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无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用

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无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用 无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床 应用 118MolecularCardiologyofChina,April2010,Vo1.10No.2(SerialNo.51 无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用 张家芬李澎 【摘要】定量观察左室腔内涡流,可以评价左室的收缩功能和舒张功能.涡流的形态及位置随 心功能减低而发生变化.已经证实,MRI及超声心动图均能够准确观测左室内的涡流.虽然观测方 法仍存在一些局限性,借助声学造影的超声心动图方法是能够用于临床的最为准确有效的...
无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用
无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用 无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床 应用 118MolecularCardiologyofChina,April2010,Vo1.10No.2(SerialNo.51 无创性定量左室心腔内涡流的方法及临床应用 张家芬李澎 【摘要】定量观察左室腔内涡流,可以左室的收缩功能和舒张功能.涡流的形态及位置随 心功能减低而发生变化.已经证实,MRI及超声心动图均能够准确观测左室内的涡流.虽然观测方 法仍存在一些局限性,借助声学造影的超声心动图方法是能够用于临床的最为准确有效的技术.该 方法利用声学微泡流动与涡流的一致性特征对心室重构及心肌做功进行定量研究.敏感参数包括涡 流深度比(0.482?0.06),长度比(0.467?0.05),宽度比(0.128?0.06),球形指数(3.66?0.6),相 对强度比(2.104-0.8),涡流的相对强度(1.19?0.5)和脉动相关系数(1.314-0.5);舒张早期涡流半 径(34-1mm),舒张早期充盈血流前锋速度Vp(47?6cm/s)及Vp/E(0.594-0.07).但是,由于临床 试验研究对象的例数较少,临床应用效果仍缺乏相应的循证医学的依据. 【关键词】心腔内涡流;声学造影;超声涡流成像 Noninvasivemethodstoquantifythevortexintheleftventricularchamberandclinicalapplic ations ZHANG,LIPeng.EehoeardiologyDeparternent,FuwaiHospital,PekingUnionMedicalCo llegeand ChineseAcademyofMedicalSciences,Beijing,10037,China 【Abstract】 Quantitativeanalysisofthevortexinleftventricular(LV)chamberduringcardiaccycles canbeusedtoevaluateLVsystolicanddiastolicfunctions.Thevariationsofvorticalshapeandlocationhave beendescribedfollowingLVfunctionaldecreases.IthasbeenprovedthatMRIandechocardiographyarebeth feasiblyabletoassesscardiacflowpatterns.However,limitationsofthisthistechniqueremainsunsolvedal— thoughechocardiographyhasbeenevaluatedasapromisingmodalityinclinicpavilionsbyusingcontrasta— gents.Quantificationofventricularreconstructionandmyocardialpumpingfunctionisabletobeachievedusing echocontrastmicrobubbles.VortexparametershavebeenvalidatedassensitivepredictorsofLVfunctions, suchasaveragevortexdepth(VD,0.482?0.06),vortexlength(VL,0.467? 