超声粒子图像测速技术检测心腔内涡流的研究进展

张 波 许 婧 智 光

解放军总医院心内科，北京100853

超声粒子图像测速技术检测心腔内涡流的研究进展

张 波 许 婧 智 光▲

解放军总医院心内科，北京100853

心腔内的血流模式是一个很敏感的指标，在心脏结构和功能发生改变的同时就会受到即刻影响，从而为心血管生理学的理解以及发展超早期诊断工具提供了新视野。这一新型血流显像技术在超声心动图中的引入使临床显像和分析心腔内涡流成为了可能，笔者回顾了目前已发表的数个物理实验、动物模型以及临床研究，就超声粒子图像测速技术的原理、可行性、优化以及临床应用进行了分析，粒子图像测速技术虽然是一种前景广阔的技术，但临床应用还需更进一步的研究，以探索在不同病理条件下合适的涡流影像参数，以及对正常和异常环境下血流相关生理学的鉴定、检测和解释，为各种心血管疾病的早期诊断、治疗和预后提供新的依据。

血流模式曰涡流曰超声心动图曰粒子图像测速技术曰显像方法

目前对于心脏血流动力学的研究主要集中于心腔及瓣膜的结构，获得有关心脏收缩及舒张功能的指标，如心腔大小、室壁厚度、压力、时间、流速、射血分数（EF）值等，但对于心腔内的血流模式所知甚少。心腔内的血流模式与心脏的结构及功能相适应，以利于有效射血，心脏结构和功能的改变会对心腔内血流产生即时影响，因此，心腔内血流的空间及时间分布可能为心血管疾病的早期诊断、治疗和预后提供参考[1]。近年来研究者利用物理及计算机模型、有创及无创影像学方法对心腔内血流进行了一些研究，发现心腔内血流有自发旋转的趋势，于是从流体力学引进“涡流”这一概念，涡流是指具有旋转运动的流体结构[2]。对涡流的直接测量需要能提供三维血流信息的技术，前些年有多个研究利用四维血流核磁共振成像技术（4-di mensional flow magnetic resonance imaging，4D flow MRI）对心腔内涡流进行了评估，发现心腔内涡流可能在防止血流震荡、避免能量过度耗散、重定向并推动血流入左室流出道以及增强房室功能的交互方面发挥了重要作用[3]。但核磁共振费用高昂，时间分辨率较差，耗时较长，而且限制颇多（如不能用于有设备植入的患者等），这些缺点限制了其临床应用。随着多普勒技术在20世纪80年代中期的引入，超声心动图以其良好的时间分辨率和简便易行的特点，在心腔内血流的测量中日益受到研究者的重视，特别是近年来，随着多种新技术如粒子图像测速技术（particle image velocimetry，PIV）、向量血流成像技术（vecter flow mapping，VFM）[4]等的应用，相关研究蓬勃发展，下面就基于PIV的超声心动图技术的研究进展进行简要介绍。

1 粒子图像测速技术原理

PIV技术是用于流体显像的一种光学方法，被广泛应用于流体力学实验室，能测量流体的瞬时速度及相关特性[5]。其原理为在流体中充分植入具有良好的流体动力学特征的粒子示踪剂，使用脉冲激光片光照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统获取两次或者多次曝光的粒子图像，形成两幅或多幅PIV实验图像，再利用图像互相关方法进行分析，从而得出每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维速度。超声粒子图像测速技术（echo-PIV）使用超声波束作为显像源，微泡作为粒子示踪剂，能够显像心腔内血流。2000年echo-PIV初次用于在实验室显像挟沙水流中的高岭土粒子[6]，随后该技术成功应用于心腔内血流的实验和临床研究。

2 临床前研究

目前已有数个研究建立了较成熟的物理或实验模型，在echo-PIV的可行性、显像的影响因素以及涡流指标的决定因子等方面进行了研究，取得了一定成果。

Gao等[7]就基础显像参数对echo-PIV数据质量的影响进行了研究，发现要获得精确的速率测量，需要帧率获取达到113fps，而照影微泡密度要达到19个/mL。Prinz等[8]在高仿真模型上对echo-PIV的可行性进行了研究，发现其对血流速度的估计精准，但最大可测速度对超声获取参数的依赖较大，但即使血流速度很高时，直接检测的可行性也非常好。

Kheradvar等[9]建立了心脏体外实验模型，利用一个带人工瓣膜的硅囊模拟心脏，使用脉冲水流进行控制。对数字PIV技术（digital-PIV）和超声PIV技术（echo-PIV）对涡流的测量能力进行了对比，发现两种技术获得的流速矢量等数据在显像流体方向和流线（大尺度）方面无明显差异，但由于echo-PIV在空间分辨率上的弱点，一些小尺度细节并未在echo-PIV上显示。

