VFM 技术在评估扩张性心肌病患者左室腔内血流能量损耗中的应用

朱达 彭映辉

云南省中医医院急诊科（昆明 650021）

旋涡是在左心室（left ventricle，LV）舒张期间 观察到的最重要的流体现象之一，能将二尖瓣血流重定向到左心室流出道［1］。这种涡流保证了流体动量的有效传递，并使心室能量耗散最小化［2⁃3］。舒张期的旋涡形成可以作为评估舒张功能的指标［4］。然而，这种腔内流动的旋转运动在由各种心脏疾病引起的LV发生重构后完全逆转，增加了能量耗散，并且随着新病理学的潜在发展而改变了压力分布，不仅降低了心脏泵的效率，还增加了心脏肌肉的工作量。等容收缩期（isovolumic contraction，IVC）是左心室充盈和射血之间的间隔［5］。IVC时期使LV的压力迅速升高，为LV射血过程做准备。近来，对于扩张型心肌病患者，IVC作为心室不同步标志物的兴趣日益增加［6］。相关研究发现，IVC期不是血流动力学停滞阶段，而是腔内流动态变化的阶段。然而，在IVC期间扩张型心肌病患者的腔内血流动力学的基本变化和精确特征在临床上仍然未知。本研究采用血流向量成像（vector flow mapping，VFM）技术来研究扩张性心肌病患者LV腔内在IVC期间的血流特征，并与正常受试者的腔内血流变化进行比较，探讨VFM的临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料选取2015年10月至2016年11月在我院门诊和住院部门接受治疗的89例被诊断为扩张型心肌病的患者作为研究对象。纳入标准：（1）严重LV功能障碍（超声心动图检查射血分数≤35%）；（2）通过多普勒超声心动描记术评估超过轻微瓣膜反流的病变；（3）冠状动脉造影正常；（4）窦性心律。排除标准：（1）临床或血流动力学不稳定；（2）不愿意给予知情同意；（3）所有先天性、瓣膜性或肥厚型心肌病患者，心肌炎、心包炎、中重度肺动脉高压、甲状腺疾病患者。最终58例符合条件患者被纳入研究（观察组），其中有24例LV异常松弛充盈，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）。对照组由56例同期在本院接受健康体检的志愿者组成，平均年龄和性别分布与观察组相比无明显差异。对照组纳入标准：（1）超声心动图结果正常，没有区域性室壁运动异常或心脏瓣膜病的征象；（2）LV大小和质量指数正常；（3）窦性心律无传导异常。研究方案经云南省中医院伦理委员会审核批准，并获得受试者的知情同意。

1.2 标准的超声心动图超声心动图检查采用配备有多频换能器的α 10超声系统（日本Aloka公司）操作。使用双平面辛普森（Simpson）法则获得LV射血分数和体积。每搏输出量是舒张末期和收缩末期容积之间的差异。通过将最大长轴除以最大短轴尺寸来计算LV球形指数。在心尖四腔切面记录二尖瓣血流量，测量E波和A波的最大速度。主动脉多普勒血流从长轴视图通过脉冲多普勒模式记录。等容收缩时间是二尖瓣关闭到主动脉瓣开放之间相隔的时间。测量二尖瓣舒张早期环速度以评价LV舒张功能。

1.3 彩色多普勒超声心动图从心尖长轴切面记录3个连续搏动的标准二维彩色多普勒超声心动图。多普勒区域的角度和大小仅限于LV腔，以获得所有受试者的最大帧速率，帧速率从40～87帧/s变化，平均（53±10）帧/s。本研究中多普勒速度范围为-61～61 cm/s。所有记录都以数字形式存储，并在离线状态下分析。

