應用血流向量成像技術(VFM)對正常人的主動脈弓血流流場進行可視化觀察及定量研究。在VFM模式下采集87例健康志愿者主動脈弓長軸切面彩色多普勒動態圖像, 觀察并定量分析主動脈弓流場向量分布特點、逆流和渦流的形成以及血流平均能量損耗(mEL)。結果:①主動脈弓各段峰值流速(Vp)均出現于快速射血期, 但分布位置不盡相同; 主動脈弓各段前向血流速度由等容收縮期迅速上升, 至快速射血期達峰值后逐漸降低。②所有受檢者于等容舒張期在主動脈弓小彎側觀察到逆流和渦流。③主動脈弓流場內mEL從等容收縮期開始迅速上升, 在快速射血期達到峰值后逐漸降低, 直到心房收縮期接近于零。VFM為研究人體主動脈弓流場提供了新的方法和思路。對正常人主動脈弓流場的可視化觀察及定量研究可望為進一步研究主動脈疾病流場改變提供理論依據。
引用本文： 蔡宇燕, 魏薪, 張曉玲, 陳麗萍, 唐紅. 血流向量成像技術對正常人主動脈弓流場的可視化觀察及定量研究. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(4): 779-785. doi: 10.7507/1001-5515.20160126 復制
引言
主動脈弓是人體主要的彎曲動脈，其內部的血液流動具有高度的脈動性和復雜性，復雜的血流動力學往往與主動脈的病理生理有著密切聯系[1]。盡管此前核磁共振和計算流體力學對主動脈弓流場有所探究[2-4]，然而主動脈弓流場內血流的偏移、變化特點一直備受爭議，流場內是否有逆流和渦流的形成及其分布位置等情況也不甚明了。基于彩色多普勒血流成像的血流向量成像技術(vector flow mapping, VFM)是可視化定量評價心血管系統流體力學的新方法[5-7]。本研究應用VFM對主動脈弓流場的向量分布、逆流和渦流形成以及平均血流能量損耗(mean energy lose, mEL)進行可視化觀察和定量分析，探討正常人主動脈弓流場的血流動力特點和參數，以期為研究主動脈疾病的流場改變提供理論依據。
1 資料與方法
1.1 研究對象
選擇2014年12月-2015年4月于四川大學華西醫院行超聲心動圖檢查的健康志愿者87例，其中男性40例，女性47例，年齡(40±14)歲(18～69歲)；體表面積(1.62±0.17) m2(1.30～2.06 m2)；心率(75.3±13.5)次/min(50～105次/min)。所有健康志愿者經查體、詢問病史和實驗室檢查排除心肺疾病，既往無高血壓、冠心病、糖尿病病史。該研究通過倫理委員會審查和批準，且所有檢查均取得志愿者知情同意。
1.2 儀器與檢查方法
圖像采集使用HITACHI-ALOKA公司Prosound F75彩色多普勒超聲診斷儀(UST-52105相控陣探頭，頻率1.0~5.0 MHz)，配備DAS-RS1超聲工作站(內置版本5.0的VFM分析軟件)。囑受檢者平臥位，連接同步心電圖，由同一名超聲醫師操作，在VFM模式下，采集胸骨上窩主動脈弓長軸切面彩色多普勒動態圖像，幀頻30幀/s以上，調節彩色多普勒脈沖重復頻率至分析區域剛好無混疊產生。圖像深度以滿意顯示升主動脈及無名動脈開口或降主動脈及左鎖骨下動脈開口為標準，圖像存儲連續3個心動周期。
1.3 圖像分析
將采集的圖像導入超聲工作站。分別選取無名動脈開口近端的升主動脈4~5 cm和左鎖骨下動脈開口以遠的降主動脈4~5 cm，逐幀回放，結合同步心電圖將心動周期分為7個時相：等容收縮期、快速射血期、減慢射血期、等容舒張期、快速充盈期、減慢充盈期和心房收縮期。同時，為便于細致觀察和準確定位，將升主動脈和降主動脈各等分為近心段、中間段和遠心段。
