超聲粒子圖像測速技術檢測心腔內渦流的研究進展

張 波 許 婧 智 光

解放軍總醫院心內科，北京100853

超聲粒子圖像測速技術檢測心腔內渦流的研究進展

張 波 許 婧 智 光▲

解放軍總醫院心內科，北京100853

心腔內的血流模式是一個很敏感的指標，在心臟結構和功能發生改變的同時就會受到即刻影響，從而為心血管生理學的理解以及發展超早期診斷工具提供了新視野。這一新型血流顯像技術在超聲心動圖中的引入使臨床顯像和分析心腔內渦流成為了可能，筆者回顧了目前已發表的數個物理實驗、動物模型以及臨床研究，就超聲粒子圖像測速技術的原理、可行性、優化以及臨床應用進行了分析，粒子圖像測速技術雖然是一種前景廣闊的技術，但臨床應用還需更進一步的研究，以探索在不同病理條件下合適的渦流影像參數，以及對正常和異常環境下血流相關生理學的鑒定、檢測和解釋，為各種心血管疾病的早期診斷、治療和預后提供新的依據。

血流模式曰渦流曰超聲心動圖曰粒子圖像測速技術曰顯像方法

目前對于心臟血流動力學的研究主要集中于心腔及瓣膜的結構，獲得有關心臟收縮及舒張功能的指標，如心腔大小、室壁厚度、壓力、時間、流速、射血分數（EF）值等，但對于心腔內的血流模式所知甚少。心腔內的血流模式與心臟的結構及功能相適應，以利于有效射血，心臟結構和功能的改變會對心腔內血流產生即時影響，因此，心腔內血流的空間及時間分布可能為心血管疾病的早期診斷、治療和預后提供參考[1]。近年來研究者利用物理及計算機模型、有創及無創影像學方法對心腔內血流進行了一些研究，發現心腔內血流有自發旋轉的趨勢，于是從流體力學引進“渦流”這一概念，渦流是指具有旋轉運動的流體結構[2]。對渦流的直接測量需要能提供三維血流信息的技術，前些年有多個研究利用四維血流核磁共振成像技術（4-di mensional flow magnetic resonance imaging，4D flow MRI）對心腔內渦流進行了評估，發現心腔內渦流可能在防止血流震蕩、避免能量過度耗散、重定向并推動血流入左室流出道以及增強房室功能的交互方面發揮了重要作用[3]。但核磁共振費用高昂，時間分辨率較差，耗時較長，而且限制頗多（如不能用于有設備植入的患者等），這些缺點限制了其臨床應用。隨著多普勒技術在20世紀80年代中期的引入，超聲心動圖以其良好的時間分辨率和簡便易行的特點，在心腔內血流的測量中日益受到研究者的重視，特別是近年來，隨著多種新技術如粒子圖像測速技術（particle image velocimetry，PIV）、向量血流成像技術（vecter flow mapping，VFM）[4]等的應用，相關研究蓬勃發展，下面就基于PIV的超聲心動圖技術的研究進展進行簡要介紹。

1 粒子圖像測速技術原理

PIV技術是用于流體顯像的一種光學方法，被廣泛應用于流體力學實驗室，能測量流體的瞬時速度及相關特性[5]。其原理為在流體中充分植入具有良好的流體動力學特征的粒子示蹤劑，使用脈沖激光片光照射所測流場的切面區域，通過成像記錄系統獲取兩次或者多次曝光的粒子圖像，形成兩幅或多幅PIV實驗圖像，再利用圖像互相關方法進行分析，從而得出每一小區域中粒子圖像的平均位移，由此確定流場切面上整個區域的二維速度。超聲粒子圖像測速技術（echo-PIV）使用超聲波束作為顯像源，微泡作為粒子示蹤劑，能夠顯像心腔內血流。2000年echo-PIV初次用于在實驗室顯像挾沙水流中的高嶺土粒子[6]，隨后該技術成功應用于心腔內血流的實驗和臨床研究。

2 臨床前研究

目前已有數個研究建立了較成熟的物理或實驗模型，在echo-PIV的可行性、顯像的影響因素以及渦流指標的決定因子等方面進行了研究，取得了一定成果。

Gao等[7]就基礎顯像參數對echo-PIV數據質量的影響進行了研究，發現要獲得精確的速率測量，需要幀率獲取達到113fps，而照影微泡密度要達到19個/mL。Prinz等[8]在高仿真模型上對echo-PIV的可行性進行了研究，發現其對血流速度的估計精準，但最大可測速度對超聲獲取參數的依賴較大，但即使血流速度很高時，直接檢測的可行性也非常好。

Kheradvar等[9]建立了心臟體外實驗模型，利用一個帶人工瓣膜的硅囊模擬心臟，使用脈沖水流進行控制。對數字PIV技術（digital-PIV）和超聲PIV技術（echo-PIV）對渦流的測量能力進行了對比，發現兩種技術獲得的流速矢量等數據在顯像流體方向和流線（大尺度）方面無明顯差異，但由于echo-PIV在空間分辨率上的弱點，一些小尺度細節并未在echo-PIV上顯示。

