VFM 技術在評估擴張性心肌病患者左室腔內血流能量損耗中的應用

朱達 彭映輝

云南省中醫醫院急診科（昆明 650021）

旋渦是在左心室（left ventricle，LV）舒張期間 觀察到的最重要的流體現象之一，能將二尖瓣血流重定向到左心室流出道［1］。這種渦流保證了流體動量的有效傳遞，并使心室能量耗散最小化［2?3］。舒張期的旋渦形成可以作為評估舒張功能的指標［4］。然而，這種腔內流動的旋轉運動在由各種心臟疾病引起的LV發生重構后完全逆轉，增加了能量耗散，并且隨著新病理學的潛在發展而改變了壓力分布，不僅降低了心臟泵的效率，還增加了心臟肌肉的工作量。等容收縮期（isovolumic contraction，IVC）是左心室充盈和射血之間的間隔［5］。IVC時期使LV的壓力迅速升高，為LV射血過程做準備。近來，對于擴張型心肌病患者，IVC作為心室不同步標志物的興趣日益增加［6］。相關研究發現，IVC期不是血流動力學停滯階段，而是腔內流動態變化的階段。然而，在IVC期間擴張型心肌病患者的腔內血流動力學的基本變化和精確特征在臨床上仍然未知。本研究采用血流向量成像（vector flow mapping，VFM）技術來研究擴張性心肌病患者LV腔內在IVC期間的血流特征，并與正常受試者的腔內血流變化進行比較，探討VFM的臨床應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2015年10月至2016年11月在我院門診和住院部門接受治療的89例被診斷為擴張型心肌病的患者作為研究對象。納入標準：（1）嚴重LV功能障礙（超聲心動圖檢查射血分數≤35%）；（2）通過多普勒超聲心動描記術評估超過輕微瓣膜反流的病變；（3）冠狀動脈造影正常；（4）竇性心律。排除標準：（1）臨床或血流動力學不穩定；（2）不愿意給予知情同意；（3）所有先天性、瓣膜性或肥厚型心肌病患者，心肌炎、心包炎、中重度肺動脈高壓、甲狀腺疾病患者。最終58例符合條件患者被納入研究（觀察組），其中有24例LV異常松弛充盈，14例假性正常充盈，23例限制性充盈（基于二尖瓣血流速度模式）。對照組由56例同期在本院接受健康體檢的志愿者組成，平均年齡和性別分布與觀察組相比無明顯差異。對照組納入標準：（1）超聲心動圖結果正常，沒有區域性室壁運動異?；蛐呐K瓣膜病的征象；（2）LV大小和質量指數正常；（3）竇性心律無傳導異常。研究方案經云南省中醫院倫理委員會審核批準，并獲得受試者的知情同意。

1.2 標準的超聲心動圖超聲心動圖檢查采用配備有多頻換能器的α 10超聲系統（日本Aloka公司）操作。使用雙平面辛普森（Simpson）法則獲得LV射血分數和體積。每搏輸出量是舒張末期和收縮末期容積之間的差異。通過將最大長軸除以最大短軸尺寸來計算LV球形指數。在心尖四腔切面記錄二尖瓣血流量，測量E波和A波的最大速度。主動脈多普勒血流從長軸視圖通過脈沖多普勒模式記錄。等容收縮時間是二尖瓣關閉到主動脈瓣開放之間相隔的時間。測量二尖瓣舒張早期環速度以評價LV舒張功能。

1.3 彩色多普勒超聲心動圖從心尖長軸切面記錄3個連續搏動的標準二維彩色多普勒超聲心動圖。多普勒區域的角度和大小僅限于LV腔，以獲得所有受試者的最大幀速率，幀速率從40～87幀/s變化，平均（53±10）幀/s。本研究中多普勒速度范圍為-61～61 cm/s。所有記錄都以數字形式存儲，并在離線狀態下分析。