0.05),vortexwidth(Vw, 0.1284-0.06),sphericalindex(SI,3.664-0.6),relativestrength(2.10? 0.8),vortexrelativestrength (VRS,1.194-0.5)andvortexpulsationcorrelation(1.31? 0.5);vortexradiusintheearlydiastolicphase (VR,3? lmm),thevelocityoffiHingflowfrontVp(474-6cm/s)andVp/E(0.594-0.07).But,broad— basedclinicaltrialsonrelativeapplicationsarestillrequiredtoprovideepidemiologicalevidences. 【Keywords】 Cardiacvortex;Contrastechocardiography;Echocardiographicvorteximaging 左心室腔内血液涡流源于心脏泵血运动,涡流 的位置,形状及旋转方向由于血液携带动能特点的 不同在舒张期和收缩期存在较大差异.从涡流形成 的物理原理上分析,在左室舒张期,当腔内压力低于 左房压时,二尖瓣开放,血流通过二尖瓣口流向低压 空旷的左室腔,压力势能迅速转化为血流动能.由 于血流充盈时间相对较短,血流撞击左室壁后发生 回转以及二尖瓣叶进行性开放过程中高速血流与二 尖瓣叶问形成的剪切运动等因素,导致了涡流的产 作者单位:100037北京,中国医学科学院北京协和医学院阜 外心血管病医院超声科 通讯作者:李澎,Email:cardiologypeng@yahoo.tom . 综述. 生.收缩期则不同,等容收缩期,心腔内的涡流张力 势能缓慢增强,涡流增大,并移向左室流出道.当涡 流增大到一个极限时,在左室流出道处产生了直线 高速的射流,涡流开始逐渐消散. 已经证实,正常情况下,左心室做功泵血的过程 中存在着血液的"势能一动能一势能一动能"的转 化周期.当左心室进入快速充盈期,左室的低压腔 "吸纳"运动不存在做功耗能,左心房内的血液压力 势能迅速转化为血流动能从心底部向心尖传递;减 慢充盈期,左室内压力上升导致血流速度变慢,压力 势能逐渐耗竭;心房收缩期,血液流动承接了左房收 缩运动的做功. 中国分子心脏病学杂志2010年4月第lO卷第2期(总第51期 随着二尖瓣的关闭,左室进人等容收缩早期,涡 流迁移至二尖瓣前叶近心尖部的左室流出道区域, 持续存在至等容收缩晚期,并逐渐变大,能量增强, 最后引导血流经主动脉瓣射出?J,即涡流持续存在 于舒张期至等容收缩期,直至快速射血期消散,但 是,其在心室腔内的位置及能量大小,随心脏周期不 同时期心内血流动力学的变化而有改变;其形态和 能量,也与左室大小,心功能的高低,室壁的顺序运 动等因素相关J. 当左室增大时,舒张早期二尖瓣前,后叶附近产 生的涡流形态较正常左室的大,呈"蘑菇"状,在左 室腔内的移动速度缓慢,主要位于左心室腔的中部, 形态松散呈圆形;而功能正常的左心室,舒张早期二 尖瓣附近产生的涡流较小,舒张期更快地移向近心 尖处,紧凑呈椭圆形.左室腔增大心功能减低时,心 腔内的涡流具有的势能减低,引导血流向左室流出 道运动的作用减弱,血流在心腔内流动过程中的能 量消散增多"].另外,室壁收缩运动先后顺序的 改变,会影响心腔内血流的方向,进而影响了涡流正 常形成,导致能量转化效率的减低,最终结果是左室 收缩功能和射血分数的下降J.这就提示了涡流在 评价左室收缩功能,舒张功能以及收缩运动同步性 等方面的价值. 1无创性研究心内涡流的简史 1970年,Taylor和Wade在动物实验中证实了狗 和羊的心腔内,存在稳定的涡流.1972年,牛津大 学工程科学系的Bellhouse制作了一个体外的左心 室模型,通过回放电影胶片的方法来观察二尖瓣的 启闭活动.在此过程中,发现了产生于舒张期二尖 瓣前叶下的涡流,建立了左心室腔内涡流理论的雏 形….1994年,Kim等使用彩色多普勒技术测量血 流速度,在动物模型上验证了心腔内涡流的存在. 1995年,Kim开始尝试用MRI对涡流定量测量.随 着影像学技术包括核磁速度彩色编码技术,左室声 学造影,M型彩色多普勒,高分辨率多普勒测速,多 普勒粒子图像测速(PIV),组织谐波成像等,对涡流 的研究,从动物实验过度到临床研究,从定性描述发 展到定量分析,并尝试用涡流相关血流动力学的定 量参数评价心脏的功能和运动. 2方法 2.1MRI:传统的三维核磁速度编码成像技术能 l19 够很好的从不同切面获取空间速度信息,1995年, KimwlY开始尝试利用这一技术对正常心脏心腔内 的涡流定量(见表1).