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Cardiovascular Ultrasound

Evaluation of energy loss and wall shear stress in the left ventricle by vector flow mapping in patients with dilated cardiomyopathy

  • Guan Cheng 1 ,
  • Juan Xia 1 ,
  • Xiaojing Ma , 1,
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  • 1.Ultrasound Center, Wuhan Asia Heart Hospital, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430022, China
Corresponding author: Ma Xiaojing, Email:

Received date: 2020-07-16

  Online published: 2021-11-02

Copyright

Copyright by Chinese Medical Association No content published by the journals of Chinese Medical Association may be reproduced or abridged without authorization. Please do not use or copy the layout and design of the journals without permission. All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

Abstract

Objective

To quantitatively assess the left ventricular dysfunction in patients with dilated cardiomyopathy (DCM) by vector flow mapping (VFM) technique.

Methods

From January 2019 to April 2019, 29 patients diagnosed as having DCM who came to Wuhan Asia Heart Hospital were selected as a DCM group. And 32 healthy volunteers were enrolled as a control group during the same period. The hemodynamic images of two-dimensional color Doppler in apical four-chamber and three-chamber views were acquired in VFM. The above images were off-machine analyzed, and the differences in the average energy loss (EL) and wall shear stress (WSS) in the isovolumic contraction period (P0), rapid ejection period (P1), isovolumic relaxation period (P2), rapid filling period (P3), and atrial contraction period (P4) were compared between the two groups. Then, the changes of left ventricular hemodynamics in patients with DCM were evaluated.

Results

Compared with the control group, EL in the DCM group decreased at P0, P1, and P3 [(2.24±1.33)J/(s·m3) vs (1.39±0.49) J/(s·m3), (6.14±3.58) J/(s·m3) vs (4.17±2.12) J/(s·m3), (10.38±6.67) J/(s·m3) vs (4.92±2.73) J/(s·m3), P<0.05]. In the DCM group, the WSS values of basal segment at P0 [(0.45±0.30) N/m2 vs (0.23±0.13) N/m2, P<0.01], basal and middle sections at P1 and P2 [(1.24±0.39) N/m2 vs (0.93±0.40) N/m2, (0.55±0.30) N/m2 vs (0.36±0.23) N/m2, (0.29±0.08) N/m2 vs (0.12±0.05) N/m2, (0.14±0.08) N/m2 vs (0.10±0.06) N/m2, P<0.05], all sections at P3 [(0.60±0.24) N/m2 vs (0.26±0.08) N/m2, (0.47±0.29) N/m2 vs (0.14±0.04) N/m2, (0.13±0.06) N/m2 vs (0.06±0.02) N/m2, P<0.01], and basal segment at P4 [(0.40±0.15) N/m2 vs (0.25±0.12) N/m2, P<0.01] were significantly lower. At the same phase, the WSS values from basal to middle and apical segments showed a decreasing trend in the control group. However, there was no significant difference between basal and middle segments in the DCM group at P0, P2, and P4 (P>0.05). The WSS value at every section from P0 to P4 showed an increasing-decreasing-increasing-decreasing trend in the control group (P<0.05). In the DCM patients, however, the WSS value only at the basal segment from P0 to P3 showed an increasing-decreasing-increasing trend (P<0.05), with no significant difference observed at other segments between adjacent phases.

Conclusion

The EL and WSS as new hemodynamic quantitative parameters in the VFM technique, can be used to evaluate left ventricular dysfunction in DCM patients.

Cite this article

Guan Cheng , Juan Xia , Xiaojing Ma . Evaluation of energy loss and wall shear stress in the left ventricle by vector flow mapping in patients with dilated cardiomyopathy[J]. Chinese Journal of Medical Ultrasound (Electronic Edition), 2021 , 18(10) : 954 -959 . DOI: 10.3877/cma.j.issn.1672-6448.2021.10.010

扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy,DCM)是一种表现为左心室或双室腔扩大为主的心肌病,其特征是在无异常负荷或冠状动脉疾病的情况下,出现心室收缩和舒张功能障碍1, 2。DCM起病隐匿,在未出现明显心脏结构及功能改变前,超声心动图检查很难发现该疾病,临床上该病发病率约为每年7/10万3,有研究报道DCM随访52个月的病死率高达42.24%4,故对其早期诊断和预防治疗尤为重要。心腔内血流流场状态是反映心功能改变的敏感指标,其在心脏结构和功能改变的同时发生即刻变化5,血流向量成像(vector flow mapping,VFM)技术可对流场方向和速度进行矢量分析,从而准确反映心腔内血流动力学变化6。因此,本研究旨在通过VFM技术对DCM患者心功能改变进行定量评价,为其早期诊断、危险分层及治疗提供流体力学证据。

资料与方法

一、一般资料

本研究是一项回顾性研究。选取2019年1月至2019年4月于武汉亚洲心脏病医院确诊为DCM的患者。患者符合超声心动图纳入标准:(1)男性左心室舒张末期内径(left ventricular end diastolic diameter,LVEDD)>5.5 cm,女性LVEDD>5.0 cm;(2)左心室壁运动弥漫性减弱、室壁相对变薄;(3)左心室射血分数(left ventricular ejection fraction,LVEF)<45%或(和)左心室短轴缩短率(left ventricular fraction shortening,LVFS)<25%7。排除标准:合并有高血压、冠心病、糖尿病、肾功能不全、心脏瓣膜病、心律失常、肺心病及中度及以上二尖瓣反流的患者。
最终纳入DCM患者29例,其中男17例,女12例,年龄28~74(55.2±13.1)岁,作为DCM组。选取同期来我院体检且基线资料匹配的健康者共32例,男18例,女14例,年龄在25~71(46.4±10.2)岁,作为对照组。本研究经武汉科技大学附属武汉亚洲心脏病医院伦理委员会批准(批件号:2020-YXKY-B011)。

二、仪器与方法

1.仪器:采用日立Aloka Prosound F75型彩色多普勒超声诊断仪,UST-52105探头,频率1.0~5.0 MHz。配备DSA-RS1工作站。
2.图像获取与参数测量:记录受检者性别、年龄、心率及BSA。超声检查时嘱受检者静息状态下左侧卧位,连接心电图,测量并记录LVEDD、左心室收缩末期内径(left ventricular end systolic diameter,LVESD)、舒张早期二尖瓣前向血流速度E峰(E)、舒张晚期二尖瓣前向血流速度A峰(A)以及双平面Simpson法测得LVEF值。调至VFM模式,设置合适的采图参数,优化扇角及深度,调节至合适的帧频,以减少血流混叠,分别于心尖四腔心及三腔心切面上,采集连续3个心动周期的左心室彩色血流动态图像。
将图像导入DSA-RS1工作站,将每个图像沿着心内膜进行描记边界后确认分析区域。启动时间-流量曲线(time-flow curve)模式,将取样线分别置于二尖瓣和主动脉瓣下1~2 cm,根据时间-流量曲线、心电图及瓣膜启闭情况,将每个心动周期分为5个时相:等容收缩期(P0)、快速射血期(P1)、等容舒张期(P2)、快速充盈期(P3)和心房收缩期(P4)(图1),应用工作站脱机获取左心室3个心动周期的能量损耗(energy loss,EL)及各节段室壁剪应力(wall shear stress,WSS)平均值,对比DCM组相对于对照组不同时相左心室EL及WSS平均值的差异,进而评估DCM患者左心功能异常。
图1 左心室流入道及流出道时间-流量曲线

三、统计学分析

采用SPSS 25.0软件进行统计分析。所有的计量资料均进行正态检验,本研究计量资料均符合正态分布,以
x¯
±s表示。性别比较采用χ2检验。符合方差齐性的两组计量资料比较采用独立样本t检验;多组间计量资料比较,符合方差齐性采用单因素方差分析,进一步两两比较采用Tukey检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