1.4 VFM软件分析在离线VFM工作站上处理来自彩色多普勒超声心动图的数字原始数据。超过多普勒-61～61 cm/s范围并导致混叠的流速可以通过在工作站上增加多普勒速度范围至-122～122 cm/s来手动校正。VFM是一种将传统超声心动图获取的彩色多普勒速度数据进行处理后产生流速矢量图的新技术。垂直于波束方向的速度分量可以通过使用复杂的流体动力学计算从波束方向上的速度分布推断。VFM的原理和详细的算法已有文献报道［7-8］。

在流速矢量图中，矢量用不同长度的黄线表示，方向由倾斜度表示，红色点在矢量的头部（图1）。旋涡分量可从腔内流提取，并由旋涡图中的闭合流线表示（图2）。VFM测量通过涡旋中心并垂直于超声波束的取样线（图2，绿线）来估算朝向超声波探头的流量（等于相对于超声波探头的流量），即涡流的流量。涡流通过采样线的总流量设为零。本研究使用二维VFM，因此旋涡的流量表示为面积流量（cm2/s）。此外，研究还测量了涡旋分布区域的面积。在旋涡图中，漩涡被表示为一系列同心环，最外环的面积被测量作为涡旋的面积。

图1 正常人LV腔内血流从二尖瓣关闭到主动脉瓣开口的流速矢量图Fig.1 The flow of blood flow from mitral valve to aortic valve opening in normal LV cavity

图2 正常人主动脉瓣开口时从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

通过设置从顶点到底部的解剖流线（图2，黄线），在主动脉瓣口的时间点检测出从心尖到LV流出道区域的血流速度梯度。用VFM测量解剖流线上的血流速度，计算LV顶部、中间和底部的平均速度。

1.5 统计学方法连续变量以均数±标准差表示。选择SPSS 13.0软件，采用Kolmogorov和Smirnov检验对连续变量进行正态分布检验。临床特征和血液动力学变量之间的比较采用studentt检验或Mann⁃Whitney秩和检验。不同心脏相位之间涡流中LV心尖到流出道的流速梯度差异比较采用Wilcoxon signed⁃rank检验。通过卡方检验来比较分类变量之间的差异。将单变量分析中具有关联的变量（P＜0.05）引入逐步多元线性回归以确定涡旋变化的独立预测因子。P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组的临床和超声心动图特征两组在心率、QRS宽度、LV射血分数、LV舒张末期短径、LV收缩末期短径、LV舒张末期长径、LV收缩末期长径、LV舒张末期容积指数、LV收缩末期容积指数、左心房大小、LV等容收缩周期和舒张早期二尖瓣环速度等指标比较，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 两组的临床和超声心动图特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

表1 两组的临床和超声心动图特征Tab.1 Clinical and echocardiographic characteristics of both groups ±s

注：LV=左心室

组别 例数对照组 56观察组 58 P值年龄（岁）53±10 54±11 0.676男/女35/21 38/20 0.827心率（次/min）69±11 76±13 0.003收缩压（mmHg）116±15 110±18 0.075舒张压（mmHg）74±10 70±13 0.138 QRS宽度（ms）90±17 133±43 0.000 LV射血分数（%）62±6 29±7 0.000 LV每搏量（mL）70±14 66±21 0.232 LV舒张末期短径（mm）45±5 70±9 0.000 LV收缩末期短径（mm）29±4 58±8 0.000组别 左心房大小（mm）二尖瓣E峰速度（cm/s）对照组观察组P值舒张早期二尖瓣环速度（cm/s）8.79±2.58 4.40±1.71 0.000 LV舒张末期长径（mm）75±6 89±8 0.000 LV收缩末期长径（mm）60±5 79±8 0.000 LV舒张末期容积指数1.59±0.20 1.34±0.16 0.000 LV收缩末期容积指数2.10±0.34 1.37±0.18 0.000 38±4 49±9 0.000 LV等容收缩周期（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 两组在舒张期和IVC期间涡旋的形成情况对照组中所有受试者在IVC期间涡流均到达LV的底部区域（图3A）。33例（59%）受试者的旋涡分布在LV的底部⁃顶部区域，21例（37%）分布在底部⁃中部区域，2例（4%）仅分布在底部区域。