根据心腔内某点原子核随时 间辐射信号的变化,编码该原子核的移动速度,来代 表血流速度.然而MRI对速度的测量仍受限于其 较低的时间分辨率,之后的研究多用于观察心腔内 涡流的状态,而未能对涡流精确定量.2008年,Tor- stenSchenkel用MRI在短轴方向以层厚5mm从左, 使用LiveWire和Intelligent 右室心尖平扫至心底部, Scissors方法半自动描画不同层面左室内膜边界,空 间重叠(心尖到心底)和时相重叠(从舒张末到收缩 末),行心脏三维重建.将左室腔假设为一个由无数 个可移动的网格组成的流体模型,利用计算流体力 学(computationalfluiddynamicsCFD)arbitraryLa— grangeEuler(ALE)公式,获得不同时相移动网格的 速度,设为与心内膜表面相邻的血流速度.从而在 观察左室腔内涡流形态的同时,获得了心腔内血流 的速度.由于该方法对速度的测量基于心脏形态 的改变,故无法获取心室等容期的流体速度.心腔 内存在乳头肌,腱索等结构,这些结构及心内膜表面 均非理想的光滑面,用此种方法测量这些界面附近 的速度,结果误差较大.另外,心房的形态改变,也 对测量结果影响很大.这种以核磁技术为基础的计 算流体力学方法,可以用来观察心腔内的涡流,但是 目前未能获得可用于临床的与心功能相关的参 数. 2.2心脏超声:心脏超声,能够时实扫描,观测 心腔内血流以及二尖瓣瓣环和瓣叶的活动.利用心 脏超声心动图学观察和测量左室内涡流的方法很 多. 左室声学造影的应用,对于观察心腔内的涡流, 更为直观和简便.使用过的声学造影剂包括Opti— son,Levovist,Definity等.随着声学造影剂的发展, 声学造影微气泡的可识别大小在减小,同时允许使 用较低的机械指数,减少了对微气泡的破坏,使得该 方法的敏感性提高.左室声学造影与矢量粒子图像 测速技术(PIV)结合,通过二维超声,可以获得心腔 内涡流的高精度矢量速度,避免了多普勒测速时对 角度的依赖,能够获取某点的瞬时速度而非平均速 度.该技术的出现,使得超声的应用范围和观测能 力空前提高. 2006年,ParthoP.Sengupta等在对猪的心脏行 左室造影,造影剂为Definity,静脉注射速度0.01, 0.03ml/min,机械指数0.1,0.4.采用心尖长轴平 面观察,帧频为200帧/秒.对二维观察到的微气泡 行PIV法测速,观察窗像素为32×32.直观的显示 了心腔内涡流的形态及其在不同时期的变化.同 时结合左室造影与解剖M型成像技术,分析不同时 相微气泡在心腔内的位置,获得血流的方向.从两 种方法描述和证实心腔内涡流的形成及移动过程. Dr.Vannan,Dr.Hong等首次结合左室声学造影 和矢量粒子图像测速技术(PIV),定量分析人体左 室心腔内涡流.使用的造影剂仍为Definity,0.1, 0.2ml缓慢经静脉弹丸注射,机械指数0.4,0.6, 心尖四腔心和心尖长轴平面观察,帧频为60,8O I心动周期.PIV技术观察窗像素为32×32.该 方法不仅观察了心腔内的涡流,还能对心功能正常 和减低时,左室腔内的涡流形态,位置及能量进行定 量分析.另外,TomokoIshizu等利用声学造影结合 M型超声,观察舒张早期,微气泡在M型超声成像 上的轨迹,分析左室腔内涡流的形成过程与左室舒 张功能间的关系.使用的造影剂为Levovist,两次3 ml弹丸注射,机械指数设为1.2,帧频率121Hz.并 采用了组织谐波技术,增强对造影剂微气泡的识辨 能力.观察平面为心尖长轴切面,取样区设为左室 腔中部.一方面通过左室腔造影直接观察测量舒张 早期二尖瓣叶附近涡流的半径,另一方面利用M型 在二尖瓣开放 超声获得造影剂微气泡随时间改变, MolecularCardiolo~ofChina,April2010,Vo1.10No.2(SerialNo.51 血流充盈这个过程中的运行轨迹,测量前锋血流的 斜率,代表涡流在心腔内形成和移动的速率加. 3参数及临床应用 通过MRI和超声方法获取的,经临床实验证实 能够反应左室收缩功能及舒张功能的涡流相关参数 见表1. 涡流的大小和形态,包括涡流的半径,长度,宽 度及球形指数.VonYongKim1995年利用MRI测 量了正常成人舒张晚期时心内涡流的半径;2008年 HongGR测量了涡流的长度比(涡流长度与左室腔 长度的比值),宽度比(涡流宽度与左室腔长度的比 值),球形指数(涡流的长宽比)及涡流的深度比(涡 流中心相对于左室长轴的位置).病理过程中,受左 心室重构,房室间压差,心脏舒张速率,收缩做功能 力等因素的影响,涡流在心腔内的移动速度减低,舒 张晚期在心室腔内的深度减小,位于心腔中央而非 正常时的近心尖部.