1.4 VFM軟件分析在離線VFM工作站上處理來自彩色多普勒超聲心動圖的數字原始數據。超過多普勒-61～61 cm/s范圍并導致混疊的流速可以通過在工作站上增加多普勒速度范圍至-122～122 cm/s來手動校正。VFM是一種將傳統超聲心動圖獲取的彩色多普勒速度數據進行處理后產生流速矢量圖的新技術。垂直于波束方向的速度分量可以通過使用復雜的流體動力學計算從波束方向上的速度分布推斷。VFM的原理和詳細的算法已有文獻報道［7-8］。

在流速矢量圖中，矢量用不同長度的黃線表示，方向由傾斜度表示，紅色點在矢量的頭部（圖1）。旋渦分量可從腔內流提取，并由旋渦圖中的閉合流線表示（圖2）。VFM測量通過渦旋中心并垂直于超聲波束的取樣線（圖2，綠線）來估算朝向超聲波探頭的流量（等于相對于超聲波探頭的流量），即渦流的流量。渦流通過采樣線的總流量設為零。本研究使用二維VFM，因此旋渦的流量表示為面積流量（cm2/s）。此外，研究還測量了渦旋分布區域的面積。在旋渦圖中，漩渦被表示為一系列同心環，最外環的面積被測量作為渦旋的面積。

圖1 正常人LV腔內血流從二尖瓣關閉到主動脈瓣開口的流速矢量圖Fig.1 The flow of blood flow from mitral valve to aortic valve opening in normal LV cavity

圖2 正常人主動脈瓣開口時從心尖到左心室流出的血流速度梯度Fig.2 The velocity gradient of the flow from the apex of the heart to the left ventricle

通過設置從頂點到底部的解剖流線（圖2，黃線），在主動脈瓣口的時間點檢測出從心尖到LV流出道區域的血流速度梯度。用VFM測量解剖流線上的血流速度，計算LV頂部、中間和底部的平均速度。

1.5 統計學方法連續變量以均數±標準差表示。選擇SPSS 13.0軟件，采用Kolmogorov和Smirnov檢驗對連續變量進行正態分布檢驗。臨床特征和血液動力學變量之間的比較采用studentt檢驗或Mann?Whitney秩和檢驗。不同心臟相位之間渦流中LV心尖到流出道的流速梯度差異比較采用Wilcoxon signed?rank檢驗。通過卡方檢驗來比較分類變量之間的差異。將單變量分析中具有關聯的變量（P＜0.05）引入逐步多元線性回歸以確定渦旋變化的獨立預測因子。P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組的臨床和超聲心動圖特征兩組在心率、QRS寬度、LV射血分數、LV舒張末期短徑、LV收縮末期短徑、LV舒張末期長徑、LV收縮末期長徑、LV舒張末期容積指數、LV收縮末期容積指數、左心房大小、LV等容收縮周期和舒張早期二尖瓣環速度等指標比較，差異具有統計學意義（P＜0.05）。見表1。

表1 兩組的臨床和超聲心動圖特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

表1 兩組的臨床和超聲心動圖特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

注：LV=左心室

組別 例數對照組 56觀察組 58 P值年齡（歲）53±10 54±11 0.676男/女35/21 38/20 0.827心率（次/min）69±11 76±13 0.003收縮壓（mmHg）116±15 110±18 0.075舒張壓（mmHg）74±10 70±13 0.138 QRS寬度（ms）90±17 133±43 0.000 LV射血分數（%）62±6 29±7 0.000 LV每搏量（mL）70±14 66±21 0.232 LV舒張末期短徑（mm）45±5 70±9 0.000 LV收縮末期短徑（mm）29±4 58±8 0.000組別 左心房大?。╩m）二尖瓣E峰速度（cm/s）對照組觀察組P值舒張早期二尖瓣環速度（cm/s）8.79±2.58 4.40±1.71 0.000 LV舒張末期長徑（mm）75±6 89±8 0.000 LV收縮末期長徑（mm）60±5 79±8 0.000 LV舒張末期容積指數1.59±0.20 1.34±0.16 0.000 LV收縮末期容積指數2.10±0.34 1.37±0.18 0.000 38±4 49±9 0.000 LV等容收縮周期（ms）66±11 117±39 0.000 70±19 72±24 0.582二尖瓣A峰速度（cm/s）66±15 69±31 0.121