结果

一、两组一般资料和超声参数比较

DCM组的性别、年龄、体表面积(body surface area,BSA)、心率等基线资料与对照组比较,差异均无统计学意义(均P>0.05),两组基线资料具有可比性。
DCM组LVEF低于对照组[(34.4%±8.5%)vs(58.7%±1.3%)],差异有统计学意义(t=15.224,P<0.01)。DCM组LVEDD、LVESD较对照组明显增大[分别为(6.53±0.66)cm vs(4.47±0.24)cm、(5.04±0.67)cm vs(2.97±0.31)cm],差异均有统计学意义(t=-15.846、-15.224,均P<0.01)。与对照组比较,DCM组A峰偏高[(0.70±0.15)m/s vs(0.85±0.22)m/s)],E/A偏低(1.18±0.38 vs 0.93±0.43),差异均有统计学意义(t=-3.170、2.395,均P<0.05,表1)。
表1 正常对照组与DCM组基本资料及超声参数比较(
x¯
±s
组别 男/女(例) 年龄(岁) 心率(次/分) BSA(m2 LVEF(%) LVEDD(cm) LVESD(cm) E(m/s) A(m/s) E/A
对照组(n=32) 18/14 47.9±9.5 75.0±9.2 1.63±0.14 58.7±1.3 4.47±0.24 2.97±0.31 0.78±0.15 0.70±0.15 1.18±0.38
DCM组(n=29) 17/12 51.4±10.7 79.5±13.4 1.62±0.16 34.4±8.5 6.53±0.66 5.04±0.67 0.77±0.25 0.85±0.22 0.93±0.43
t 0.049 -1.356 -1.518 0.456 15.224 -15.846 -15.224 0.171 -3.170 2.395
P 0.852 0.180 0.135 0.650 <0.01 <0.01 <0.01 0.865 0.003 0.020

注:DCM为扩张型心肌病;BSA为体表面积;LVEF为左心室射血分数;LVEDD为左心室舒张末期内径;LVESD为左心室收缩末期内径;E为舒张早期二尖瓣前向血流速度E峰;A为舒张晚期二尖瓣前向血流速度A峰;E/A为E峰与A峰比值

二、两组5个时相左心EL比较

与对照组比较,DCM组在P0、P1及P3期EL均减低[分别为(2.24±1.33)J/(s·m3vs(1.39±0.49)J/(s·m3)、(6.14±3.58)J/(s·m3vs(4.17±2.12)J/(s·m3)、(10.38±6.67)J/(s·m3vs(4.92±2.73)J/(s·m3)],差异均有统计学意义(t=3.407、2.587、4.254,均P<0.05),而在P2及P4期两组EL差异无统计学意义(均P>0.05,表2)。
表2 正常对照组与DCM组5个时相能量损耗值比较[J/(s·m3),
x¯
±s
组别 P0 P1 P2 P3 P4
对照组(n=32) 2.24±1.33 6.14±3.58 0.52±0.32 10.38±6.67 5.20±3.89
DCM组(n=29) 1.39±0.49 4.17±2.12 0.41±0.27 4.92±2.73 5.14±3.02
t 3.407 2.587 1.462 4.254 0.066
P 0.002 0.012 0.149 <0.01 0.948

注:DCM为扩张型心肌病;P0为等容收缩期;P1为快速射血期;P2为等容舒张期;P3为快速充盈期;P4为心房收缩期

在P0期,DCM组黄色区域主要集中靠近心尖部,而对照组充满整个室腔且左心室腔EL均较高;在P1期两组黄色区域均靠近左心室流出道;P2期左心室腔内呈黑色,EL很低,两组无明显差异;在P3期DCM组黄色区域主要靠近二尖瓣口处,而对照组充满整个室腔;在P4期DCM组黄色区域主要靠近左心室侧壁靠近心尖段,而对照组充满整个室腔(注:EL越高,EL图中黄色区域亮度越高;EL越低,亮度越低,图2)。
图2 正常对照组与扩张型心肌病(DCM)组5个时相左心室腔能量损耗图。在P0和P3时相,DCM组黄色区域分别主要靠近心尖部和二尖瓣口处,而对照组充满整个室腔,表明DCM组左心收缩和舒张功能受损