其形状由的椭圆形变为圆 形直至完全散乱.上述研究还测量了涡流所具有的 能量,包括涡流的相对强度(脉动涡流强度与涡流强 度之比),相对强度比(左室内脉动涡流强度与稳定 涡流强度之比),脉动相关系数(涡流内脉动部分与 稳定部分之比).当左心室扩大,左心功能减低时, 涡流所传递的由舒张充盈血流转换的能量减少,心 脏做功能力降低. 表1MRI及超声心动图学方法观测的涡流相关参数[3,7,10,12] 中国分子心脏病学杂志2010年4月第lO卷第2期(总第51期 二尖瓣环扩张,瓣叶开放,血流经 左室充盈期, 瓣口流人左心室腔,形成涡流.涡流的形成和能量 转换与舒张期通过二尖瓣的血流速度,二尖瓣结构 的运动有关.MortezaGharib基于经体外实验获得 涡流形成时间T这个参数,T=U?t/D(U为经二 尖瓣的平均血流速度,t为射血时间;D为二尖瓣环 最大直径).当T一4时,左室腔内的涡流对于射血 能够发挥最佳的作用.T作为类似于左室射血分数 这样的比例性参数,评估不同心脏疾病时的左室收 缩功能.并推导出T与左室射血分数和左室几何参 数仅之间的正比关系,并经临床实验对比证实,左室 收缩功能正常时,3.3<T<5.5,当T值低于此范围 时,提示左室收缩功能减低. TomokoIshizu等发现,不同于舒张晚期左室腔 内的涡流,在舒张早期,二尖瓣前,后叶附近也会产 生小的涡流.TomokoIshizu等测量这些涡流的半径 和血流前锋速率,发现在左室收缩功能减低伴二尖 瓣舒张期频谱假性正常化的患者中,血流锋面前移 速度减小,涡流的半径增大,并且两者显着相关. 舒张早期涡流的大小,可以反应左室收缩功能减低 时存在的早期舒张功能受损,对左心功能的评价,更 为全面. 目前的研究,虽然已经进入临床阶段,但是研究 对象的例数较少,尚未获得相应的循证医学的支持. 相关的其他参照指标不多,并缺少不同方法所获同 一 参数的横向对比.另外,涡流模型的建立,基于对 正常状态下心内血流的观察,多数研究在获取参数 时,将瓣膜狭窄或者返流的病例除外,然而心功能不 全的患者,多存在瓣膜的功能改变,即使是正常人 群,也不能避免瓣膜返流的存在.因此,对于这部分 人群心内涡流的观测,仍需进一步研究. 4展望 无创性观察和定量左室腔内涡流的方法,主要 包括MRI和超声.MRI因为其较低的时间分辨率, 对于定量研究,使用受限.现今的超声技术当然也 存在其局限性,如多普勒测量速度对角度的依赖性, 测量的是平均速度;超声造影微泡的观察与机械指 121 数之间的矛盾;对PIV技术微泡粒子跟踪精确度和 可靠性的质疑[】.但是,回顾近几年的研究可以发 现,随着造影剂的发展,在帧频不变的前提下,所用 剂量在降低,机械指数设置在降低(表2).并且, Hong等的研究中,对于参数的测量,观察者间和观 察者自身的测量误差,不具有统计学意义r.因此, 随着超声学方法和技术的不断进步,不同技术间的 结合和互补,对心腔内涡流的整体及细微观察和精 确定量,将是可能实现的. 目前超声对心腔内涡流的观察限于二维平面, 开发三维观测手段是未来发展的任务.二尖瓣的形 态和运动,在左室腔内涡流的形成中起到了关键的 作用.然而二尖瓣前后瓣叶并非对称,二尖瓣环也 并非的圆形或椭圆形,如果能运用三维超声观 察二尖瓣的启闭活动,左室腔,左室流出道空间形态 的改变,将会对血流的整体状态,二尖瓣活动与左室 腔内涡流之间的关系以及涡流对左室射血的具体作 用机制的探索,提供途径. 参考文献 1BellhouseB.J.Fluidmechanicalofamodelmitralvalveandleft ventricle.CardiovascularResearch,1972,6:199-210. 2Kim,W.Y.,Bisgaard,T.,Nielsen,S.L_,Poulsen,J.K.,Ped— ersen,E.M.,Hasenkam,J.M,Yoganathan,A.P.Two-dimension- almitralflowvelocityprofilesinpigmodelsusingepicardialDoppler echoeardiography.JournalofAmericanCollegeCardiology,1994, 24:532-545. 3Kim,W.Y.,Pedemen,E.M.,eta1.Leftventricularbloodflow patternsinnormalsubjects:aquantitativeanalysisbythree-dimen— sionalmagneticresonancevelocitymapping.JournalofAmericanCol— legeCardiology,1995,24:532—545. 