2.2 兩組在舒張期和IVC期間渦旋的形成情況對照組中所有受試者在IVC期間渦流均到達LV的底部區域（圖3A）。33例（59%）受試者的旋渦分布在LV的底部?頂部區域，21例（37%）分布在底部?中部區域，2例（4%）僅分布在底部區域。

觀察組中只有28例（48%）在IVC期間到達LV的底部區域（圖3B），顯著低于對照組（P=0.000）。16例（28%）患者的旋渦分布在LV的底部-中部-頂部區域，8例（14%）分布在底部?中部區域，32例（55%）分布在中部-頂部區域，2例（3%）完全沒有觀察到大旋渦。

在IVC開始時，對照組旋渦的面積（15±3）cm2和流量（36±8）cm2/s均顯著小于觀察組（27±8）cm2，（45 ± 12）cm2/s，均P=0.000。在 IVC 結束時，兩組旋渦流量相似（28± 4）cm2/svs.（29±11）cm2/s，P=0.617，對照組旋渦的面積顯著小于觀察組（16 ± 3）cm2vs.（24 ± 9）cm2，P=0.000。在IVC期間，對照組旋渦的面積輕微增加并不顯著（P=0.073），但流量明顯減少［（10± 27）%］；觀察組旋渦的面積和流量均顯著下降，其中流量減少了（29±54）%,與對照組相比，差異有統計學意義（P=0.000）。見圖3。

圖3 兩組LV腔內血流從MV閉合到AV開放Fig.3 The blood flow in LV cavity of the two groups was closed from MV to AV

2.3 兩組在主動脈瓣開口時血流速度情況當主動脈瓣開口時，觀察組中僅在21例患者可觀察到瓣膜下LV射血的初始血流速度（36%），與對照組相比，差異有統計學意義（P=0.000），并且觀察組在LV室的中部和基底部的平均血流速度均顯著低于對照組（P＜0.05）。見表2。

表2 主動脈瓣開放時LV頂、中、底部的平均血流速度Tab.2 The average blood flow velocity at the top，middle and bottom of the LV of aortic valve opening x± s，cm/s

2.4 LV功能與漩渦變化的相關性將所有受試者的單因素分析結果中差異具有統計學意義的指標納入多變量模型中進一步分析渦旋變化的影響因子，結果顯示左心室射血分數減少是IVC期間旋渦面積百分比下降的唯一獨立預測因子（P=0.000），QRS寬度（P=0.026）和左心室收縮末期長徑（P=0.004）是旋渦流量百分比減少的獨立預測因子。

3 討論

3.1 IVC期間的旋渦近年來，已有研究證實IVC期間腔內旋渦持續存在，并不是常規了解的IVC 期的血液動力學處于停滯階段［9?10］。旋渦反映了LV的功能狀態、形狀和結構，其過早分解表示儲存能量的耗散，表明LV功能受損。雖然在舒張期的渦流形成和發展都得到了很好的研究，但迄今為止對IVC期間旋渦的變化，尤其對于心臟功能變化的潛在意義知之甚少。IVC與心內膜下纖維的縮短有關，并伴有心外膜下纖維的伸展。研究發現，IVC期間可見一個短暫的，沿順時針扭轉的頂點，這是心內膜下和心外膜下區域異步運動的結果，可能有利于血流重新引導和加速，從而維持旋渦的流動［11］。此外，IVC時期為心臟充盈和射血之間的過渡期間，LV流入和流出之間的血液流動方向的完全改變主要依靠旋渦流動而平穩地實現。正常受試者在IVC期間旋渦持續存在，一旦LV開始射血，旋渦消退。然而，WALKER等［12］報道，心力衰竭患者在LV射血期間渦旋持續存在。本研究證實了這一點，可能由于擴張性心肌病患者的LV較多為球形，左心室壁運動減少，體積增大，進而阻礙和減緩了心室的渦流耗散。需要通過進一步的研究來區分可能影響LV射血期間旋渦演變的因素。