Sengupta等[10]在动物（猪）试验中使用echo-PIV技术观测窦性或起搏心律下等容期的左室内血流模式，发现窦性心律下，在等容收缩期，血流从左室心尖加速朝向心底，在心底处通过形成一涡流结构重定向至流出道；而在等容舒张期，最初血流朝向心尖，很快又转而朝向心底部；心底部心外膜起搏在射血前期延长了血流重定向的持续时间，延迟了二尖瓣关闭和主动脉瓣开放。

Kim等[11]在动物模型（杂种犬）上对左室内涡流参数的决定因子及其与传统血流动力学变量的相关性进行了研究，研究发现：涡流深度（VD）和涡流宽度（VW）并不随药物调节发生显著改变，而涡流长度（VL）和球度（SI）在多巴酚丁胺灌注过程中呈现逐步线性降低趋势，能量指标[相对强度（relative strength，RS）、涡流相对强度（vortex relative strength，VRS）以及涡流搏动相关度（vortex pulsatile correlation，VPC）]在正性或负性肌力药物作用时发生显著线性改变；形态学指标依赖于左室容量，而能量指标与心率、收缩压、舒张压、左室内压最大上升速率（dp/dtmax）早期和晚期二尖瓣血流速率以及收缩期和舒张期瓣环运动峰值速率（peak systolic and diastolic annular velocities）呈显著正相关；多变量分析显示：左室舒张末容积（LVEDV）是VL和VW的主要决定因子，而左室内压dp/dtmax是涡流能量参数的主要决定因子。

Sonntag等[12]利用计算机模拟对PIV技术评估二尖瓣反流（mitral regurgitation，MR）进行了试验，发现PIV技术与计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）之间有良好的相关性，PIV技术用于评估MR是可行的，有望改进MR评估的质量。

3 临床研究

已发表的echo-PIV临床研究多为小样本量研究，探讨了正常或一些病理状态下心腔内血流模式的变化，但研究多集中于左室，定性多于定量。今后还需要更大样本量的研究，对左房、右心以及大血管内正常和病理条件下的血流模式进行探索。

Hong等[13]对echo-PIV检测左室内涡流的可行性以及正常人和左室收缩功能不全患者的左室内涡流的特征和定量参数进行了研究，发现echo-PIV可用于左室内涡流的定性和定量分析，定性分析显示：左室收缩功能不全组在涡流形态、位置、方向及持续时间等特征都与对照组存在差异；定量分析显示：在左室收缩功能不全组，形态指标VD、VL、SI显著降低，VW升高；能量指标RS、VRS、VPC显著下降。此外，观察者内和观察者间分析未发现显著统计学异常，提示echo-PIV可重复性较好[13]。

Faludi等[14]应用echo-PIV观察了不同类型人工二尖瓣对左室内血流模式及血流介导的能量耗散的影响，结果显示：人工瓣膜患者较正常人有完全不同的血流模式，受瓣膜类型、瓣口方向、瓣膜位置和左室几何形态的影响，左室内涡流的形态、位置、方向和持续时间皆有不同；人工瓣膜患者有更显著的左室能量耗散（RS、VPC）。提示echo-PIV测量左室内涡流可能对优化外科瓣膜置换手术有重要意义。

Son等[15]对左室内涡流模式与前壁心梗患者心尖部血栓形成的相关性进行了研究，定性分析发现：血栓组左室内涡流位置更靠近左室中心且并不向心尖部延伸；定量分析显示：血栓组VD和RS显著降低，随后的多变量分析提示，VD低于0.45是左室心尖部血栓形成显著的独立参数。研究表明，echo-PIV可能有临床定性和定量评估前壁心梗患者的左室心尖部血栓形成的潜力。

Lampropoulos等[16]对房坦患者的单心室内涡流模式进行了研究，发现与对照组（正常人）比较，房坦组患者的血流模式在位置、形状和球度方面都存在异常，其心室内涡流更短、更宽、更圆；房坦组患者VL、SI、RS、VRS显著降低，VW和VPC显著升高。Echo-PIV可能为房坦患者的外科手术治疗提供依据。

Park等[17]应用echo-PIV的经食管超声心动图技术首次在临床对左房内涡流进行了研究，发现在正常人和房颤患者中，echo-PIV对左房内涡流的定量评估是可行的，研究显示：在对照组，涡流出现在左房边缘，其特征为多重的、搏动的、紧密的和椭圆形的，这些涡流持续存在，向量指向房室道；而在房颤组，涡流出现在左房中心，其特征为单个的、融合的、低搏动的和圆形的。定量分析显示：在房颤组，涡流的RS较对照组显著降低[（1.624±0.501）比（2.105±0.226），P＜0.001]，但其他参数并未表现出统计学差异。echo-PIV评估左房内涡流可能为早期检测左房功能不全和指导房颤患者的抗凝治疗提供参考。

