使用高帧率超声心动图衍生的新生儿血斑成像评估心内涡流

Summary

本方案使用超声心动图衍生的血斑成像技术来可视化新生儿的心内血流动力学。探讨了该技术的临床实用性，访问了左心室内的旋转体液体（称为涡流），并确定了其在理解分离学方面的意义。

Abstract

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形状，会形成称为涡流的旋转体或流体环。据报道，涡旋在保存进入左心室的血流的动能方面起作用。最近的研究表明，左心室涡旋可能在描述新生儿、儿童和成人人群静息时舒张功能方面具有预后价值，并可能有助于早期亚临床干预。然而，涡旋的可视化和表征仍然很少被探索。许多成像方式已被用于可视化和描述心内血流模式和涡旋环。在本文中，一种称为血斑成像（BSI）的技术特别令人感兴趣。BSI 源自高帧率彩色多普勒超声心动图，与其他模式相比具有多项优势。也就是说，BSI是一种廉价且无创的床边工具，不依赖于造影剂或广泛的数学假设。这项工作详细介绍了我们实验室中使用的BSI方法的分步应用。BSI 的临床效用仍处于早期阶段，但在儿科和新生儿人群中已显示出描述容量超负荷心脏舒张功能的前景。因此，本研究的第二个目的是讨论这种成像技术最近和未来的临床工作。

Introduction

心内血流模式在心脏发育中起着关键作用，从胎儿形态发生开始，一直持续到整个生命周期¹.血流动力学剪切应力通过激活特定基因在刺激心腔生长和结构方面起着关键作用 ^2,3。这发生在宫内阶段和生命的早期阶段，从而突出了血流动力学影响对早期心脏发育和延续到成年期的重要性³.

流体动力学定律指出，沿着血管壁通过的血液在最靠近血管壁时移动较慢，而在阻力较低的血管中心移动得更快。这种现象可以在任何以脉搏波多普勒为典型多普勒速度时间积分包络⁴ 的大型容器中得到证明。当血液进入较大的腔体（如心脏）时，离心内膜表面最远的血液相对于最靠近该表面的血液继续增加其速度，并形成一个旋转的液体体，称为涡流。一旦产生，涡流就是自走式流动结构，通常通过负压梯度吸入周围的流体。因此，涡流可以比等效的直流液体射流移动更多的血液量，从而促进更高的心脏效率 ^4,5。

文献表明，涡旋的演化目的是保存动能，最小化剪切应力，并最大限度地提高流动效率^4,5,6。特别是对于心脏，这包括以旋转运动存储血流动力学能量，促进瓣膜关闭以及血流向流出道的传播，如图 1 所示。在病理情况下，如容量超负荷状态和人工瓣膜，预计心内血流模式会改变^7,8。因此，这就是漩涡作为成人心血管结局早期预测因子的真正诊断潜力。

心内血流动力学在成人和儿童人群中的文献中越来越受到关注。有几种方法可用于心内血流动力学的定性和定量评估，并在最近的一篇综述中进行了全面总结，特别强调心内涡旋⁹。一种前景广阔的模式是超声心动图衍生的血斑成像 （BSI），它提供了以相对较低的成本和出色的可重复性无创测量许多定性和定量涡旋特征的能力，如下所述¹⁰。BSI 目前已上市，使用带有 S12 或 S6 MHz 探头的高端心脏超声系统。斑点跟踪特征类似于组织斑点跟踪中用于研究心肌变形的特征 11,12,13。由于红细胞的移动速度往往比周围组织快且多普勒频率更高，因此可以通过应用时间滤波器来分离这两个信号。BSI使用最佳匹配算法直接量化血斑的运动，而无需使用造影剂。血速测量值可以可视化为箭头、流线或路径线，有或没有基础彩色多普勒图像，并且可以突出显示复杂血流的区域¹⁰。

BSI 已被证明在量化心内血流模式方面具有良好的可行性和准确性，与参考幻影仪器和脉冲多普勒 ^7,10,11 相比具有出色的有效性。虽然仍然非常新颖，但BSI是一种很有前途的临床工具，可用于各种心脏病理生理学的早期诊断。涡旋成像的临床应用已显示出在新生儿中的应用前景。具体而言，左心室 （LV） 涡旋的行为可能对心脏重塑和心力衰竭易感性产生长期影响。