3.2 VFM在評估IVC期間LV旋渦的應用根據彩色多普勒圖像數據，VFM運用數學方法對血流速度進行估算。VFM的原理已經在參考文獻中有詳細的描述［13］。由于彩色多普勒超聲心動圖不需要注射造影劑即可獲取，因此通過VFM評估流速分布可以作為臨床上更方便的工具。目前，體外研究已對VFM的有效性和三維數值流動模型進行了驗證，VFM評估的流量與實際流量之間存在良好的相關性（r=0.997，P＜0.001），預期值和實測值之間的誤差為1.3%［14］。此外，VFM已被用于研究正常LV收縮時的血流結構和血流動力學。最近一項對主動脈瓣關閉不全患者的臨床研究亦支持其用于測量血流量［15］。本研究將三維腔內流動在二維掃描平面上可視化。雖然三維成像可以提供更好的跟蹤和量化腔內流動，但其空間和時間分辨率低限制了其在實踐中的應用，并且三維VFM目前不可用?？紤]到旋渦可能在LV充盈和射血之間的轉變中起重要作用，從頂端長軸視圖進行觀察，這可能是最佳的觀點，因為它能夠同時觀察LV流入和流出軸，其中包括二尖瓣和主動脈口。觀察結果顯示，在所有正常人中，旋渦均到達主動脈瓣下的區域，并且在IVC期間旋渦面積沒有減少。因此，輸出流體中的血液在IVC過程中保持動態狀態，持續向主動脈方向運動，在左心室射血開始時以初始速度加速。然而，在擴張性心肌病患者中，IVC期間的旋渦面積顯著變小，流量減少更為嚴重。在一半以上的患者中，旋渦僅達到LV的中間水平，這意味著主動脈瓣下的血液無法獲得從旋渦轉移的動量。在主動脈瓣開放時，只有36%的患者可觀察到瓣膜下的初始血流速度。另外，射血開始時，患者LV中部和基底部的平均流速較低。

3.3 IVC期間的旋渦影響因素在IVC期間非持續的旋渦可能歸因于擴張性心肌病患者的心功能不全，多變量分析模型顯示，其主要與收縮和舒張功能低下，QRS寬度較大，IVC期延長，LV幾何形狀改變密切相關，進而阻礙了IVC期間最佳的旋渦的形成和血液的重新定向［16］。擴張性心肌病患者的機械收縮不同步可能會干擾IVC期間旋渦的持續存在，并且LV收縮功能受損也無法產生足夠的向心力來維持旋渦。增大的LV腔室更容易發生流體能量耗散，IVC期延長可能導致旋渦能量的衰減。此外，IVC期間未受抑制的渦流不利于早期收縮期間的血液排出，會進一步加重LV功能障礙。

3.4 研究的局限性本研究存在如下局限性：（1）相對較低的幀速率是檢測旋渦流量的潛在限制。為了獲得在IVC時段內跟蹤流動所需的更高幀速率，二維灰階超聲心動圖和彩色血流多普勒成像的空間分辨率被適當地減小。幀率在對照組為（63±5）幀/s，觀察組為（45±5）幀/s。對于較大的LV腔室，患者的幀速率較低。然而，由于IVC期較長，即使患者的心率較高也可獲得更多的幀數，IVC期間旋渦變化的趨勢在觀察組中更容易觀察到。（2）右心室功能和收縮壓可能影響LV的旋渦變化。但本研究未考慮右心室的影響，因為筆者認為LV功能和結構在旋渦的演變過程中起主導作用。此外，觀察組排除了中到重度肺動脈高壓患者，以盡可能減少右心室的影響。（3）盡管VFM的算法本身是獨立的，但原始的速度數據仍然是基于常規的彩色多普勒頻譜記錄，因此VFM的最終結果并不完全與角度無關。在多普勒數據采集過程中，為了盡量減少多普勒光束與血流通過LV腔的入射角，所有圖像均在心尖長軸切面測得。