周肖等[18]应用echo-PIV技术评价了心肌梗死患者左心室腔内血流的流体力学指标变化，发现心肌梗死患者左室内血流涡流强度低于正常人，定量分析显示：在前壁心梗组和下壁心梗组，RS和VRS显著低于正常对照组。

Abe等[19]应用echo-PIV技术对心衰患者的左室内涡流进行了小规模前瞻性队列研究，发现涡流强度的改变与左室机械功能相关性良好，并且与心衰患者的临床不良时间相关，超声粒子图像测速技术可能为心力衰竭患者的预后评估提供参考。

Agati等[20]使用echo-PIV技术定量评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内血流动力学，研究表明：涡流的能量耗散指数（energy dissipation index，EDI）及动能搏动指数（kinetic energy fluctuation index，KEFI）与EF值和整体纵向应变（global longitudinal strain，GLS）之间有良好的相关性，并且能量耗散指数与整体室壁运动分数（global wall motion score index，GWMSI）相关良好，PIV技术为进一步了解涡流在左室功能不全的发生和发展中的作用提供了新的视野。

Prinz等[21-22]应用echo-PIV技术对肥厚性非梗阻型心肌病的舒张功能进行评估，发现肥厚性非梗阻型心肌病患者的心腔内血流能量耗散增强，其血流紊乱的严重程度与舒张功能不全的程度一致，左室舒张末压与PIV参数的相关性较好，超声粒子图像测速技术用于检测肥厚性非梗阻型心肌病的舒张功能是可行的。

4 不足与展望

由于目前超声技术的限制，echo-PIV技术也存在一些不足。目前技术时间分辨率可达4 ms，但有效空间分辨率只有4 mm，导致了一些小尺度细节在echo-PIV上显示不清[9]。其次，由于获取帧率的关系，高速血流可能被低估[10，13]。再次，目前的研究样本量都较小，今后需要更大样本量的研究以获取可信数据，界定正常值范围，如关于可重复性和敏感性的研究，对于超声心动图非常重要，但目前的几个研究，样本量太少[9，13]。并且目前的研究多为二维平面图像的PIV应用，并不能充分阐明涡流的三维特征，目前已有研究对echo-PIV技术在三维重建超声图像中的应用进行了初步探讨[23]。

虽然存在一些不足，但echo-PIV技术不失为一种有前途的心腔内血流显像方法，能获得有意义的定量数据。由于心腔内的血流模式在心脏结构和功能发生改变的同时就会受到即刻影响，echo-PIV在评估房室收缩或舒张功能、心血管疾病危险分层、指导抗凝治疗、指导先心病和瓣膜手术以及评估大血管功能等方面前景广阔[23]，当然，这需要研究者更大规模的临床实验。

5 小结

传统的心脏功能指标在出现明显心功能不全前并不表现出显著改变，导致这些指标对心脏疾病的早期诊断和治疗作用不大。相反，心腔内的血流模式是一个很敏感的指标，在心脏结构和功能发生改变的同时就会受到即刻影响，从而为心血管生理学的理解以及发展超早期诊断工具提供了新视野[24-25]。echo-PIV这一新型血流显像技术在超声心动图中的引入使临床显像和分析心腔内涡流成为了可能，但其临床应用还需更进一步的研究，以探索在不同病理条件下合适的涡流影像参数，以及对正常和异常环境下血流相关生理学的鉴定、检测和解释，为各种心血管疾病的早期诊断、治疗和预后提供新的依据。

[1]Sengupta PP，Pedrizzetti G，Kilner PJ，et al.Emerging trends in CV flow visualization[J].JACC Cardiovascular Imaging，2012，5（3）：305-316.

[2]Kilner PJ，Yang GZ，Wilkes AJ，et al.Asymmetric redirection of flow through the heart[J].Nature，2000，404（6779）：759-761.

[3]Calkoen EE，Roest AA，van der Geest RJ，et al.Cardiovascular function and flow by 4-dimensional magnetic resonance imaging techniques：new applications[J].Journal of Thoracic Imaging，2014，29（3）：185-196.

[4]Zhang H，Liu L，Chen L，et al.The evolution of intraventricular vortex during ejection studied by using vectorflow mapping[J].Echocardiography，2013，30（1）：27-36.

[5]Adrian RJ.Particle-Imaging Techniques for Experimental Fluid Mechanics[J].Annual Review of Fluid Mechanics，1991，23（1）：261-304.

[6]Crapper M，Bruce T，Gouble C.Flow field visualization of sediment-laden flow using ultrasonic imaging[J].Dynamics of Atmospheres and Oceans，2000，31（1-4）：233-245.

