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

摘要

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。

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。

引言

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。

研究方案

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）。

结果

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?...

讨论

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...

材料

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