1.4 參數的定義和設置
①向量圖：為若干黃色線條，線條一端的黃色箭頭表示血流方向，線條長度代表向量的大小。設置單位向量值為60 cm/s。②流線圖：為數條藍綠色等流量線，近似平行但走行彎曲，流線的切面方向表示血流方向，流線形成的數條閉合環形線條表示渦流。設置等流量線值為1 cm2/s。③能量損耗圖：為黃色填充的不規則圖形，mEL代表每1 m2流場內血流的能量損耗值。黃色亮度越大，表示能量損耗越大，亮度越小，能量損耗越小。④位置-速度圖：表示一定長度的線條上隨位置改變速度的變化情況。其中橫軸代表線條上的不同位置，縱軸代表速度。
1.5 觀察和測量指標
主動脈弓流場向量和流線變化特點；主動脈弓流場內各段血流峰值流速(peak velocity，Vp)及其分布位置；流場內逆流和渦流形成時相；不同時相升主動脈和降主動脈流場內mEL及變化特點。
1.6 組內和組間重復性檢驗
從研究對象中隨機抽取20例，由同一名超聲醫師2周后進行第2次分析，重復分析快速射血期升主動脈及降主動脈流場的mEL和升主動脈近心段及降主動脈中間段Vp值，比較觀察者內的變異；另一名同資歷超聲醫師采用同樣方法進行重復測量，比較觀察者間的變異。使用組內相關系數(interclass correlation coefficient, ICC)描述組間和組內觀測值的變異性。
1.7 統計學分析
采用SPSS 19.0進行統計學分析。分別統計主動脈弓6個節段Vp值，以及升主動脈和降主動脈7個時相流場內mEL值，所有計量資料以均數±標準差(
2 結果
2.1 主動脈弓流場的向量分布
在整個心動周期中，主動脈弓內始終存在著血液流動，不存在真正的靜止階段。即使是在血流信號極其微弱的舒張期，流場斷面的速度也并不為0。流場內前向血流速度從等容收縮期開始迅速上升，在快速射血期達到峰值后逐漸降低。舒張期前向血流信號微弱，其流速變化和位置分布無明顯規律。如圖 1所示，顯示了快速射血期、減慢射血期和等容舒張期主動脈弓流場向量的分布。盡管流場內Vp均出現在快速射血期，但各段Vp的分布有所不同(如圖 2所示)：升主動脈近心段Vp總是向管壁小彎側(對應升主動脈的后內側壁)偏斜，而中間段和遠心段的Vp出現在管壁大彎側(對應升主動脈的前外側壁)。降主動脈近心段、中間段和遠心段流場內Vp在快速射血期同時向管壁小彎側偏移，隨著流速的降低，血流偏斜向管腔中心轉移，至收縮晚期血流偏斜回到小彎側。如圖 2所示，位置-速度圖中橫軸代表距離，縱軸代表速度大小，黃、紅、藍三色曲線分別代表左側主動脈管腔內對應顏色的線條所在位置速度的改變，且橫軸起始處的位置對應主動脈弓的內側壁。左側三色線條上若干黃色細線條代表相應位置速度的方向和相對大小，細線條越長表示速度越大。主動脈弓各段內Vp值，如表 1所示。
圖1
正常人主動脈弓流場不同時相向量分布
Figure1.
Vector distribution during different phase of cardiac cycle in the aortic arch in normal humans
圖2
正常人主動脈弓快速射血期不同節段Vp的分布位置
Figure2.
Distribution of Vp in different segments during the period of rapid ejection in aortic arch
表1
正常人主動脈弓不同節段Vp值(cm/s)(n=87)
Table1.
