-2016

Vector Flow Mapping (VFM) векторное картирование кровотока

Обзор технологии VFM. Перевод на русский язык выполнен в компании ООО "Рус-эксп" с буклета Hitachi ALOKA. Перевод защищен авторским правом. Несанкционированное копирование запрещено. Данный режим используется на внешней рабочей станции врача УЗИ DAS-RS1, а также на ультразвуковом аппарате экспертного класса Prosound F75 Premier от Hitachi ALOKA.


Принцип метода векторного расчета на основе сохранения постоянной скорости потока через поперечное сечение
(автор Keiichi Itatani: Departments of Cardiovascular Surgery and Hemodynamic Analysis, Kitasato University School of Medicine)

VFM (Vector Flow Mapping) является методом представления кровотока в виде векторного распределения, что обеспечивает визуализацию векторных распределений скоростей потока в просвете сердечных камер и сосудов. Основой для данного векторного представления является анализ черно-белого изображения, полученного в B-режиме для камер сердца и сосудов, а также данные цветового допплеровского анализа скорости в их просвете. Черно-белое B-изображение в данном случае необходимо для обеспечения спекл-трекинга сердечной и сосудистой стенок.


Рисунок 1 : Структура метода VFM

Чтобы представить кровоток как вектор в двумерном поперечном сечении необходимы данные по скоростным компонентам в двух ортогональных направлениях. Скорость кровотока в направлении ультразвукового луча может быть легко получена допплеровским методом. Ортогональный же компонент скорости не может быть получен посредством прямых измерений.


Рисунок 2: Направление луча, излучаемого датчиком, и перпендикулярное направление

Для получения ортогонального компонента используется принцип сохранения потока в поперечном сечении (уравнение непрерывности). Уравнение непрерывности описывает сохранение потока в точке входящего кровотока и точке исходящего кровотока, что используется, например, для расчета площади клапана при стенозе аортального клапана.


Рисунок 3: Уравнение непрерывности и сохранения потока

Для повышения точности анализа происходит разбивка просвета сосуда на множество малых поперечных сечений (элементов), в которых сохраняется постоянный кровоток в направлении, ортогональном ходу луча. Данный ортогональный кровоток вычисляется сначала для элементов, находящихся вблизи стенки (камеры или сосуда), исходя из измерений спекл-трекинга, которые дают данные о скорости движения стенок. Далее последовательно, исходя из уравнения непрерывности потока, вычисляются ортогональные скорости для остальных элементов.

Таким образом, для каждого элемента становятся известными два вектора скорости (по ходу луча датчика, полученный допплеровским методом, и в ортогональной плоскости, вычисленный согласно вышеописанной методике). Третий, результирующий вектор (вектор VFM), вычисляется в результате анализа этих двух векторов.


Рисунок 4: Метод расчета поперечной скорости потока

Теоретические основы метода VFM

Как следует из вышеописанной теории, для использования метода VFM необходимы следующие условия:
1. Зона интереса цветового допплера охватывает всю полость сердца
2. Достаточно качественное B -изображение стенок сердца и сосудов
3. Частота Найквиста подобрана таким образом, чтобы минимизировать аляйзинг эффект на цветовом допплере
4. Частота кадров имеет максимальные значения

Расчет гемодинамических индексов

Метод VFM , благодаря визуализации распределения векторов кровотока, позволяет рассчитывать различные гемодинамические параметры, в том числе и те, которые вычисляются с помощью использования компьютерных гидродинамических моделей (напряжение сдвига на стенке, потеря энергии кровотока, и т.д.)

Вихревые потоки

Вихревые потоки отражают интенсивность и направления вращательного движения кровотока в области фокусировки. Векторы скорости кровотока имеют продольные и поперечные компоненты, которые могут увеличиваться или уменьшаться в продольном или поперечном направлении. Для вычисления интенсивности кровотока против часовой стрелки (т.е. левовращательный компонент), продольное увеличение/уменьшение поперечной скорости кровотока должно быть вычтено из поперечного увеличения/уменьшения продольной скорости кровотока.

Таким образом:

Вихревой поток = (поперечное увеличение/уменьшение продольной скорости кровотока) – (продольное увеличение/уменьшение поперечной скорости кровотока).

Вихревой поток с положительным значением отражает присутствие левовращательного кровотока (отмечается красным цветом). Вихревой поток отрицательной величины отражает присутствие правовращающего кровотока (отмечается синим цветом) (Рисунок 5).


Рисунок 5 : Картирование вихревых потоков.

Циркуляция (circulation) является параметром, отражающим направление и величину вращательной силы в определенной области. Этот параметр теоретически соответствует сумме завихренностей в определенной области.