[7]Gao H，Claus P，Amzulescu MS，et al.How to optimize intracardiac blood flow tracking by echocardiographic particle image velocimetry?Exploring the influence of data acquisition using computer-generated data sets[J].European Heart Journal Cardiovascular Imaging，2012，13（6）：490-499.

[8]Prinz C，Faludi R，Walker A，et al.Can echocardiographic particle image velocimetry correctly detect motion patterns as they occur in blood inside heart chambers?A validation study using moving phantoms[J].Cardiovascular Ultrasound，2012，10：24.

[9]Kheradvar A，Houle H，Pedrizzetti G，et al.Echocardiographic particle image velocimetry：a novel technique for quantification of left ventricular blood vorticity pattern[J]. Journal of the American Society of Echocardiography，2010，23（1）：86-94.

[10]Sengupta PP，Khandheria BK，Korinek J，et al.Left ventricular isovolumic flow sequence during sinus and paced rhythms：new insights from use of high-resolution Doppler and ultrasonic digital particle imaging velocimetry[J].Journal of the American College of Cardiology，2007，49（8）：899-908.

[11]Kim DH，Seo JS，Choi YS，et al.Determinants of left ventricular vortex flow parameters assessed by contrast echocardiography in an in vivo animal model[J].Echocardiography，2013，30（5）：588-598.

[12]Sonntag SJ，Li W，Becker M，et al.Combined computational and experimental approach to improve the assessment of mitral regurgitation by echocardiography[J]. Annals of Biomedical Engineering，2014，42（5）：971-985. [13]Hong GR，Pedrizzetti G，Tonti G，et al.Characterization and quantification of vortex flow in the human left ventricle by contrast echocardiography using vector particle image velocimetry[J].JACC Cardiovascular Imaging，2008，1（6）：705-717.

[14]Faludi R，Szulik M，D'Hooge J，et al.Left ventricular flow patterns in healthy subjects and patients with prosthetic mitral valves：an in vivo study using echocardiographic particle image velocimetry[J].The Journal of Thoracic andCardiovascularSurgery，2010，139（6）：1501-1510.

[15]Son JW，Park WJ，Choi JH，et al.Abnormal left ventricular vortex flow patterns in association with left ventricular apical thrombus formation in patients with anterior myocardial infarction：a quantitative analysis by contrast echocardiography[J].Circulation Journal，2012，76（11）：2640-2646.

[16]Lampropoulos K，Budts W，Van de Bruaene A，et al. Visualization of the intracavitary blood flow in systemic ventricles of Fontan patients by contrast echocardiography using particle image velocimetry[J].Cardiovascular Ultrasound，2012，10：5.

[17]Park KH，Son JW，Park WJ，et al.Characterization of the left atrial vortex flow by two-dimensional transesophageal contrast echocardiography using particle image velocimetry[J].Ultrasound in Medicine&Biology，2013，39（1）：62-71.

[18]周肖，智光，徐勇，等.Q-Flow技术评价心肌梗死患者左心室腔内血流[C]//中国超声医学工程学会第十一届全国超声医学学术大会论文汇编，2012.

[19]Abe H，Caracciolo G，Kheradvar A，et al.Contrast echocardiographyfor assessingleftventricular vortex strength in heart failure：a prospective cohort study[J]. European Heart Journal Cardiovascular Imaging，2013，14（11）：1049-1060.

[20]Agati L，Cimino S，Tonti G，et al.Quantitative analysis of intraventricular blood flow dynamics by echocardiographic particle image velocimetry in patients with acute myocardial infarction at different stages of left ventricular dysfunction[J].European Heart Journal Cardiovascular Imaging，2014，15（11）：1203-1212.

[21]Prinz C，Lehmann R，Brandao da Silva D，et al.E-chocardiographic particle image velocimetry for the evaluation of diastolic function in hypertrophic nonobstructive cardiomyopathy[J].Echocardiography，2014，31（7）：886-894.

[22]Prinz C，Jurczak B，Faber L，et al.Echocardiographic particle image velocimetry in a patient with severe diastolic dysfunction[J].European Heart Journal，2013，34（6）：450.

[23]Rodriguez Munoz D，Markl M，Moya Mur JL，et al.Intracardiac flow visualization：current status and future directions[J].EuropeanHeartJournalCardiovascularImaging，2013，14（11）：1029-1038.

[24]Foll 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].European heart Journal Cardiovascular Imaging，2013，14（4）：366-373.

[25]Hong GR，Kim M，Pedrizzetti G，et al.Current clinical application of intracardiac flow analysis using echocardiography[J].Journal of Cardiovascular Ultrasound，2013，21（4）：155-162.

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本文编辑：卫轲）

国家自然科学基金面上项目（编号30970836）。

▲通讯作者