4KMizushige,ANDeMa,YToyama,HMorita,SSendaandH Matsuo.Contrasteehocardiographyforeva/uationofleftventrieu/ar flowdynamicsusingdensitometricanalysis.Circulation,1993,88: 588-595. 5SenguptaPP,KhandheriaBK,KorinedJ,eta1.Leftventrietdariso? volumicflowsequenceduringsinusandpacedrhythms.JournatofA— mericanCollegeCardiology,2007,49:899-908. 6KilnerPJ,YangGZ,WilkesAJ,MohiaddinRH,FirminDN,Ya- coubMH.Asymmetricredirectionofflowthroughtheheart.Nature, 2000.404:751-761. 表2不同研究使用声学造影剂种类,量及机械指数对比 l22 7Geu-RuHang,GianniPedrizzetti,GiovanniTonti,PengLi,Zhao Wei,JinKyungKim,AbinavBaweja,ShizhenLiu,NamsikChung, HeleneHoule,JagatNarula,andManiA.Vannan.Characterization andquantificationofvortexflowinthehumanleftventriclebycon— trasteehocardiographyusingvectorparticleimage.JournalofAmeri— canCollegeCardiologyImaging,2008,1:705017. 8BaeeaniB,DomenichiniF,PedrizzettiG,TontiG.Fluiddynamics oftheleftventricularfillingindilatedcardiomyopathy.JournalofBi? omechanics,2002,35:665-671. 9ThanigarajS,ChughR,SchechtmanKB,LeeLV,WadeRL,Pemz JE.Definingleftventricularsegmentalandglobalfunctionbyecho— cardiogTaphicintraventricularcon~astflowpatterns.TheAmerican JournalofCardiology,2000,85:65-68. 10IshizuT,SeoY,IshimitsuT,eta1.Thewakeofalargevortexisas— sociatedwithintraventricularfillingdelayinimpairedleftventricles withapseudonormalizedtransmitralflowpattern.Echocardiography, MolecularCardiologyofChina,April2010.Vo1.10No.2(SerialNo.51 2006,23:369—375. 11TorstenSchenkel,MauroMalve,Cta1.MRI-basedCFDanalysisof flowinahumanleftventricle:methodologyandapplicationtoa healthyheart.AnnalsofBiomedicalEngineering,2009,37:503-515. 12GharibM,RambodE,KheradvarA,SahnDJ,Dabirijo,Optima vortexformationasanindexofcardiachealth.PmcNatlAeadSci USA,2006,103:6305-6308. 13JohnODabiriandMortczaGharib.Theroleofoptimalvortexforma- tioninbiologicalfluidtransport.ProceedingsoftheRoyalSoc~ty, 2oo5,272:1557—1560. 14GianniPedrizzettiNatureoptimizestheswirlingflowinthehuman leftventricle.TheAmericanPhysicalSociety,2005,95:1081011— 1014. 15尹立雪.心腔内血液流场及流体力学状态的可视化观察及量化 评价.中华医学超声杂啬,2009,6(3):427431.
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