心腔流场可视化的超声观察

唐红 陈柳 韦馨 四川大学华西医院 （成都 610041）

1.流场

研究流体流动时，首先将流体分割成很多无限小的体积元——流体粒子，然后研究流体粒子的运动规律，从而得到流体的运动规律。通常采用欧拉法研究流体运动。根据欧拉法，在流体流动空间的每一点上都对应一个流速矢量v（x,y,z,t），它们构成了一个流体速度场，简称流场（flow field）。

2.心腔流场

对于心脏，我们需要研究血液的流动状态、单个血液质点组成的流体在流场中速度分布随时间变化的规律。心腔流场是目前公认最复杂的流场，也是最吸引临床心脏病学家的一个领域。人们试图通过研究心腔流场来更深入地了解心脏的血流动力学变化，更准确地评估心脏功能，提高心脏疾病诊断水平，为患者提供更有效的治疗。

3.心腔流场的研究技术

3.1体外研究

人工心脏模型和计算机模拟成像是体外实验研究的主要方式，如用右心循环模拟装置观察不同Fontan术式的流场[1]。

3.2 体内研究

3.2.1 心血管磁共振成像

图1.VFM观察到的左心室腔流场(左：二维速度向量图；中：流线图；右：涡流图)

图2.心腔流场特征VFM与MRI图像

磁共振成像（MRI）是心腔流场研究的重要方法，流速编码、相位对比磁共振技术可以定量测量三维血流速度及血流量。但是，MRI价格高，体内具有金属装置的患者（如人工心脏瓣膜、起搏器和人工心脏辅助装置）不能进行检查。

3.2.2 超声心动图

M型彩色多普勒实现了心腔流场的线性观察；彩色多普勒血流图实现了心腔流场方向的大体观察；实时三维彩色多普勒血流图可反映心腔内血流的空间关系；超声造影M型可显示心腔内造影剂微泡随时间变化的一维运动轨迹；超声造影剂粒子成像测速技术（Echocontrast Particle imaging velocimetry）可显示左心二维流场，实现单个造影剂微泡的二维流场观察；超声血流动力成像（Echodynamography）基于多普勒信号计算血流二维速度，以等速线显示左心室腔速度向量的二维分布以及血流轴线分布[2～3]。

血流向量成像技术（Vector Flow Mapping,VFM）：2007年出现的VFM技术基于多普勒超声成像，假设任何复杂血流都可以分解为一个基础流 (层流) 和一系列涡流。利用流函数计算，推导出基础流和涡流成分的速度、方向、分布，进而计算出任意点的血流速度和方向。VFM技术有三种显像模式：二维速度向量图、流线图、涡流图。VFM技术真正实现了无创获取心腔二维流场的速度及方向等信息（图1），运用VFM观察到的心腔流场特征与MRI图像相似（图2）。

4.血流向量成像技术的临床应用

4.1 左心室流场舒张期和收缩期变化的观察

李治安等[4]运用VFM技术观察到舒张期二尖瓣开放，左心房内血流涌入左心室，舒张早期跨瓣血流在二尖瓣前、后叶形成两个小漩涡，但是主方向仍然朝向心尖；舒张中期左心室内的血流方向由心尖转向左室流出道，为回旋盘绕状血流，舒张早期的小漩涡演变成大漩涡,但是涡旋速度逐渐减低；舒张晚期，心房收缩二尖瓣再次开放，又见部分充盈血流（图3）。

图3.VFM技术观察到的左心室舒张期流场

图4.VFM定量评估主动脉瓣反流程度

Tanaka[5]观察了左心室收缩期流场，发现收缩早期左室流出道的血流大部分射向主动脉，一部分沿着二尖瓣向后流动，并在二尖瓣左室面附近区域形成加速的涡流；收缩中期左心室中间段及心尖段的血流逐渐加速，而左室流入道及左室后壁区域的血流则被收缩的室壁推向左室流出道附近；收缩晚期，血流的速度逐渐减低。流出道的血流大部分继续射向主动脉，一部分血流沿着左室后壁向心尖方向流动从而形成旋流。