观察组中只有28例（48%）在IVC期间到达LV的底部区域（图3B），显著低于对照组（P=0.000）。16例（28%）患者的旋涡分布在LV的底部-中部-顶部区域，8例（14%）分布在底部⁃中部区域，32例（55%）分布在中部-顶部区域，2例（3%）完全没有观察到大旋涡。

在IVC开始时，对照组旋涡的面积（15±3）cm2和流量（36±8）cm2/s均显著小于观察组（27±8）cm2，（45 ± 12）cm2/s，均P=0.000。在 IVC 结束时，两组旋涡流量相似（28± 4）cm2/svs.（29±11）cm2/s，P=0.617，对照组旋涡的面积显著小于观察组（16 ± 3）cm2vs.（24 ± 9）cm2，P=0.000。在IVC期间，对照组旋涡的面积轻微增加并不显著（P=0.073），但流量明显减少［（10± 27）%］；观察组旋涡的面积和流量均显著下降，其中流量减少了（29±54）%,与对照组相比，差异有统计学意义（P=0.000）。见图3。

图3 两组LV腔内血流从MV闭合到AV开放Fig.3 The blood flow in LV cavity of the two groups was closed from MV to AV

2.3 两组在主动脉瓣开口时血流速度情况当主动脉瓣开口时，观察组中仅在21例患者可观察到瓣膜下LV射血的初始血流速度（36%），与对照组相比，差异有统计学意义（P=0.000），并且观察组在LV室的中部和基底部的平均血流速度均显著低于对照组（P＜0.05）。见表2。

表2 主动脉瓣开放时LV顶、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功能与漩涡变化的相关性将所有受试者的单因素分析结果中差异具有统计学意义的指标纳入多变量模型中进一步分析涡旋变化的影响因子，结果显示左心室射血分数减少是IVC期间旋涡面积百分比下降的唯一独立预测因子（P=0.000），QRS宽度（P=0.026）和左心室收缩末期长径（P=0.004）是旋涡流量百分比减少的独立预测因子。

3 讨论

3.1 IVC期间的旋涡近年来，已有研究证实IVC期间腔内旋涡持续存在，并不是常规了解的IVC 期的血液动力学处于停滞阶段［9⁃10］。旋涡反映了LV的功能状态、形状和结构，其过早分解表示储存能量的耗散，表明LV功能受损。虽然在舒张期的涡流形成和发展都得到了很好的研究，但迄今为止对IVC期间旋涡的变化，尤其对于心脏功能变化的潜在意义知之甚少。IVC与心内膜下纤维的缩短有关，并伴有心外膜下纤维的伸展。研究发现，IVC期间可见一个短暂的，沿顺时针扭转的顶点，这是心内膜下和心外膜下区域异步运动的结果，可能有利于血流重新引导和加速，从而维持旋涡的流动［11］。此外，IVC时期为心脏充盈和射血之间的过渡期间，LV流入和流出之间的血液流动方向的完全改变主要依靠旋涡流动而平稳地实现。正常受试者在IVC期间旋涡持续存在，一旦LV开始射血，旋涡消退。然而，WALKER等［12］报道，心力衰竭患者在LV射血期间涡旋持续存在。本研究证实了这一点，可能由于扩张性心肌病患者的LV较多为球形，左心室壁运动减少，体积增大，进而阻碍和减缓了心室的涡流耗散。需要通过进一步的研究来区分可能影响LV射血期间旋涡演变的因素。