Sengupta等[10]在動物（豬）試驗中使用echo-PIV技術觀測竇性或起搏心律下等容期的左室內血流模式，發現竇性心律下，在等容收縮期，血流從左室心尖加速朝向心底，在心底處通過形成一渦流結構重定向至流出道；而在等容舒張期，最初血流朝向心尖，很快又轉而朝向心底部；心底部心外膜起搏在射血前期延長了血流重定向的持續時間，延遲了二尖瓣關閉和主動脈瓣開放。

Kim等[11]在動物模型（雜種犬）上對左室內渦流參數的決定因子及其與傳統血流動力學變量的相關性進行了研究，研究發現：渦流深度（VD）和渦流寬度（VW）并不隨藥物調節發生顯著改變，而渦流長度（VL）和球度（SI）在多巴酚丁胺灌注過程中呈現逐步線性降低趨勢，能量指標[相對強度（relative strength，RS）、渦流相對強度（vortex relative strength，VRS）以及渦流搏動相關度（vortex pulsatile correlation，VPC）]在正性或負性肌力藥物作用時發生顯著線性改變；形態學指標依賴于左室容量，而能量指標與心率、收縮壓、舒張壓、左室內壓最大上升速率（dp/dtmax）早期和晚期二尖瓣血流速率以及收縮期和舒張期瓣環運動峰值速率（peak systolic and diastolic annular velocities）呈顯著正相關；多變量分析顯示：左室舒張末容積（LVEDV）是VL和VW的主要決定因子，而左室內壓dp/dtmax是渦流能量參數的主要決定因子。

Sonntag等[12]利用計算機模擬對PIV技術評估二尖瓣反流（mitral regurgitation，MR）進行了試驗，發現PIV技術與計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）之間有良好的相關性，PIV技術用于評估MR是可行的，有望改進MR評估的質量。

3 臨床研究

已發表的echo-PIV臨床研究多為小樣本量研究，探討了正常或一些病理狀態下心腔內血流模式的變化，但研究多集中于左室，定性多于定量。今后還需要更大樣本量的研究，對左房、右心以及大血管內正常和病理條件下的血流模式進行探索。

Hong等[13]對echo-PIV檢測左室內渦流的可行性以及正常人和左室收縮功能不全患者的左室內渦流的特征和定量參數進行了研究，發現echo-PIV可用于左室內渦流的定性和定量分析，定性分析顯示：左室收縮功能不全組在渦流形態、位置、方向及持續時間等特征都與對照組存在差異；定量分析顯示：在左室收縮功能不全組，形態指標VD、VL、SI顯著降低，VW升高；能量指標RS、VRS、VPC顯著下降。此外，觀察者內和觀察者間分析未發現顯著統計學異常，提示echo-PIV可重復性較好[13]。

Faludi等[14]應用echo-PIV觀察了不同類型人工二尖瓣對左室內血流模式及血流介導的能量耗散的影響，結果顯示：人工瓣膜患者較正常人有完全不同的血流模式，受瓣膜類型、瓣口方向、瓣膜位置和左室幾何形態的影響，左室內渦流的形態、位置、方向和持續時間皆有不同；人工瓣膜患者有更顯著的左室能量耗散（RS、VPC）。提示echo-PIV測量左室內渦流可能對優化外科瓣膜置換手術有重要意義。

Son等[15]對左室內渦流模式與前壁心梗患者心尖部血栓形成的相關性進行了研究，定性分析發現：血栓組左室內渦流位置更靠近左室中心且并不向心尖部延伸；定量分析顯示：血栓組VD和RS顯著降低，隨后的多變量分析提示，VD低于0.45是左室心尖部血栓形成顯著的獨立參數。研究表明，echo-PIV可能有臨床定性和定量評估前壁心梗患者的左室心尖部血栓形成的潛力。

Lampropoulos等[16]對房坦患者的單心室內渦流模式進行了研究，發現與對照組（正常人）比較，房坦組患者的血流模式在位置、形狀和球度方面都存在異常，其心室內渦流更短、更寬、更圓；房坦組患者VL、SI、RS、VRS顯著降低，VW和VPC顯著升高。Echo-PIV可能為房坦患者的外科手術治療提供依據。

Park等[17]應用echo-PIV的經食管超聲心動圖技術首次在臨床對左房內渦流進行了研究，發現在正常人和房顫患者中，echo-PIV對左房內渦流的定量評估是可行的，研究顯示：在對照組，渦流出現在左房邊緣，其特征為多重的、搏動的、緊密的和橢圓形的，這些渦流持續存在，向量指向房室道；而在房顫組，渦流出現在左房中心，其特征為單個的、融合的、低搏動的和圓形的。定量分析顯示：在房顫組，渦流的RS較對照組顯著降低[（1.624±0.501）比（2.105±0.226），P＜0.001]，但其他參數并未表現出統計學差異。echo-PIV評估左房內渦流可能為早期檢測左房功能不全和指導房顫患者的抗凝治療提供參考。

