利用高帧率超声心动图衍生的血流散斑成像评估新生儿心内涡流

摘要

本方案采用基于超声心动图的血流斑点成像技术，以观察新生儿心腔内的血流动力学。通过该技术探讨其临床应用价值，获取左心室内的流体旋转结构（即涡流），并确定其在理解舒张功能力学中的意义。

摘要

左心室（LV）具有独特的血流动力学充盈模式。在舒张期，由于心脏的手性几何结构，会形成一种被称为涡流的旋转流体团或环状结构。已有报道指出，涡流在保存进入左心室的血流动能方面发挥着作用。近期研究表明，左心室涡流在描述新生儿、儿科及成人人群静息状态下的舒张功能方面可能具有预后价值，并有助于早期亚临床干预。然而，对涡流的可视化与特征描述仍处于初步探索阶段。已有多种成像方式被用于可视化和描述心腔内血流模式及涡流环。本文特别关注一种称为血流斑点成像（blood speckle imaging, BSI）的技术。BSI 源自高帧率彩色多普勒超声心动图，相较于其他成像方式具有多项优势。具体而言，BSI 是一种低成本、无创、可在床旁使用的工具，无需依赖造影剂或复杂的数学假设。本文展示了我们实验室所采用的 BSI 方法的详细分步操作流程。BSI 的临床应用价值尚处于早期发展阶段，但在儿科和新生儿人群中，已显示出在描述容量超负荷心脏舒张功能方面的潜力。因此，本研究的次要目标是探讨该成像技术在近期及未来临床研究中的应用前景。

引言

心腔内血流模式在心脏发育中起着关键作用，始于胎儿形态发生阶段，并持续贯穿整个生命周期¹血流动力学剪切应力在心脏心腔生长和结构构建的调控中起着关键作用 通过 特定基因的激活^2,3这一现象发生在子宫内阶段以及生命早期阶段，从而凸显了血流动力学对心脏早期发育的重要影响，以及这种影响向成年期的延续。³.

流体动力学定律表明，血液沿血管壁流动时，在靠近管壁处速度较慢，而在血管中心处速度较快，因为中心区域的阻力较小。这一现象可通过脉冲波多普勒在任何大血管中进行观察，表现为典型的多普勒速度时间积分包络⁴。当血液进入较大的腔室（如心脏）时，距离心内膜表面较远的血液相对于靠近该表面的血液继续加速，从而形成旋转的流体结构，称为涡流（vortex）。一旦形成，涡流是自推进的流动结构，通常通过负压梯度吸引周围流体。via 因此，与同等的直线射流相比，涡流能够推动更大体积的血液，从而提高心脏的工作效率^4,5。

文献表明，涡流的进化意义在于保存动能、最小化剪切应力并最大化流动效率^4,5,6。对于心脏而言，具体功能包括以旋转运动形式储存血流动力学能量、促进瓣膜关闭，以及推动血流向流出道传导，如图 1所示。在容量超负荷状态及人工瓣膜等病理情况下，心腔内血流模式预计将发生改变^7,8。因此，涡流在成人心血管结局的早期预测中具有真正的诊断潜力。

心腔内血流动力学在成人和儿童人群中的研究日益受到关注。目前已有多种方法可用于心腔内血流动力学的定性和定量评估，最近的一篇综述对此进行了全面总结，尤其侧重于心腔内涡流的研究⁹。其中一种极具前景的方法是基于超声心动图的血流斑点成像（blood speckle imaging, BSI），该技术能够在相对较低的成本下无创地测量多种定性和定量的涡流特征（如下所述），且具有良好的可重复性¹⁰。BSI 目前已通过配备 S12 或 S6 MHz 探头的高端心脏超声系统实现商业化应用。其斑点追踪功能类似于用于研究心肌形变的组织斑点追踪技术^11,12,13。由于红细胞的运动速度较快，其多普勒频率高于周围组织，因此可通过时间滤波将这两种信号分离。BSI 采用最佳匹配算法，直接量化血流斑点的运动，无需使用对比剂。血流速度的测量结果可以箭头、流线或轨迹线的形式显示，可叠加在彩色多普勒图像之上或单独显示，从而突出显示复杂血流区域¹⁰。

研究表明，BSI在量化心腔内血流模式方面具有良好的可行性和准确性，与参考体模仪器和脉冲多普勒相比表现出优异的有效性^7,10,11。尽管BSI仍处于较新的阶段，但它是一种用于多种心脏病理生理状况早期诊断的有前景的临床工具。涡流成像的临床应用在新生儿中已显示出潜力。具体而言，左心室（LV）内涡流的行为可能对心脏重构及心力衰竭的易感性具有长期影响。

将涡流与左心室重构联系起来的机制目前仍研究较少，但近期已在我们的实验室中开展相关研究，并成为持续进行的工作主题¹¹。本文旨在描述使用血流速度成像（BSI）探索心腔内涡流的方法，并讨论涡流在评估不同人群舒张功能方面的实际与临床应用。次要目标是探讨BSI的临床意义，并介绍此前在新生儿中开展的部分研究工作。

方案

涉及人类受试者的研究中所进行的所有操作均符合机构和/或国家研究委员会的伦理标准，以及1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版或同等伦理标准。研究中所有受试者家属均签署了知情同意书。所有图像和视频片段在获取后均已去标识化。