Values of Vp in different sections in aortic arch (cm/s) (n=87)
2.2 主動脈弓流場逆流的形成
主動脈弓流場逆流的出現時相、分布位置如圖 3所示，圖中黃、紅、藍三色線條分別位于升主或降主動脈近心段、中間段和遠心段，三色線條上若干黃色細線條表示該位置速度的方向和相對大小，圖中主動脈弓的升主和降主動脈段小彎側若干黃色線條的聚集即逆流。彩色多普勒血流圖僅在部分受檢者中觀察到逆流信號；在VFM分析中，所有受檢者均在升主動脈和降主動脈小彎側觀察到逆流，大部分受檢者逆流的出現始于等容舒張期，少數(19例，22%)受檢者逆流在減慢射血期即形成，持續至舒張早期，隨時間變化逆流信號逐漸減弱。
圖3
正常人主動脈弓小彎側等容舒張期逆流形成
Figure3.
Retrograde flow during the period of isovolumetric relaxation in the inner wall curvature in normal aorta
2.3 主動脈弓流場的流線分布和渦流形成
主動脈弓流場內流線從等容收縮期的幾乎無線條或線條極不規則演變為類似長直管內的層流，直到減慢射血期結束。隨流場內血流速度的降低，不規則流線再次增多。在等容舒張期，升主動脈和降主動脈小彎側各出現一個呈逆時針方向旋轉的渦流。如圖 4所示，顯示了快速射血期、減慢射血期和等容舒張期主動脈弓流線和渦流的分布。
圖4
正常人主動脈弓不同時相流場流線和渦流分布
Figure4.
Streamline and vortex in the aortic arch during different phase of cardiac cycle in the aorta artic in normal humans
2.4 主動脈弓流場mEL
如圖 5所示，顯示了主動脈弓流場血流mEL。主動脈弓流場mEL從等容收縮期開始迅速上升，在快速射血期達到峰值后逐漸降低，直到心房收縮期接近零。升主動脈和降主動脈心動周期7個時相的mEL及其變化規律如圖 6所示。
圖5
正常人主動脈弓不同時相mEL
Figure5.
mEL in the aortic arch during different phase of cardiac cycle in the aorta artic in normal humans
圖6
正常人心動周期不同時相主動脈弓mEL
Figure6.
mEL in aortic arch at different point of cardiac cycle in normal humans
2.5 重復性檢驗結果
如表 2所示，重復測量快速射血期主動脈弓流場mEL和升主動脈近心段及降主動脈中間段Vp，ICC值介于0.927~0.980，表明檢查者內及檢查者間重復性較好。
表2
快速射血期主動脈弓流場mEL及主動脈弓部分節段VP值重復性檢驗(n=20)
Table2.
ICC repeatability test of the mEL during the period of rapid ejection and Vp in portions of aortic arch (n=20)
3 討論
主動脈瓣二葉式畸形(bicuspid aortic valve, BAV)是最常見的成人先天性心臟病之一，超聲對BAV的眾多研究集中在主動脈瓣及受累升主動脈的形態學改變，缺乏對BAV主動脈弓內血液流場特點的觀察。有研究表明，即使是功能正常的BAV也可伴隨異常的跨瓣膜血流，導致局部升主動脈乃至整個主動脈弓血流動力學發生變化[8]。此外，在彎曲的動脈中容易發生動脈瘤、動脈粥樣硬化等病變，