4.2 主动脉瓣反流的定量评估

Li Chen等[6]运用VFM方法和传统超声方法评估了21名慢性主动脉瓣反流患者。VFM法根据流体力学方程直接计算出取样位置的前向血流量与反流量之比（即反流率）。结果显示VFM可准确评估主动脉瓣反流量，即使对于传统超声评估方法难以定量的偏心性反流（图4）。

4.3 扩张型心肌病患者的左心室流场观察

四川大学华西医院应用VFM 技术对扩张型心肌病患者的左心室流场进行了初步观察，提示舒张期左心室腔流场呈现巨大涡流状态，心腔内血流速度明显低于正常人（图5）。

图5.扩张型心肌病患者的左心室流场（左：二维速度向量图，右：流线图）

图6.正常人右心房收缩期流场（左：二维速度向量图，右：流线图）

4.4 右心房流场观察及VFM定量体肺流量比Qp/Qs的准确性

韦馨等[7]应用VFM 技术观察到正常人与房间隔缺损患者的右心房流场存在明显差异（图6～图7），并且采用血流量曲线模式，计算VFM所测体肺流量比Qp/Qs= F(PA)/F(AV)。正常组30例，Qp/Qs均 值 (1.0±0.08)， 范 围 0.84～1.15；房间隔缺损（ASD）组17例，ASD最大径7～32mm (17.07±7.04mm)， VFM 所测 Qp/Qs均值(2.11±0.59)，范围1.18～3.34，右心导管法所测均值(2.23±0.78)，范围1.13～3.60，二者一致性良好。VFM所测Qp/Qs重复性：组内变异系数为10.02%；组间变异系数为10.56%。

4.5 正常人与二尖瓣狭窄患者的肺静脉流场观察

尚艳文等[8]应用VFM技术观察到正常人肺静脉内的血液质点平行于管路内壁有规则的流动，为层流流动状态（图8）。较之正常人的肺静脉流场，风湿性二尖瓣狭窄的患者表现为云雾样旋滚状血流流场，此时，各血液质点相对不规则地流动，为紊流状态（图9）。

图7.ASD患者的双心房流场

图8.正常人左上肺静脉各时相血流二维速度向量图

图9.二尖瓣狭窄患者左上肺静脉各时相血流二维速度向量图

图10.VFM流线模式展示的正常人左心耳流场（左：心耳充盈；中：充盈与排空速为零；右：心耳排空）

图11.主动脉弓部的二维速度向量图

图12.1例围术期ASD患者和正常对照者左室腔涡流图

4.6 左心耳流场观察

四川大学华西医院应用VFM技术观察正常人的左心耳流场，提示收缩期血流方向由心耳基底部流向尖部，心耳充盈；舒张早期心耳处于相对静止状态，充盈与排空速为零；舒张晚期，血流方向由心耳尖部流向基底部，心耳排空（图10）。

4.7 主动脉弓部流场的定量研究

主动脉弓部流场的维持需要左室射血的推动力及大血管本身的弹性运动。图11展示的是四川大学华西医院应用VFM技术观察到的收缩期主动脉弓部流场的二维速度向量图。主动脉弓部流场与左室腔流场的同步性如何，血管本身的弹性运动在多大程度上影响弓部流场等仍待探索。

4.8 VFM评价房间隔缺损（ASD）、动脉导管未闭（PDA）患者左室腔涡流特征

左室腔涡流指标：左室腔涡流的峰值流量（Maximum flow volume of vortex，Qmax），半流量面积（Half-value area of vortex，S），半流量涡流直径（Diameter，D），涡流强度（Vortex intensity，VI）。

涡流运动是二维流动，满足流函数的性质，流函数的峰值定义为涡流的峰值流量（Qmax）；流函数值大于1/2峰值流量的区域面积和直径定义为涡流半流量面积和直径（S,D）；涡流强度（VI）定义为单位面积流量，即峰值流量与半流量面积之比。涡流强度越高表示小范围内涡流旋转越剧烈。

陈柳等[9]分别观察了18例ASD患者、15例PDA患者以及40名健康志愿者左室腔涡流特征。结果提示健康志愿者等容收缩期左室腔涡流峰值流量为38.08±8.55 cm2/s，半流量面积为2.95±1.07 cm2，半流量涡流直径为1.91±0.35cm，涡流强度为14.59±6.62s-1。