将涡旋与左心室重塑联系起来的机制仍然相对未被探索，但最近在我们的实验室进行了研究，并且是正在进行的工作^{的主题 11}.本方法论文章旨在描述BSI在探索心内涡旋中的应用，并讨论涡旋在评估不同人群舒张功能方面的实际和临床应用。次要目的是讨论 BSI 的临床相关性，并介绍以前在新生儿中进行的一些工作。

Protocol

在涉及人类受试者的研究中执行的所有程序均符合机构和/或国家研究委员会的伦理标准以及1964年《赫尔辛基宣言》及其后来的修正案或类似的伦理标准。从纳入研究的所有个体参与者的家人那里获得知情同意。所有图像和视频剪辑在收购后都进行了去识别化处理。

1. 患者准备

1. 将超声机安装在患者床附近，并连接三导联心电图（见 材料表）。
2. 输入患者代码和相关详细信息，例如体长和体重，并根据先前描述的标准¹² 进行超声心动图。

2.图像采集

1. 特别是对于 BSI，在具有窄扇区宽度的顶端四腔视图中获得 LV 的浅视图，允许 400-600 Hz 之间的采集帧速率。
2. 在左心室腔上方打开一个彩盒，最大限度地缩小到仅包括从二尖瓣到心内膜顶点以及从隔膜心内膜缘到外壁心内膜缘的区域。
3. 将颜色增益增加到斑点点并略微减少。将彩色多普勒速度标度限制设置为适当的舒张速度（早产儿为 20-30 cm/s），以最大限度地用移动较慢的舒张压流入量填充颜色框。
4. 在设备的触摸屏控制面板上（参见 材料表），点击 BSI 模式以 RAW 颜色格式显示心内血流方向和涡流。调整 BSI 盒的位置和大小以包括感兴趣的流动区域并记录至少两个心动周期。
5. 在心尖左心室长轴视图或其他需要心内血流动力学评估的视图中重复该过程（图 2 和 图 3）。

3. 图像分析

注意：左心室涡旋的图像分析技术已在我们实验室¹¹ 的先前工作中简要描述。用于评估心内涡旋的方案如下（图3 和 图4）。

1. 将每个患者的两个心动周期以 RAW DICOM 格式保存到外部介质中，并传输到安装了图像处理软件（参见 材料表）的实验室站，以进行详细的离线分析。
2. 离线后，确定最突出或主要的涡旋。
   注意：主涡旋显示为一个细长的、椭圆形的、逆时针旋转的结构，位于靠近隔膜的左心室左上象限，在早产儿的舒张期晚期（在传递 A 波期间）发现的最大涡旋面积（视频 1）。主要涡旋通常出现在年龄较大的婴儿和儿童的传输 E 波期间。
3. 记录每个剪辑在整个心动周期中形成的独立、完整的椭圆形涡旋的数量。
4. 测量主涡旋相对于 LV 内已知标志的位置。要确定 涡流深度，请使用分析软件上的“距离测量”工具，测量从涡流眼到二尖瓣环中间的垂直距离。对于 涡旋横向位置，测量从涡旋眼到室间隔心内膜缘的水平距离。
5. 测量主涡相对于LV长度和宽度的垂直和水平边到边距离，以获得涡流形状。
   注： 这还可以估计 涡旋球形度指数 为长度除以宽度。
6. 使用分析软件上的“追踪测量”工具，点击并追踪主涡旋最突出点的最 外层涡 环，以确定主涡旋区域。
7. 要评估 峰值涡旋形成时间 （PVFT），请记录涡旋首次出现在主涡旋最突出的心脏框架中（划出的圆环）时的心脏框架，并计算相对于患者一个心动周期中总帧数的帧数。
8. 要评估 涡旋持续时间，请测量涡旋失去其圆环形成时首次出现涡旋的帧。然后将涡旋持续时间计算为相对于该患者在一个心动周期内的总帧数的帧数（图 5）。