盡管超聲心動圖能夠對主動脈病變做出快速的形態學診斷[9]，但對病變主動脈弓內復雜的血流動力學表現缺乏具體研究，尤其是病變早期主動脈弓形態改變不顯著卻伴隨著血流動力學的改變，早期發現和干預更依賴于對其血流動力學改變的觀察和研究。因此，有必要探討正常主動脈弓流場的血流動力學參數。
目前，核磁共振和計算流體力學等對主動脈弓血流動力學有一些初步的研究，這些研究大多將主動脈弓幾何模型進行了較大的簡化處理，或利用數值模擬和數值計算研究其特點[2-4]。而簡化的幾何模型與人體主動脈弓的真實情況有較大差距，模擬結果也很難反映主動脈弓內真實的血液流動。磁共振成像技術對體內置入金屬裝置患者的檢查亦受局限。本研究基于彩色多普勒血流成像原理，通過連續方程和組織追蹤技術計算垂直聲束方向的速度，從而獲得流場內各點的速度向量，以及基于速度向量計算的渦流、能量損耗等真實反映血流動力學狀態的指標[5-7]。
主動脈弓流場內收縮期峰值流速的偏移是受主動脈弓的曲率和錐度的影響[10]。因為左心室長軸和主動脈長軸間存在140°～150°的夾角，導致前向血流朝向升主動脈外側壁偏移30°～40°，這個夾角的存在造成主動脈瓣口血流為非對稱性。從左室噴射出的血流，先射到了主動脈近心段的后內側壁上，然后螺旋上升偏移至中間段、遠心段的前外側壁，即Vp偏移呈現出“后-右-前”現象，這與Kilner等[11]對升主動脈縱向血流的研究結果即前向血流的“右手螺旋”現象一致。同樣，主動脈弓錐度和一定彎曲率的影響導致收縮期血流進入降主動脈時峰值流速首先偏移至管壁小彎側，隨著流速的降低，血流的偏移逐漸轉向外側壁，心房收縮期血流的偏斜再次回到小彎側。收縮期升主動脈血流在近心段出現Vp，而降主動脈血流在中間段達到Vp，這可能與血流-血管的流固耦合作用[12]以及重力等因素的影響有關。從左室射出的血流，在升主動脈近心段達到Vp，前向血流速度逐漸減低，進入降主動脈后，血流有一短暫加速，并在中間段達到Vp。
主動脈弓小彎側逆流的出現可能與以下因素有關：①等容舒張期，由于室內壓下降，主動脈內的血流向心室方向回流；而在收縮早期尤其是快速射血期，由于加速度的存在，不可能產生逆壓梯度，因此，這一時期無逆流的形成。19例受檢者在收縮晚期即觀察到逆流形成，可能是由于這部分受檢者在減慢射血期有明顯的前向血流流速減低和室內壓的下降。②在舒張期尤其是舒張早期，由于血液-血管流固耦合作用，血液流動動能和血管彈性變形能之間發生能量轉換，使得逆流速度降低，信號逐漸減弱[13]。
主動脈弓渦流出現的位置和時相與逆流的出現一致，即于等容舒張期在升主動脈和降主動脈小彎側各出現與一個與逆流信號一致呈逆時針旋轉的渦流，快速充盈期渦流消失。本研究推測，該處渦流的形成可能由主動脈弓小彎側逆流引發，等容舒張期室內壓的急劇下降導致主動脈弓逆流產生，并引起局部血流的紊亂，產生渦流，隨著逆流信號的減弱，渦流消失。血液流動能和血管彈性變形能之間的能量轉換影響著逆流的產生[14]，因此，渦流的產生也許能在一定程度上反映血液流動能與血管彈性變形能之間的轉換關系。
從主動脈弓流場mEL的變化規律看(圖 6)，主動脈弓流場mEL變化與流場內流速的改變基本一致，收縮期mEL峰值對應于流場內前向血流Vp值。相比收縮期，舒張期mEL明顯減低。值得注意的是，舒張期mEL峰值時相對應主動脈弓逆流和渦流出現的時相。由于血液存在粘滯性，因此存在湍流和血流速度較大時，血流內部會產生摩擦熱，這種摩擦熱在VFM分析中以能量損耗的方式直觀并定量地表達出來。在快速射血期流場血流達到Vp時，血流內部及血流與主動脈管壁之間產生大量的摩擦熱，血流mEL也達到高峰，這也是舒張期血流mEL明顯降低的原因。關于等容舒張期mEL高峰的出現，本研究認為與主動脈弓小彎側逆流形成密不可分。等容舒張期逆流的形成引發渦流產生，從而引起mEL高峰。對主動脈弓渦流和mEL的分析將有助于進一步研究主動脈弓流場復雜的血流動力學狀況。