三、两组5个时相左心WSS比较

与对照组对比,DCM组左心室壁P0期基底段[(0.45±0.30)N/m2 vs(0.23±0.13)N/m2t=3.929,P<0.01],P1、P2期基底段和中间段[分别为(1.24±0.39)N/m2 vs(0.93±0.40)N/m2、(0.55±0.30)N/m2 vs(0.36±0.23)N/m2、(0.29±0.08)N/m2 vs(0.12±0.05)N/m2、(0.14±0.08)N/m2 vs(0.10±0.06)N/m2t=3.140、2.795、3.928、3.196,均P<0.05],P3期各节段[分别为(0.60±0.24)N/m2 vs(0.26±0.08)N/m2、(0.47±0.29)N/m2 vs(0.14±0.04)N/m2、(0.13±0.06)N/m2 vs(0.06±0.02)N/m2t=7.662、6.433、6.285,均P<0.01]以及P4期基底段[(0.40±0.15)N/m2 vs(0.25±0.12)N/m2t=4.323,P<0.01]的WSS均减低,差异均有统计学意义。
同一时相不同节段比较,对照组左心室WSS值之间的关系为基底段>中间段>心尖段(均P<0.05),而DCM组在P0、P2及P4期的基底段与中间段WSS差异无统计学意义(均P>0.05),P1及P3期基底段至中间段WSS减低(均P<0.01)。
同一节段不同时相比较,对照组左心室各节段WSS值在P0→P1→P2→P3→P4期均表现出升高-减低-升高-减低趋势,而DCM组仅在基底段P0→P1→P2→P3期表现出升高-减低-升高趋势(均P<0.05),余节段不同时相变化差异无统计学意义(均P>0.05,表3)。对照组各时相左心室WSS条带图自基底段→中间段→心尖段均逐渐偏蓝,而DCM组无此明显变化规律(注:WSS条带图中沿左心室壁曲线越偏向红色,WSS就越大,越偏向蓝色,WSS就越小,图3)。
表3 正常对照组与DCM组5个时相左心室不同节段室壁剪应力值比较(N/m2
x¯
±s
组别 P0 P1 P2
基底段 中间段 心尖段 基底段 中间段 心尖段 基底段 中间段 心尖段
对照组(n=32) 0.45±0.30 0.30±0.22 0.11±0.07 1.24±0.39 0.55±0.30 0.08±0.02 0.29±0.08 0.14±0.08 0.06±0.02
DCM组(n=29) 0.23±0.13 0.26±0.17 0.11±0.06 0.93±0.40 0.36±0.23 0.07±0.03 0.12±0.05 0.10±0.06 0.06±0.03
t 3.929 0.936 -0.026 3.140 2.795 1.739 3.928 3.196 0.282
P <0.01 0.353 0.979 0.003 0.007 0.087 <0.01 0.002 0.779
组别 P3 P4
基底段 中间段 心尖段 基底段 中间段 心尖段
对照组(n=32) 0.60±0.24 0.47±0.29 0.13±0.06 0.40±0.15 0.27±0.14 0.10±0.07
DCM组(n=29) 0.26±0.08 0.14±0.04 0.06±0.02 0.25±0.12 0.25±0.16 0.10±0.07
t 7.662 6.433 6.285 4.323 0.495 -0.040
P <0.01 <0.01 <0.01 <0.01 0.622 0.968

注:DCM为扩张型心肌病;P0为等容收缩期;P1为快速射血期;P2为等容舒张期;P3为快速充盈期;P4为心房收缩期

图3 正常对照组与扩张型心肌病(DCM)组5个时相左心室各节段室壁剪应力图。对照组左心室室壁剪应力(WSS)条带图自基底段→中间段→心尖段均逐渐偏蓝,而DCM组无此明显变化规律,表明DCM组左心功能受损。条带图越偏向红色,WSS值越增大