ASD患者较之正常人，等容收缩期左室腔形成的涡流S及D缩小，VI增大，涡流Qmax有减小趋势；介入封堵术后第2天，等容收缩期涡流特征尚未恢复（图12）。

PDA患者较之正常人，等容收缩期左室涡流Qmax、S及D明显增大，VI无变化；介入封堵术后第2天，左室等容收缩期涡流Qmax明显减低，但是Qmax、S及D仍高于正常人（图13）。

图13.1例围术期PDA患者和正常对照者左室腔涡流图

5.VFM技术的应用前景

李小庆等[10]通过体外流体力学实验模型验证了VFM测量的准确性及重复性。VFM技术适用人群广，无特殊禁忌；无创、安全、实时动态；可定性、定量分析心脏的解剖结构、心电生理、机械运动及心腔流场四者之间的相互作用及联系。流场参数可以敏感地反映心功能状态，可作为判断心功能是否正常的指标之一。Gharib等[11]提出舒张期左室涡流形成时间，并从理论和临床试验两方面证实该指标无切面依赖，无个体因素的影响，和LVEF相关性好，可以敏感地反映心功能。Hong等[12]应用超声造影剂粒子成像测速技术，研究了27名收缩性心力衰竭患者的左室涡流特征并得出结论：对于预测收缩性心力衰竭患者的血流动力学状态及症状，流场参数（相对强度、涡流相对强度、涡脉动相关性）优于传统多普勒参数E/e和左心房容积指数。

流场可视化有望呈现心血管疾病的血流动力学改变。我们期待心腔流场的超声观察由可视化血流二维方向及速度，实现动态的视化血流三维方向及速度。

[1]袁师敏.先天性心脏病的流场可视化研究.现代诊断与治疗,1996, 7(3): 164-167.

[2]Ohtsuki,S.Tanaka,M.The flow velocity distribution from the doppler information on a plane in three-dimensional flow.Journal of visualization.2006,;9(1):69-82

[3]Uejima T.Koike A.Sawada H.Aizawa T.et, al.A new echocardiographic method for identifying vortex flow in the left ventricle: Numerical validation.Ultrasound in Medicine and Biology.2010, 36 (5) :772-788.

[4]李治安,陈倬,何怡华等.超声向量血流图对人体左心室涡流的初步探讨.中华超声影像学杂志.2010,19(3): 195-199.

[5]Tanaka M.Sakamoto T.Sugawara S.Nakajima H.Katahira Y.Ohtsuki S.Kanai Blood flow structure and dynamics, and ejection mechanism in the left ventricle: Analysis using echo-dynamography.Journal of cardiology.2008,52: (2):86-101

[6]Li Chen,Zhang Juqin,Tang Hong,et al.Quantification of Chronic Aortic Regurgitation by Vector Flow Mapping: a Novel Echocardiographic Method.European Journal of Echocardiography.2010,11(2):119-124

[7]韦馨,唐红,陈柳,等.血流向量成像技术在房间隔缺损右房流场可视化及肺体循环血流量比定量中的价值[J].四川大学学报（医学版）,2012,43(2):275-279.

[8]尚艳文,唐红,陈柳,等.血流向量成像技术评价左上肺静脉血流流场特点.中华临床医师杂志（电子版）,2012,6(5);172-173

[9]陈柳.血流向量图技术评价结构性心脏病患者围术期左室腔涡流特征.四川大学硕士研究生论文.2011

[10]李小庆,唐红,李晨,等.超声向量血流成像的流体模型定量研究.中华医学超声杂志,2009,6(5) : 12-14.

[11.Morteza Gharib, Edmond Rambod, Arash Kheradvar, et al.Optimal vortex formation as an index of cardiac health.California institute of Technology,Pasadena,CA,2006,103:6305-6308.

[12]Geu-Ru Hong.Peng Li.Huy Nguyen, et al.Quantitative Left Ventricular Flow Vortex Analysis is Superior to Conventional Echo-Doppler to Predict Hemodynamics and Symptoms in Patients with Systolic Heart Failure: A Novel Quantitative Vorticity Imaging Study Using Contrast Echocardiography and Particle Image Velocitimetry.Circulation.2007;116:645-646.