通過VFM對正常人主動脈弓流場進行可視化觀察和定量分析，本研究得到了主動脈弓流場內心動周期不同時相血流速度的Vp及其分布、逆流和渦流的形成以及mEL。但VFM只能研究二維平面的流場變化，如果能夠融入三維超聲技術，在三維空間上分析主動脈弓流場的變化，可望進一步提高對心臟血流動力學的認識。其次，當流場內血流速度超過Nyquist極限時，多普勒血流信號易產生二次混疊，使得VFM難以對高速血流的流場進行客觀評價[14]。另外，本研究未對受檢者年齡因素進行分層，主動脈弓流場的各項參數指標是否受年齡影響，尚待進一步研究。
VFM為研究人體主動脈弓流場提供了新的方法和思路。對正常主動脈弓流場的可視化觀察及定量研究可望為進一步研究主動脈疾病的流場改變提供理論依據。
引言
主動脈弓是人體主要的彎曲動脈，其內部的血液流動具有高度的脈動性和復雜性，復雜的血流動力學往往與主動脈的病理生理有著密切聯系[1]。盡管此前核磁共振和計算流體力學對主動脈弓流場有所探究[2-4]，然而主動脈弓流場內血流的偏移、變化特點一直備受爭議，流場內是否有逆流和渦流的形成及其分布位置等情況也不甚明了。基于彩色多普勒血流成像的血流向量成像技術(vector flow mapping, VFM)是可視化定量評價心血管系統流體力學的新方法[5-7]。本研究應用VFM對主動脈弓流場的向量分布、逆流和渦流形成以及平均血流能量損耗(mean energy lose, mEL)進行可視化觀察和定量分析，探討正常人主動脈弓流場的血流動力特點和參數，以期為研究主動脈疾病的流場改變提供理論依據。
1 資料與方法
1.1 研究對象
選擇2014年12月-2015年4月于四川大學華西醫院行超聲心動圖檢查的健康志愿者87例，其中男性40例，女性47例，年齡(40±14)歲(18～69歲)；體表面積(1.62±0.17) m2(1.30～2.06 m2)；心率(75.3±13.5)次/min(50～105次/min)。所有健康志愿者經查體、詢問病史和實驗室檢查排除心肺疾病，既往無高血壓、冠心病、糖尿病病史。該研究通過倫理委員會審查和批準，且所有檢查均取得志愿者知情同意。
1.2 儀器與檢查方法
圖像采集使用HITACHI-ALOKA公司Prosound F75彩色多普勒超聲診斷儀(UST-52105相控陣探頭，頻率1.0~5.0 MHz)，配備DAS-RS1超聲工作站(內置版本5.0的VFM分析軟件)。囑受檢者平臥位，連接同步心電圖，由同一名超聲醫師操作，在VFM模式下，采集胸骨上窩主動脈弓長軸切面彩色多普勒動態圖像，幀頻30幀/s以上，調節彩色多普勒脈沖重復頻率至分析區域剛好無混疊產生。圖像深度以滿意顯示升主動脈及無名動脈開口或降主動脈及左鎖骨下動脈開口為標準，圖像存儲連續3個心動周期。
1.3 圖像分析
將采集的圖像導入超聲工作站。分別選取無名動脈開口近端的升主動脈4~5 cm和左鎖骨下動脈開口以遠的降主動脈4~5 cm，逐幀回放，結合同步心電圖將心動周期分為7個時相：等容收縮期、快速射血期、減慢射血期、等容舒張期、快速充盈期、減慢充盈期和心房收縮期。同時，為便于細致觀察和準確定位，將升主動脈和降主動脈各等分為近心段、中間段和遠心段。
1.4 參數的定義和設置
①向量圖：為若干黃色線條，線條一端的黃色箭頭表示血流方向，線條長度代表向量的大小。設置單位向量值為60 cm/s。②流線圖：為數條藍綠色等流量線，近似平行但走行彎曲，流線的切面方向表示血流方向，流線形成的數條閉合環形線條表示渦流。設置等流量線值為1 cm2/s。③能量損耗圖：為黃色填充的不規則圖形，mEL代表每1 m2流場內血流的能量損耗值。黃色亮度越大，表示能量損耗越大，亮度越小，能量損耗越小。④位置-速度圖：表示一定長度的線條上隨位置改變速度的變化情況。其中橫軸代表線條上的不同位置，縱軸代表速度。