總之，VFM技術可以顯示LV內血流結構，為超聲研究心臟功能提供一個新的研究路徑，擴張性心肌病患者的IVC期間LV旋渦明顯區別于正常人，VFM技術能夠通過旋渦顯像更好地評估擴張性心肌病患者的IVC期間LV腔內血流能量損耗的病理生理狀態。

［1］YIN M，LUO X Y，WANG T J，et al.Effects of flow vortex on a chorded mitral valve in the left ventricle［J］.Int J Numer Method Biomed Eng，2010，26（3?4）：381?404.

［2］WALKER A M，SCOTT J，RIVAL D E，et al.In vitro post?ste?notic flow quantification and validation using echo particle im?age velocimetry（Echo PIV）［J］.Exp Fluids，2014，55（10）：1?16.

［3］HENDABADI S，BERMEJO J，BENTIO Y，et al.Topology of blood transport in the human left ventricle by novel；processing of doppler echocardiography［J］.Ann Biomed Eng，2013，41（12）：2603?2616.

［4］GHOSH E，SHMUYLOVICH L，KOVáCS S J.Vortex forma?tion time?to?left ventricular early rapid filling relation：model?based prediction with echocardiographic validation［J］.J Appl Physiol，2010，109（6）：1812?1819.

［5］李巧貞，馬娜，黎志國，等.應用血流向量圖比較正常人與心力衰竭患者左心室等容收縮期渦流［J］.心臟雜志，2017，29（5）：579?582.

［6］顏美珠，沈曼茹，唐鄂，等.NT?proBNP對肝硬化患者心功能的評估價值［J］.中國醫師雜志，2015，8（s1）：120?122.

［7］郭薇，祖曉慧，盧荔紅，等.VFM技術評價急性前壁心肌梗死患者介入治療后左室血流向量的變化［J］.中國超聲醫學雜志，2015，31（3）：214?217.

［8］FAURIE J，BAUDET M，ASSI K C，et al.Intracardiac vortex dynamics by high?frame?rate doppler vortography?in vivo com?parison with vector flow mapping and 4?D flow MRI［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control，2017，64（2）：424?432.

［9］SAYGISUNAR U，KILI? H，AYTüRK M，et al.Volume de?pletion provided by blood donation alters twist mechanics of the heart：Preload dependency of left ventricular torsion［J］.Scand Cardiovasc J，2016，4（1）：23?27.

［10］JONAS GESENHUES，MARC HEIN，THIVAHARAN AL?BIN，et al.Cardiac modeling：identification of subject specific left?ventricular isovolumic pressure curves［J］.IFAC PapersOn?Line，2015，48（20）：581?586.

［11］NARULA J，VANNAN M A，DEMARIA A N.Of that waltz in my heart［J］.J Am Coll Cardiol，2007，49（8）：917?920.

［12］WALKER A M，SCOTT J，RIVAL D E，et al.In vitro post?ste?notic flow quantification and validation using echo particle im?age velocimetry（Echo PIV）［J］.Exp Fluids，2014，55（10）：1?16.

［13］郭子鴻，杜國慶，李紫瑤，等.血流向量成像技術對CRF患者左室舒張功能的量化研究［J］.中國超聲醫學雜志，2016，32（4）：323?326.

［14］UEJIMA T，KOIKE A，SAWADA H，et al.A new echocardio?graphic method for identifying vortex flow in the left ventricle：numerical validation［J］.Ultrasound Med Biol，2010，36（5）：772?788.

［15］LI C，ZHANG J Q，LI X Q，et al.Quantification of chronic aortic regurgitation by vector flow mapping：a novel echocardiographic method［J］.Eur J Echocardiogr，2010，11（2）：119?124.

［16］F?LL D，TAEGER S，BODE C，et al.Age，gender，blood pressure，and ventricular geometry influence normal 3D blood flow characteristics in the left heart［J］.Eur Heart J Cardiovasc Imaging，2013，14（4）：366?373.