3.2 VFM在评估IVC期间LV旋涡的应用根据彩色多普勒图像数据，VFM运用数学方法对血流速度进行估算。VFM的原理已经在参考文献中有详细的描述［13］。由于彩色多普勒超声心动图不需要注射造影剂即可获取，因此通过VFM评估流速分布可以作为临床上更方便的工具。目前，体外研究已对VFM的有效性和三维数值流动模型进行了验证，VFM评估的流量与实际流量之间存在良好的相关性（r=0.997，P＜0.001），预期值和实测值之间的误差为1.3%［14］。此外，VFM已被用于研究正常LV收缩时的血流结构和血流动力学。最近一项对主动脉瓣关闭不全患者的临床研究亦支持其用于测量血流量［15］。本研究将三维腔内流动在二维扫描平面上可视化。虽然三维成像可以提供更好的跟踪和量化腔内流动，但其空间和时间分辨率低限制了其在实践中的应用，并且三维VFM目前不可用。考虑到旋涡可能在LV充盈和射血之间的转变中起重要作用，从顶端长轴视图进行观察，这可能是最佳的观点，因为它能够同时观察LV流入和流出轴，其中包括二尖瓣和主动脉口。观察结果显示，在所有正常人中，旋涡均到达主动脉瓣下的区域，并且在IVC期间旋涡面积没有减少。因此，输出流体中的血液在IVC过程中保持动态状态，持续向主动脉方向运动，在左心室射血开始时以初始速度加速。然而，在扩张性心肌病患者中，IVC期间的旋涡面积显著变小，流量减少更为严重。在一半以上的患者中，旋涡仅达到LV的中间水平，这意味着主动脉瓣下的血液无法获得从旋涡转移的动量。在主动脉瓣开放时，只有36%的患者可观察到瓣膜下的初始血流速度。另外，射血开始时，患者LV中部和基底部的平均流速较低。

3.3 IVC期间的旋涡影响因素在IVC期间非持续的旋涡可能归因于扩张性心肌病患者的心功能不全，多变量分析模型显示，其主要与收缩和舒张功能低下，QRS宽度较大，IVC期延长，LV几何形状改变密切相关，进而阻碍了IVC期间最佳的旋涡的形成和血液的重新定向［16］。扩张性心肌病患者的机械收缩不同步可能会干扰IVC期间旋涡的持续存在，并且LV收缩功能受损也无法产生足够的向心力来维持旋涡。增大的LV腔室更容易发生流体能量耗散，IVC期延长可能导致旋涡能量的衰减。此外，IVC期间未受抑制的涡流不利于早期收缩期间的血液排出，会进一步加重LV功能障碍。

3.4 研究的局限性本研究存在如下局限性：（1）相对较低的帧速率是检测旋涡流量的潜在限制。为了获得在IVC时段内跟踪流动所需的更高帧速率，二维灰阶超声心动图和彩色血流多普勒成像的空间分辨率被适当地减小。帧率在对照组为（63±5）帧/s，观察组为（45±5）帧/s。对于较大的LV腔室，患者的帧速率较低。然而，由于IVC期较长，即使患者的心率较高也可获得更多的帧数，IVC期间旋涡变化的趋势在观察组中更容易观察到。（2）右心室功能和收缩压可能影响LV的旋涡变化。但本研究未考虑右心室的影响，因为笔者认为LV功能和结构在旋涡的演变过程中起主导作用。此外，观察组排除了中到重度肺动脉高压患者，以尽可能减少右心室的影响。（3）尽管VFM的算法本身是独立的，但原始的速度数据仍然是基于常规的彩色多普勒频谱记录，因此VFM的最终结果并不完全与角度无关。在多普勒数据采集过程中，为了尽量减少多普勒光束与血流通过LV腔的入射角，所有图像均在心尖长轴切面测得。

总之，VFM技术可以显示LV内血流结构，为超声研究心脏功能提供一个新的研究路径，扩张性心肌病患者的IVC期间LV旋涡明显区别于正常人，VFM技术能够通过旋涡显像更好地评估扩张性心肌病患者的IVC期间LV腔内血流能量损耗的病理生理状态。

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