1.5 觀察和測量指標
主動脈弓流場向量和流線變化特點；主動脈弓流場內各段血流峰值流速(peak velocity，Vp)及其分布位置；流場內逆流和渦流形成時相；不同時相升主動脈和降主動脈流場內mEL及變化特點。
1.6 組內和組間重復性檢驗
從研究對象中隨機抽取20例，由同一名超聲醫師2周后進行第2次分析，重復分析快速射血期升主動脈及降主動脈流場的mEL和升主動脈近心段及降主動脈中間段Vp值，比較觀察者內的變異；另一名同資歷超聲醫師采用同樣方法進行重復測量，比較觀察者間的變異。使用組內相關系數(interclass correlation coefficient, ICC)描述組間和組內觀測值的變異性。
1.7 統計學分析
采用SPSS 19.0進行統計學分析。分別統計主動脈弓6個節段Vp值，以及升主動脈和降主動脈7個時相流場內mEL值，所有計量資料以均數±標準差(
2 結果
2.1 主動脈弓流場的向量分布
在整個心動周期中，主動脈弓內始終存在著血液流動，不存在真正的靜止階段。即使是在血流信號極其微弱的舒張期，流場斷面的速度也并不為0。流場內前向血流速度從等容收縮期開始迅速上升，在快速射血期達到峰值后逐漸降低。舒張期前向血流信號微弱，其流速變化和位置分布無明顯規律。如圖 1所示，顯示了快速射血期、減慢射血期和等容舒張期主動脈弓流場向量的分布。盡管流場內Vp均出現在快速射血期，但各段Vp的分布有所不同(如圖 2所示)：升主動脈近心段Vp總是向管壁小彎側(對應升主動脈的后內側壁)偏斜，而中間段和遠心段的Vp出現在管壁大彎側(對應升主動脈的前外側壁)。降主動脈近心段、中間段和遠心段流場內Vp在快速射血期同時向管壁小彎側偏移，隨著流速的降低，血流偏斜向管腔中心轉移，至收縮晚期血流偏斜回到小彎側。如圖 2所示，位置-速度圖中橫軸代表距離，縱軸代表速度大小，黃、紅、藍三色曲線分別代表左側主動脈管腔內對應顏色的線條所在位置速度的改變，且橫軸起始處的位置對應主動脈弓的內側壁。左側三色線條上若干黃色細線條代表相應位置速度的方向和相對大小，細線條越長表示速度越大。主動脈弓各段內Vp值，如表 1所示。
圖1
正常人主動脈弓流場不同時相向量分布
Figure1.
Vector distribution during different phase of cardiac cycle in the aortic arch in normal humans
圖2
正常人主動脈弓快速射血期不同節段Vp的分布位置
Figure2.
Distribution of Vp in different segments during the period of rapid ejection in aortic arch
表1
正常人主動脈弓不同節段Vp值(cm/s)(n=87)
Table1.
Values of Vp in different sections in aortic arch (cm/s) (n=87)
2.2 主動脈弓流場逆流的形成
主動脈弓流場逆流的出現時相、分布位置如圖 3所示，圖中黃、紅、藍三色線條分別位于升主或降主動脈近心段、中間段和遠心段，三色線條上若干黃色細線條表示該位置速度的方向和相對大小，圖中主動脈弓的升主和降主動脈段小彎側若干黃色線條的聚集即逆流。彩色多普勒血流圖僅在部分受檢者中觀察到逆流信號；在VFM分析中，所有受檢者均在升主動脈和降主動脈小彎側觀察到逆流，大部分受檢者逆流的出現始于等容舒張期，少數(19例，22%)受檢者逆流在減慢射血期即形成，持續至舒張早期，隨時間變化逆流信號逐漸減弱。
圖3
正常人主動脈弓小彎側等容舒張期逆流形成
Figure3.