Representative Results

涡旋削波的采集与获取彩色多普勒削波时普遍采用的标准方法相当。对成人的开创性研究使用顶端两室、三室和四室视图描述了漩涡¹⁴.左心室涡旋是一个环状结构，从底部移动到顶点。BSI可视化了环的内径（图2）。涡旋环的形状通常不对称，因此替代成像平面可以显示可变的涡旋形态或位置。在对 20 名患者的小型分析中，发现涡旋位置具有可比性。特别是，与三室视图相比，四室视图的涡旋球形指数更高（图3）。本研究采用三腔视图进行涡旋成像，产生了我们经验中可重复性最强的图像。

我们实验室最近的工作描述了超声心动图衍生的 BSI¹¹ 的成功临床应用。50 名早产儿接受了全面的超声心动图检查，其中包括 BSI 评估，以及血压和呼吸状态等传统临床数据。新生儿涡旋的采集和解释的可行性和可靠性都很高，表明可以根据上述方法详细描述涡旋。具体来说，确定了涡旋面积、位置、形态、表观涡旋数和定时特征的一系列值，以及传统的心脏结构和功能参数。此外，根据索引的 LV 体积将总体细分为四分位数，并显示出高四分位数组和低四分位数组之间在各种关键涡旋参数方面的显着差异（表 1）。

分析揭示了新型BSI涡旋参数与传统超声心动图衍生的舒张功能和左心室形态参数之间的几个关键关联。涡旋面积与左心室舒张末期维度之间存在很强的正相关 （r = 0.50，p < 0.01），涡旋持续时间与 Ee' 比值（左心室舒张末期压力的替代测量值¹² ）之间存在负相关 （r = -0.56，p < 0.01）。 这些数据表明，涡旋可能为新生儿人群的舒张功能提供独特的见解，并为传统的公认参数提供额外的支持。

上述涡旋面积和左心室形态之间的关键关联促使人们进一步研究心内血流动力学的动能可能影响早产儿左心室的早期心脏重塑的假设。迄今为止，一项更大规模的前瞻性研究表明，至少有四分之一的极早产儿在出院时表现出左心室心脏重塑的迹象。然而，关于基本机制的信息有限。初步评估发现，在早产后第 7 天，涡旋的拉长度较低，后来出现心脏重塑的婴儿，支持心内血流模式可能在早产后心脏发育中发挥重要作用的假设¹⁵.需要进一步的研究来验证这些发现，并探索早期和短期干预是否可以潜在地预防这种异常心脏发育的途径。

BSI在表征心内血流动力学方面的应用也已在其他存在独特血流模式的心脏标志中进行了探索（图6）。在舒张期的右心房（视频 2）和右心室流出道血流动力学（视频 3）内进行双腔流入模式的初步评估。这些初步研究旨在进一步描述具有不同呼吸支持水平的新生儿的静脉回流模式，并进一步了解呼吸变化与舒张功能之间的相互关系。

图1：左心室心内血流动力学。 该图直观地显示了心内血流模式和左心室内涡旋的形成。 请点击这里查看此图的较大版本.

图2：左心室涡环。 该示意图展示了使用二维彩色多普勒和散斑跟踪成像从顶端三室视图看到的涡旋环。当使用顶端三室视图时，主涡流（Smain 3 室）小于四室视图（Smain 4 室）。与任何次级涡旋（Ssec）相比，主涡旋通常更大。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3：顶端视图中的血斑成像衍生涡流。 这是使用顶端四腔视图（左）和顶端三腔视图（右）演示的 BSI 衍生涡旋的比较。这些图表表示两个顶点窗口中漩涡的不同形状和位置。 请点击这里查看此图的较大版本.

图4：评估涡旋形态。 该图演示了我们实验室用于从顶端四室视图获取涡旋形态参数的手动方法。 请点击这里查看此图的较大版本.

图5：评估涡旋定时特性。 该图展示了用于获得涡旋时间特征（如涡旋持续时间和峰值涡旋形成时间）的方法。垂直红线表示涡旋事件发生在心动周期的哪个阶段。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 6：其他心腔中的血斑追踪。 该图显示了其他心腔的心内血流动力学。在右心室 （RV） 中，主涡旋是一个顺时针旋转的结构，它沿着隔膜滚动，其最大面积就在肺动脉瓣和动脉 （PA） 之前。在右心房 （RA） 中，由于 流 入通过下腔静脉 （IVC） 和上腔静脉 （SVC） 在侧壁下缘附近混合，逆时针旋转，有时在 RA 附肢附近顺时针旋转，形成主涡。左心房 （LA） 的区域有限，其中四条肺静脉的血流不直接混合，并且涡流可能难以捕获。 请点击这里查看此图的较大版本.