讨论

2013年,VFM技术经Itatani等8改良后,结合二维斑点追踪技术,使用连续性方程式可直接测算心腔内任意位点血流速度矢量和,同时增加了室壁运动对近壁血流流体力学的影响,提高了计算速度向量的准确性和精确度。现阶段已开发了几种可视化心室腔血流的检查方法,比如心脏磁共振(CMR)、超声心动图粒子图像测速(Echo-PIV)和VFM;在这些检查中,VFM技术无需造影剂便能够可视化心室腔血流动力学状态,有着便捷、成本低、安全、诊断快等优点。因此,通过VFM分析左心的血流动力学对于准确、客观和全面评估DCM患者心功能以及早期治疗具有重要指导意义。
EL是由心腔内血液间及血液和室壁间的摩擦所产生。本研究结果显示DCM组在P0、P1以及P3期EL值是普遍减低的,EL图也显示DCM组黄色亮度较对照组均偏低,说明了EL是减低的。上述现象可能是由于DCM患者左心室收缩功能下降,LVEF减少,残留于室壁附近的血流增加,进而血流与室壁的摩擦减少,虽然DCM组左心室形成的湍流会引起EL增加,但DCM患者左心室内血流速度较健康人明显减低9,血流速度、血流间及血流与室壁间摩擦力的减小较湍流对EL的影响更大10。通过EL图对比观察分析,在P0和P3期DCM组黄色区域分别主要靠近左心室心尖段和二尖瓣开口处,与对照组形成明显差异,可能与DCM患者心肌细胞坏死、心肌纤维化有关。DCM患者心室重塑,心腔呈球形扩大,心室舒缩重心上移11,方向杂乱的血液淤滞于心尖无法有效射出,同时由于舒张功能受损,P2期形成的负压减低,导致P3期将左心房的血液抽吸入左心室的动力下降,血流射入左心室的速度及加速度均减低12。这些均表明DCM患者左心室收缩及舒张功能受损。因此,EL可作为心功能的评价指标。
WSS作为另一项血流动力学参数,其是血液流动时与心脏或血管壁内膜面的摩擦力,是血流作用于室(管)壁单位面积上的力13,与血液黏滞系数以及正交方向的速度梯度成正比,速度梯度越大,相对应WSS就越大[WSS=μ(dv/dy)],其中μ表示血流黏度系数,dy是指垂直于室壁方向上无限小的距离,dv是指垂直于室壁方向上dy处的速度,dv/dy表示剪切速率14。WSS可量化血流垂直于血管壁的剪应力,被认为是血管粥样硬化进展的预测指标15,因此,WSS与心血管疾病之间具有密不可分的联系。
本研究数据显示对照组左心室WSS值由基底段向心尖段呈现递减趋势16,而DCM组P0、P2及P4期基底段与中间段的WSS值无明显差异;对照组左心室各节段WSS在P0→P4期均表现为升高-减低-升高-减低改变,而DCM组缺乏此规律,上述变化可能与DCM患者心肌细胞坏死、室壁运动不协调、心室的舒缩功能不同步有关,间接反映了DCM组的心功能异常。DCM组P0期基底段,P1、P2期基底段和中间段,P3期各节段以及P4期基底段的WSS值较对照组均减低,这是由于DCM组患者左心收缩及舒张功能减退,射血减少,残留于心腔内的血流与心室抽吸入的血流产生低速血流冲击效应,使近壁血流与室壁作用力减小,速度阶差减小,因此对应的WSS减小17, 18。根据本研究的观察分析可见DCM患者的WSS也可以在收缩和舒张功能障碍早期以及心肌机械参数中体现出差异,因此WSS的改变同EL的减低一样也可作为评估DCM患者左心室收缩和舒张功能早期损害的指标。
本研究的局限性在于:(1)目前样本量较少;(2)由于剔除了合并中度及以上二尖瓣反流的DCM患者,导致研究存在一定的偏倚;(3)VFM仅对二维血流平面进行分析,不能体现心室腔三维实时血流图像。
综上,左心室EL及WSS的变化可较精确敏感地量化血流状态的变化,进而可较早期评估左心收缩及舒张功能,以指导干预DCM,降低病死率。目前较多学者发现,EL和WSS的改变与血栓的演变存在一定的联系,EL减低区域表明血流淤滞,WSS减低区域可促进局部斑块形成并增厚,因此EL和WSS的改变对于相关疾病心腔内附壁血栓形成风险评估、早期干预及改善预后具有重要参考意义。
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Outlines

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