Retrograde flow during the period of isovolumetric relaxation in the inner wall curvature in normal aorta
2.3 主動脈弓流場的流線分布和渦流形成
主動脈弓流場內流線從等容收縮期的幾乎無線條或線條極不規則演變為類似長直管內的層流，直到減慢射血期結束。隨流場內血流速度的降低，不規則流線再次增多。在等容舒張期，升主動脈和降主動脈小彎側各出現一個呈逆時針方向旋轉的渦流。如圖 4所示，顯示了快速射血期、減慢射血期和等容舒張期主動脈弓流線和渦流的分布。
圖4
正常人主動脈弓不同時相流場流線和渦流分布
Figure4.
Streamline and vortex in the aortic arch during different phase of cardiac cycle in the aorta artic in normal humans
2.4 主動脈弓流場mEL
如圖 5所示，顯示了主動脈弓流場血流mEL。主動脈弓流場mEL從等容收縮期開始迅速上升，在快速射血期達到峰值后逐漸降低，直到心房收縮期接近零。升主動脈和降主動脈心動周期7個時相的mEL及其變化規律如圖 6所示。
圖5
正常人主動脈弓不同時相mEL
Figure5.
mEL in the aortic arch during different phase of cardiac cycle in the aorta artic in normal humans
圖6
正常人心動周期不同時相主動脈弓mEL
Figure6.
mEL in aortic arch at different point of cardiac cycle in normal humans
2.5 重復性檢驗結果
如表 2所示，重復測量快速射血期主動脈弓流場mEL和升主動脈近心段及降主動脈中間段Vp，ICC值介于0.927~0.980，表明檢查者內及檢查者間重復性較好。
表2
快速射血期主動脈弓流場mEL及主動脈弓部分節段VP值重復性檢驗(n=20)
Table2.
ICC repeatability test of the mEL during the period of rapid ejection and Vp in portions of aortic arch (n=20)
3 討論
主動脈瓣二葉式畸形(bicuspid aortic valve, BAV)是最常見的成人先天性心臟病之一，超聲對BAV的眾多研究集中在主動脈瓣及受累升主動脈的形態學改變，缺乏對BAV主動脈弓內血液流場特點的觀察。有研究表明，即使是功能正常的BAV也可伴隨異常的跨瓣膜血流，導致局部升主動脈乃至整個主動脈弓血流動力學發生變化[8]。此外，在彎曲的動脈中容易發生動脈瘤、動脈粥樣硬化等病變，
盡管超聲心動圖能夠對主動脈病變做出快速的形態學診斷[9]，但對病變主動脈弓內復雜的血流動力學表現缺乏具體研究，尤其是病變早期主動脈弓形態改變不顯著卻伴隨著血流動力學的改變，早期發現和干預更依賴于對其血流動力學改變的觀察和研究。因此，有必要探討正常主動脈弓流場的血流動力學參數。
目前，核磁共振和計算流體力學等對主動脈弓血流動力學有一些初步的研究，這些研究大多將主動脈弓幾何模型進行了較大的簡化處理，或利用數值模擬和數值計算研究其特點[2-4]。而簡化的幾何模型與人體主動脈弓的真實情況有較大差距，模擬結果也很難反映主動脈弓內真實的血液流動。磁共振成像技術對體內置入金屬裝置患者的檢查亦受局限。本研究基于彩色多普勒血流成像原理，通過連續方程和組織追蹤技術計算垂直聲束方向的速度，從而獲得流場內各點的速度向量，以及基于速度向量計算的渦流、能量損耗等真實反映血流動力學狀態的指標[5-7]。