	LVEDVi 最低四分位数	LVEDVi 最高四分位数
射血分数 （%）	67(5)	69(5)
纵向应变 （%）	20.3(1.6)	23.5(2.7)*
MV VTI（厘米）	6.4(1.9)	9.6(2.8)**
EA比率	0.69(0.12)	0.84(0.10**
Ee' 比率	13.3(2.9)	19.7(8.0)*
IVRT （毫秒）	54(8)	44(8)**
位置
涡流深度	0.58(0.10)	0.56(0.07)
涡流横向位置	0.29(0.07)	0.37(0.15)**
几何学
涡流面积 （cm2）	0.44(0.28)	0.57(0.21)
涡旋面积与左心室面积挂钩	0.20(0.12	0.18(0.05)
Time 属性
涡旋开始时间（RR的百分比）	88(5)	76(8)**
峰值涡旋形成时间（RR的百分比）	91(2)	82(8)**
涡旋持续时间（RR的百分比）	16(4)	11(2)**

表 1：指数左心室容积四分位数最低与最高四分位数的婴儿之间的比较。 数据以均值 + 标准差 （SD） 表示。**p < 0.01，*p < 0.05。缩写：IVRT = 等体积弛豫时间;LVEDVi = 与体重挂钩的左心室舒张末期容积;MV = 二尖瓣。该表从参考文献¹¹ 中重复使用。

视频 1：LV 涡旋视频的屏幕截图。请按此下载此影片。

视频 2：双腔流入涡流视频的屏幕截图。请按此下载此影片。

视频3：右心室流出道涡旋视频截图。请按此下载此影片。

Discussion

可视化和理解心内涡旋的重要性
高帧率超声心动图衍生涡旋成像有许多可能的临床应用。它们为心内血流动力学提供宝贵见解的能力一直是最近研究的兴趣¹⁶。此外，涡旋成像可以检测新生儿左心室结构和功能的症状前变化，这可能与成年期的长期心脏重塑有关¹⁵。反过来，这可能会提高后续治疗和手术的准确性和预后结果。BSI在心内涡旋可视化中的应用最近在文献中获得了一些关注，但在很大程度上仍未得到探索。除了本实验室对早产新生儿的研究外，其他临床出版物已经证明，超声心动图衍生的 BSI 在患有先天性心脏病 ^7,17、瓣膜病理学 18 甚至右心室病理学¹⁹ 的婴儿中是可行的和临床相关的。

涡旋成像在评估舒张功能中的效用
左心室的舒张功能描述了其充满血液和准备射血的每搏输出量的能力。在了解射血分数保留心力衰竭 （HFpEF） 患者的舒张功能方面取得了重大进展，尤其是在超声心动图的病理生理学、诊断和预后方面^20,21。心脏的舒张功能涉及心肌松弛的主动生化过程，肌动蛋白和肌球蛋白交叉桥分离，心肌肌纤维中的张力开始减少。当二尖瓣打开时，血液通过心肌纤维向原来长度移动的弹性反冲产生的吸力进入左心室（恢复力）。这会降低左心室腔压力，并在心房和心室之间产生压力梯度。舒张功能的最后阶段由心房收缩产生，心房收缩使左心室压力高于左心室压力，并在二尖瓣关闭和收缩开始前确定最终的左心室舒张末期压力和体积²².

从血流动力学的角度来看，左心室舒张期涉及一列含氧血从心房进入心室，为射血做准备。左心室流出道靠近二尖瓣环的位置意味着血液从基底到心尖进入心室，从心室从根尖到基底离开心室。对心内血流动力学理解的最新进展表明，在从左心室充盈到射血的过渡过程中发生的血流重定向遵循特定的旋转方向，以最大限度地减少心肌上的剪切力并保存运动血柱的动能，因此形成脑室内涡旋 ^4,5（图 1）。