1. 患者准备

1. 将超声设备放置在患者床边附近，并连接三导联心电图（参见材料表）。
2. 输入患者编号及相关信息，例如体长和体重，并按照先前描述的标准进行超声心动图检查¹²。

2. 图像采集

1. 针对血流显像（BSI），在心尖四腔切面中获取左心室的浅表视野，采用较窄的扇形宽度，使采集帧率达到 400–600 Hz。
2. 在左心室腔内打开彩色取样框，尽可能收窄，仅包含从二尖瓣至心内膜心尖，以及从室间隔心内膜边界至侧壁心内膜边界的区域。
3. 将彩色增益调至出现斑点噪声后略微降低，将彩色多普勒速度标尺上限设为适当的舒张期流速（早产儿为 20–30 cm/s），以使较慢的舒张期流入血流尽可能充满彩色框。
4. 在设备的触摸控制面板上（参见材料表），点击BSI 模式，以原始彩色格式显示心腔内血流方向和涡流。调整 BSI 框的位置和大小，使其包含目标血流区域，并记录至少两个心动周期。
5. 在心尖左心室长轴切面或其他需要进行心腔内血流动力学评估的切面中重复该操作（图 2 和 图 3）。

3. 图像分析

注意：本实验室先前的研究已简要描述了左心室涡流的图像分析技术¹¹。用于评估心腔内涡流的方案如下（图3 和 图4）。

1. 以原始 DICOM 格式将每位患者两个心动周期的数据保存至外部存储介质，并转移至配备图像处理软件（见材料表）的实验工作站，用于详细的离线分析。
2. 离线分析时，识别最显著或主要的涡流。
   注意：主要涡流在早产儿中表现为位于左心室左上象限靠近室间隔处的一个细长、椭圆形、逆时针旋转的结构，其最大涡流面积出现在舒张晚期（经二尖瓣 A 波期间）（视频 1）。在年龄较大的婴儿和儿童中，主要涡流通常出现在经二尖瓣 E 波期间。
3. 记录每个视频片段中心动周期内形成的独立、完整椭圆形涡流的数量。
4. 测量主涡流相对于左心室内已知解剖标志的位置。确定涡流深度时，使用分析软件中的"距离测量"工具，测量从涡流中心到二尖瓣环中点的垂直距离。对于涡流横向位置，测量从涡流中心到室间隔心内膜边界的水平距离。
5. 使用分析软件测量主涡流在垂直和水平方向上的边缘到边缘距离，并与左心室的长度和宽度进行比较，以获得涡流形状。
   注意：这还可用于估算涡流球形指数，即长度除以宽度。
6. 使用分析软件中的"描记测量"工具，点击并描记主涡流最显著处的最外层涡流环，以确定主涡流面积。
7. 为评估峰值涡流形成时间（PVFT），记录涡流首次出现（呈现清晰的环状轮廓）的心动周期帧数，并计算该帧数相对于患者一个心动周期总帧数的比例。
8. 为评估涡流持续时间，测量从涡流首次出现至其失去环状结构消失时的帧数。涡流持续时间以该帧数占患者一个心动周期总帧数的比例计算（图 5）。

结果

获取涡流图像的方法与获取彩色多普勒图像所普遍采用的标准方法类似。早期在成人中开展的研究已通过心尖两腔、三腔和四腔切面描述了血流涡流¹⁴。左心室（LV）涡流呈环状结构，从心底部向心尖部移动。BSI技术可显示该环状结构的内径（图2）。涡流环通常并非完全对称，因此采用不同的成像平面可能显示出形态或位置各异的涡流图像。在一项针对20例患者的小型分析中发现，涡流位置具有可比性。特别是，与三腔切面相比，四腔切面测得的涡流球形指数更高（图3）。本研究采用三腔切面进行涡流成像，根据我们的经验，该切面可获得最可重复的图像。

本实验室近期研究描述了超声心动图衍生的BSI在临床应用中的成功实践¹¹。研究纳入50例早产新生儿，对其进行了全面的超声心动图检查，包括BSI评估，并收集了血压、呼吸状态等传统临床数据。在新生儿中获取和解读涡流的可行性与可靠性均较高，结果表明，基于上述方法可对涡流进行详...

讨论

可视化和理解心内涡流的重要性
高帧率超声心动图衍生的涡流成像具有多种潜在的临床应用。近年来的研究关注其在提供心内血流动力学有价值信息方面的能力¹⁶。此外，涡流成像可能有助于检测新生儿左心室结构和功能的早期亚临床改变，这些改变可能对成年期长期的心脏重塑产生影响¹⁵。这反过来可能提高随访治疗和手术的准确性和预后评估效果。利用BSI可视化心内涡流的方法最近在文献中逐渐受到关注，但仍总体上研究不足。除本实验室在早产新生儿方面的研究工作外，其他临床研究已表明，超声心动图衍生的BSI在患有先天性心脏病^7,17、瓣膜病变¹⁸，甚至右心室病变¹⁹的婴儿中均具有可行性和临床相关性。

涡流成像在评估舒张功能中的应用价值...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Tomtec Imaging Systems GmbH	Phillips	GmbH Corporation	离线超声图像处理工具，用于计算所有涡流参数
Vivid E95	General Electrics	NA	心脏超声设备，用于采集基于超声心动图的血流斑点成像