主動脈弓流場內收縮期峰值流速的偏移是受主動脈弓的曲率和錐度的影響[10]。因為左心室長軸和主動脈長軸間存在140°～150°的夾角，導致前向血流朝向升主動脈外側壁偏移30°～40°，這個夾角的存在造成主動脈瓣口血流為非對稱性。從左室噴射出的血流，先射到了主動脈近心段的后內側壁上，然后螺旋上升偏移至中間段、遠心段的前外側壁，即Vp偏移呈現出“后-右-前”現象，這與Kilner等[11]對升主動脈縱向血流的研究結果即前向血流的“右手螺旋”現象一致。同樣，主動脈弓錐度和一定彎曲率的影響導致收縮期血流進入降主動脈時峰值流速首先偏移至管壁小彎側，隨著流速的降低，血流的偏移逐漸轉向外側壁，心房收縮期血流的偏斜再次回到小彎側。收縮期升主動脈血流在近心段出現Vp，而降主動脈血流在中間段達到Vp，這可能與血流-血管的流固耦合作用[12]以及重力等因素的影響有關。從左室射出的血流，在升主動脈近心段達到Vp，前向血流速度逐漸減低，進入降主動脈后，血流有一短暫加速，并在中間段達到Vp。
主動脈弓小彎側逆流的出現可能與以下因素有關：①等容舒張期，由于室內壓下降，主動脈內的血流向心室方向回流；而在收縮早期尤其是快速射血期，由于加速度的存在，不可能產生逆壓梯度，因此，這一時期無逆流的形成。19例受檢者在收縮晚期即觀察到逆流形成，可能是由于這部分受檢者在減慢射血期有明顯的前向血流流速減低和室內壓的下降。②在舒張期尤其是舒張早期，由于血液-血管流固耦合作用，血液流動動能和血管彈性變形能之間發生能量轉換，使得逆流速度降低，信號逐漸減弱[13]。
主動脈弓渦流出現的位置和時相與逆流的出現一致，即于等容舒張期在升主動脈和降主動脈小彎側各出現與一個與逆流信號一致呈逆時針旋轉的渦流，快速充盈期渦流消失。本研究推測，該處渦流的形成可能由主動脈弓小彎側逆流引發，等容舒張期室內壓的急劇下降導致主動脈弓逆流產生，并引起局部血流的紊亂，產生渦流，隨著逆流信號的減弱，渦流消失。血液流動能和血管彈性變形能之間的能量轉換影響著逆流的產生[14]，因此，渦流的產生也許能在一定程度上反映血液流動能與血管彈性變形能之間的轉換關系。
從主動脈弓流場mEL的變化規律看(圖 6)，主動脈弓流場mEL變化與流場內流速的改變基本一致，收縮期mEL峰值對應于流場內前向血流Vp值。相比收縮期，舒張期mEL明顯減低。值得注意的是，舒張期mEL峰值時相對應主動脈弓逆流和渦流出現的時相。由于血液存在粘滯性，因此存在湍流和血流速度較大時，血流內部會產生摩擦熱，這種摩擦熱在VFM分析中以能量損耗的方式直觀并定量地表達出來。在快速射血期流場血流達到Vp時，血流內部及血流與主動脈管壁之間產生大量的摩擦熱，血流mEL也達到高峰，這也是舒張期血流mEL明顯降低的原因。關于等容舒張期mEL高峰的出現，本研究認為與主動脈弓小彎側逆流形成密不可分。等容舒張期逆流的形成引發渦流產生，從而引起mEL高峰。對主動脈弓渦流和mEL的分析將有助于進一步研究主動脈弓流場復雜的血流動力學狀況。
通過VFM對正常人主動脈弓流場進行可視化觀察和定量分析，本研究得到了主動脈弓流場內心動周期不同時相血流速度的Vp及其分布、逆流和渦流的形成以及mEL。但VFM只能研究二維平面的流場變化，如果能夠融入三維超聲技術，在三維空間上分析主動脈弓流場的變化，可望進一步提高對心臟血流動力學的認識。其次，當流場內血流速度超過Nyquist極限時，多普勒血流信號易產生二次混疊，使得VFM難以對高速血流的流場進行客觀評價[14]。另外，本研究未對受檢者年齡因素進行分層，主動脈弓流場的各項參數指標是否受年齡影響，尚待進一步研究。
VFM為研究人體主動脈弓流場提供了新的方法和思路。對正常主動脈弓流場的可視化觀察及定量研究可望為進一步研究主動脈疾病的流場改變提供理論依據。
