舒张晚期峰值流速比值正常的肥厚型心肌病患者左室EL已发生改变，说明EL可较早反映心功能异常。有学者［11］发现肥厚型心肌病患者WSS在收缩期较健康人增高，而舒张期变化不明显，表明其收缩功能改变早于舒张功能。EL对鉴别高血压性左室肥厚和肥厚型心肌病具有一定的指导意义［12］，由于后者心肌不对称性肥厚，部分心肌节段间收缩不协调，血流速度阶差大，出现血流虹吸现象，导致左室异常涡流增多，EL增加更明显。

3.冠状动脉粥样硬化性心脏病（以下简称冠心病）：不同部位及程度的冠状动脉梗阻对心腔内流体力学影响均不同［13-14］。研究［15］发现前壁心肌梗死合并室壁瘤患者心尖部形成的涡流稀疏紊乱，室壁瘤部位未发现流线起点，说明瘤体的室壁运动明显减弱，心功能严重受损。最新国际指南推荐二尖瓣口舒张早期流速峰值与二尖瓣环舒张早期运动速度比值（E/e’）作为评价左心舒张功能的指标，而EL与E/e’有明显相关性，说明EL也可作为左心舒张功能的评价指标［16］。丁戈琦等［17］和陈剑等［18］研究发现冠状动脉分支血流阻断后左室内涡流、循环及EL均立即发生改变，表明心腔流体力学发生异常早于心脏结构异常。研究［19］发现冠状动脉中WSS较低区更易形成斑块，同时促进斑块增厚；WSS较高区更易引起纤维动脉瘤帽变薄，引起斑块破裂，这与上述研究［11-12］结果一致。由此可见，WSS可用于判断冠状动脉粥样斑块形成进而预防急性心肌梗死。

4.瓣膜病：重度主动脉瓣反流患者与轻度或中度主动脉瓣反流患者在手术方式的选择有一定差异，预后也有所不同。研究［20］证实通过VFM计算舒张期降主动脉逆行率（即降主动脉中逆向血流量与前向流量的比值）鉴别重度与轻、中度主动脉瓣反流具有较高的敏感性和特异性（93%和89%）。有学者［8，21-22］发现冠状动脉血流可影响主动脉瓣的WSS，异常WSS会触发病理级联反应，促进瓣膜钙化、硬化，导致血小板活化和血流停滞，从而促进血栓形成。可否通过WSS预测人工瓣膜形成血栓风险仍需进一步研究。二尖瓣生物瓣置换术患者相对于机械瓣置换术患者其左室内涡流的大小、中心位置和最大向量速度更接近于正常人，表明生物瓣较机械瓣更接近天然瓣膜构型［23］。

5.先天性心脏病：房间隔缺损是最常见的成人先天性心脏病之一。王斌等［24］发现房间隔缺损患者舒张期右室涡流面积和数量较健康人增加、速度向量增快，当左向右分流量增大时，右室流线速度向量越大、线条越密集，表明右心功能受损。封堵术后1个月右室血流峰值速度、峰值流量及总流量均较术前明显减小，各房、室腔的EL也明显减低，表明介入封堵术可纠正右心高容量负荷状态。Honda等［25］通过对室间隔缺损患儿右室EL与心室压力的相关性研究发现，右室压力增高会引起EL的增加，且血浆B型脑钠肽作为反映容量及压力负荷的指标，也与收缩期和舒张期EL呈明显正相关（r=0.75、0.69，均P<0.05），表明通过EL可无创测量并反映心脏负荷。

6.心律失常：蔡宇燕等［26］研究发现阵发性心房颤动（以下简称房颤）患者左心耳内血流向量分布规整，舒张晚期心耳口见一顺时针小涡流，而持续性房颤患者左心耳血流呈“快出快进”征，即左心耳血流的排出和充盈急速交替，向量分布紊乱，未见心耳口涡流出现，且整个周期EL均处于峰值状态，推测可能持续颤动使左房无效收缩，左心耳内血液并未真正地流进与流出，而是处于瘀滞状态，未形成心耳口的涡流，表明EL及心耳口涡流可用于预测左心耳血栓形成。刘娟等［27］研究结果也表明EL可作为预测房颤患者左房血栓形成的新指标。

7.其他：包括甲状腺功能亢进（以下简称甲亢）、糖尿病、慢性肾功能不全及心脏移植等。①甲亢：研究［28］发现射血分数保留的单纯甲亢患者收缩期左室涡流面积和强度、血流速度梯度（ΔV）均较健康成人增大，说明涡流和ΔV可反映甲亢患者早期心功能异常。Zhou等［29］发现甲状腺毒性心肌病患者舒张晚期的左室涡流面积和强度较单纯甲亢患者均明显增加，认为这是由于甲状腺毒性心肌病患者激素异常对心肌损伤明显，舒张晚期左房代偿性收缩增强，从而增强了左室的涡流，表明舒张期涡流可用来评估甲状腺激素对心脏损害的严重程度。②糖尿病：Li等［30］发现血糖控制不佳的糖尿病患者左室收缩期EL降较健康成人低（P<0.05），而血糖控制良好患者EL与健康成人比较差异无统计学意义，一般情况下血糖异常引起的收缩功能改变在晚期出现，表明收缩期左室EL可能是糖尿病患者血糖水平控制情况的定量指标。③慢性肾功能不全：Zhong等［31］发现慢性肾功能不全患者左室EL较健康成人明显增加，透析后EL较透析前有所降低（均P<0.05），说明透析有助于心功能恢复；但血液透析患者与腹膜透析患者EL比较差异无统计学意义，表明两种透析方式对心功能的影响相当。周婕等［32］研究发现随着慢性肾功能不全患者病程加重，左室EL和涡流增加更明显，表明EL和涡流等可用于评估慢性肾功能不全患者严重程度。④心脏移植：研究［33］发现心脏移植患者左室EL的细微变化，快速充盈期左室EL较健康人减低，减慢充盈期降低速率较快，表明EL可作为评估心脏移植患者术后心功能及预后的一个敏感的新指标。

三、VFM的局限性和应用前景

VFM技术具有无创、便捷、成本低等优点，可准确定量定性分析心腔内血流动力学，更加敏感地评价心功能，但也有其局限性：①目前研究的样本量较少，特别是在WSS的研究上，需要扩大样本量，减少混杂偏倚；②心腔内血流是三维立体空间结构，而VFM是基于二维平面分析；③当流速较快时，VFM无法校正混叠导致低估流速；④目前尚无研究获得健康人涡强、循环强度、EL及WSS等定量指标标准值范围。

综上所述，VFM不仅可评估心功能异常，还可发现房颤患者左心耳内EL的减低、病变瓣膜及冠状动脉血管壁上WSS的改变，对预测血栓形成具有一定的指导意义。