美国超声心动图学会（American Society of Echocardiography）和欧洲心血管影像学会（European Association of Cardiovascular Imaging）总结了解剖学指南¹²。标准多普勒和二维舒张功能评估存在一些局限性。这些因素包括但不限于心率、多普勒角依赖性、信号质量以及使用多个参数对舒张功能障碍进行分级的难度，这些参数通常不一致。因此，随着心内涡旋的引入，角度和心率无关参数的提出成为可能，并有可能详细了解从单个初级测量得出的左心室的松弛和充盈。

正如目前的结果所揭示的那样，涡旋的可视化产生了几个参数，从而能够深入了解舒张期心脏功能。具体而言，涡旋面积/形状与左心室形态之间存在显着关联，以及涡旋时间在预测左心室舒张末期压力方面的相关性。此外，还可以看到基于所用成像平面的涡旋位置变化（图 3），以及其他作者的工作中先天性心脏病患儿的位置差异（即，在容量超负荷病例和瓣膜病理学患者中，涡旋位置更靠近室间隔 ^7,12).从理论上讲，在LV中看到的涡旋数量可能与LV结构有关，但在这项工作和其他人的工作中尚未显示出统计学意义。最后，涡旋成像可能会产生更复杂的数值测量，例如涡度、能量损失和储存的动能，这在研究先天性瓣膜疾病（如二叶主动脉瓣）方面显示出一定的预后价值¹⁸。BSI 的临床应用可能为常规彩色多普勒提供可行的附加信息，有助于增强分流、瓣膜反流和狭窄等病理中异常血流动力学模式的可视化¹⁷。

心内涡的成像和分析：优点和缺点
如前所述，可以使用心脏磁共振成像 （MRI） 以及超声心动图衍生的粒子成像测速法、矢量血流映射和 BSI⁶ 来可视化心内血流模式。在新生儿中，BSI因其无创性质和床边应用而具有最大的优势。此外，由于图像分辨率和超声波束穿透率成反比，因此新生儿的体表面积非常小，因此可以在不牺牲穿透深度的情况下利用高分辨率。相反，由于 BSI 需要高帧速率和分辨率才能切实捕获心内涡流，因此该技术目前无法在较大的患者（例如成人）中执行，因为更大的穿透要求会影响分辨率。到目前为止，成功应用 BSI 的患者人数最多的是中位年龄为 7 岁、体表面积高达 1.22 m²⁷ 的儿童群体。

BSI成像的另一个局限性是它依赖于高质量的二维图像来准确估计涡流。目前，BSI在三维超声心动图中不可用，这限制了这种复杂的三维结构的可视化。此外，由于其有限的穿透深度，BSI会造成显著的信噪比损失。在实践中，这意味着在检查期间移动的不稳定新生儿以及无法优化和定义的左心室四腔视图的身体结构可能会对该技术造成重大障碍。应随时实施在检查期间使新生儿平静的方法（例如，使用蔗糖）和其他在四腔视图中优化左心室图像质量的技术（例如，定位新生儿和操作者技术）。

最后，这项研究在商业上仅限于所选技术的涡旋特性（即超声心动图衍生的 BSI）。虽然这些测量的临床相关性和可重复性在文献中越来越受到关注，但仍需要进一步验证这些标志物在各种病理学中的含义以及它们与其他成像方式的比较。例如，涡旋结构、定位和时机可能在先天性心脏病中非常有用，而 BSI 尚未提供的动能参数可能在心脏重塑的长期系列研究中发挥重要作用。

未来方向
总之，BSI 作为一种低成本、无创且有价值的工具，用于评估心内血流动力学，更具体地说，是涡流，正在迅速获得认可。本实验室的工作已经验证了其可重复性，并证明了其作为评估早产后心脏功能和重塑的补充工具的临床和实用性⁸.展望未来，心肌上的心内剪切力与随后在生命早期发育的不同点看到的心脏重塑之间的假设联系需要进一步关注。到目前为止，只探索了漩涡的结构和时间特征。然而，如前所述，获得旋转动能和涡度等能量参数可能会进一步了解将流动模式与不良心脏重塑联系起来的机制。在临床上，这可能随后允许对高危患者实施更及时的干预措施。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tomtec Imaging Systems GmbH	Phillips	GmbH Corporation	Offline ultrasound image processing tool, used for calculating all vortex measurements
Vivid E95	General Electrics	NA	Cardiac Ultrasound device used to capture Echocardiography-derived Blood Speckle Imaging