周肖等[18]應用echo-PIV技術評價了心肌梗死患者左心室腔內血流的流體力學指標變化，發現心肌梗死患者左室內血流渦流強度低于正常人，定量分析顯示：在前壁心梗組和下壁心梗組，RS和VRS顯著低于正常對照組。

Abe等[19]應用echo-PIV技術對心衰患者的左室內渦流進行了小規模前瞻性隊列研究，發現渦流強度的改變與左室機械功能相關性良好，并且與心衰患者的臨床不良時間相關，超聲粒子圖像測速技術可能為心力衰竭患者的預后評估提供參考。

Agati等[20]使用echo-PIV技術定量評估具有不同程度左室功能不全的ST抬高型心肌梗死患者的心腔內血流動力學，研究表明：渦流的能量耗散指數（energy dissipation index，EDI）及動能搏動指數（kinetic energy fluctuation index，KEFI）與EF值和整體縱向應變（global longitudinal strain，GLS）之間有良好的相關性，并且能量耗散指數與整體室壁運動分數（global wall motion score index，GWMSI）相關良好，PIV技術為進一步了解渦流在左室功能不全的發生和發展中的作用提供了新的視野。

Prinz等[21-22]應用echo-PIV技術對肥厚性非梗阻型心肌病的舒張功能進行評估，發現肥厚性非梗阻型心肌病患者的心腔內血流能量耗散增強，其血流紊亂的嚴重程度與舒張功能不全的程度一致，左室舒張末壓與PIV參數的相關性較好，超聲粒子圖像測速技術用于檢測肥厚性非梗阻型心肌病的舒張功能是可行的。

4 不足與展望

由于目前超聲技術的限制，echo-PIV技術也存在一些不足。目前技術時間分辨率可達4 ms，但有效空間分辨率只有4 mm，導致了一些小尺度細節在echo-PIV上顯示不清[9]。其次，由于獲取幀率的關系，高速血流可能被低估[10，13]。再次，目前的研究樣本量都較小，今后需要更大樣本量的研究以獲取可信數據，界定正常值范圍，如關于可重復性和敏感性的研究，對于超聲心動圖非常重要，但目前的幾個研究，樣本量太少[9，13]。并且目前的研究多為二維平面圖像的PIV應用，并不能充分闡明渦流的三維特征，目前已有研究對echo-PIV技術在三維重建超聲圖像中的應用進行了初步探討[23]。

雖然存在一些不足，但echo-PIV技術不失為一種有前途的心腔內血流顯像方法，能獲得有意義的定量數據。由于心腔內的血流模式在心臟結構和功能發生改變的同時就會受到即刻影響，echo-PIV在評估房室收縮或舒張功能、心血管疾病危險分層、指導抗凝治療、指導先心病和瓣膜手術以及評估大血管功能等方面前景廣闊[23]，當然，這需要研究者更大規模的臨床實驗。

5 小結

傳統的心臟功能指標在出現明顯心功能不全前并不表現出顯著改變，導致這些指標對心臟疾病的早期診斷和治療作用不大。相反，心腔內的血流模式是一個很敏感的指標，在心臟結構和功能發生改變的同時就會受到即刻影響，從而為心血管生理學的理解以及發展超早期診斷工具提供了新視野[24-25]。echo-PIV這一新型血流顯像技術在超聲心動圖中的引入使臨床顯像和分析心腔內渦流成為了可能，但其臨床應用還需更進一步的研究，以探索在不同病理條件下合適的渦流影像參數，以及對正常和異常環境下血流相關生理學的鑒定、檢測和解釋，為各種心血管疾病的早期診斷、治療和預后提供新的依據。

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Research progression of intracardiac vortex flow by echocardiography us-ing particle image velocimetry

ZHANG BoXU JingZHI Guang▲
Department of Cardiology,the General Hospital of People＇s Liberation Army,Beijing100853,China

Blood flow mode in the heart cavity is a very sensitive indicator,it can be affected immediately at the same time of the change of structure and function for cardiac.Therefore,analyzing the blood flow dynamics opens up new perspectives for the understanding of cardiovascular physiology and for developing very early diagnostic tools.Recent technological innovations in imaging modalities and the emergence of echo-particle image velocimetry(echo-PIV)have provided valuable opportunities for direct in vivo assessment of multidirectional blood flow.Hence,the potentials and pitfalls of echo-PIV for blood flow visualization are reviewed,with an emphasis on acquisition,feasibility,optimization and clinic application of this technique.Although the echo-PIV technique seems to be a promising approach,the clinical utility still requires further studies.The identification,verification,and interpretation of flow-related physiology in normal and abnormal states may provide additional/incremental insights into a range of cardiovascular diseases.With advances in imaging,the time is perhaps ripe for further research into the diagnostic and prognostic impact of intracardiac and vascular flow structure.

Flow patterns;Vortex flow;Echocardiography;Particle image velocimetry;Image modality

O357.5

A

1673-7210（2015）04（b）-0030-04

2015-01-12本文編輯：衛軻）

國家自然科學基金面上項目（編號30970836）。

▲通訊作者