Потеря энергии кровотока

Кровь является вязкой жидкостью, благодаря чему в областях турбулентности генерируется теплота трения. Энергия этой теплоты трения получила названия потери энергии кровотока 1 . Интенсивность турбулентных потоков представляется на основе степени пространственной дисперсии векторных скоростей кровотока, перемножая которые вычисляется потеря энергии кровотока. Потеря энергии велика в области большого разброса векторов скорости и мала в области ламинарного кровотока.

На рисунке 6 показаны примеры турбулентных потоков с выраженной потерей энергии. Например, интенсивный поток образуется в области стеноза при сосудистом анастомозе, при стенозе сердечного клапана, при клапанной регургитации, в результате чего большой разброс скоростей вызывает значительные потери энергии.

В области, где скорость потока имеет сверхвысокие значения, превышая в несколько раз лимит Найквиста, образуются аляйзинг эффекты на цветовом Доплере, что препятствует правильному определению векторов скоростей кровотока методом VFM, и соответственно, правильному вычислению потери энергии кровотока. Таким образом, сверхвысокие скорости кровотока являются ограничением данного метода.

Рисунок 6: Патологический кровоток вызывает значительные потери энергии.

Пристеночное напряжение

Пристеночное напряжение - это сила, непосредственно воздействующая со стороны кровотока на эндокард сердца и интиму сосудов. Данный параметр может быть вычислен на основе градиентов пристеночной скорости кровотока. В настоящее время считается, что пристеночное напряжение вовлечено в дегенерацию интимы и разрушение бляшек, таким образом, это достаточно клинически значимый параметр.

Ссылки на литературу:

1) Itatani K, Okada T, Uejima T, Tanaka T, Ono M, Miyaji K, Takenaka K. Intraventricular flow velocity vector visualization based on the continuity equation and measurements of vorticity and Wall Shear Stress. Jpn J Appl Pysic in-press

2) Sengupta PP, Pedrizzetti G, Kilner PJ, Kheradvar A, Ebbers T, Tonti G, Fraser A, Narula J. Emergin trends in CV flow visualization: J Am Coll Cardiol Img 5 (2012) 305-16

ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДА

Контроль векторного распределения скорости кровотока, полученного методом VFM (Takashi Okada: Hitachi Aloka Medical, Ltd.)

С целью оценить точность определения векторов скоростей кровотока методом VFM , мы создали фантом левого желудочка, позволяющий акустически и оптически наблюдать кровоток. В качестве контроля для определения поля скоростей в области левого желудочка нами был использован метод цифровой трассерной визуализации PIV (Particle Image Velocimetory). Результаты данного контрольного метода были сопоставлены с результатами метода VFM.

Определение поля скоростей требует использования соответствующего измерительного прибора, который реализует метод PIV. В данном методе луч лазера стробоскопически облучает поле скоростей. Частицы небольшого размера вносятся в поле скоростей, в результате чего траектория этих частиц может быть заснята на камеру. Далее на основе этой картины могут быть вычислены локальные скорости. Установка для PIV показана на Рисунке 7.

Созданный нами фантом левого желудочка обладал границами и модулем Юнга, сходными с реальным левым желудочком сердца. В качестве материала использовался прозрачный полиуретан. Индекс преломления данного материала составил примерно 1,47. Искусственные клапаны, используемые в качестве аортального и митрального, эквиваленты используемым в клинических целях. Резервуар с водой был сделан таким образом, чтобы обеспечить изменение давления и пульсацию фантома. Ультразвуковые и оптические изображения могли быть получены как с границ, так и из полостей. Установка PIV в данном эксперименте обладала двумя камерами (т.н. стерео PIV ), что позволило наблюдать поток в поперечном сечении в 3D фантоме.

Рисунок 7: Контрольное исследование с помощью цифровой трассерной визуализации ( PIV ) 

Результаты сопоставления PIV и VFM показаны на рисунке 8. Изображение снаружи кардиальной камеры вырезано. Миграция частиц, фиксируемая методом PIV , показана на правой верхней части рисунка. На правой нижней части показано распределение векторов скоростей, полученное с помощью PIV . На левой верхней части рисунка показано ультразвуковое изображение сердечной камеры в В-режиме, совместно с цветовым Допплером, полученное в тот же момент времени, что и PIV -изображения. В левой нижней части рисунка представлено распределение векторов скоростей, вычисленное с помощью VFM. Мы видим, что вихри, зафиксированные методом PIV , совпадают с вихрями, зафиксированными с помощью VFM . Стандартное отклонение скоростей VFM составляет приблизительно 10% от диапазона скоростей в цветовом допплере.



Рисунок 8: Сравнение векторов одного и того же поперечного сечения (методы VFM и PIV )

КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ

VFM в норме
(Marie Stugaard and Satoshi Nakatani: Department of Functional Diagnostic Science, Area of Medical Technology and Science, Osaka University Graduate School of Medicine)

Диастола

Во время ранней диастолы происходит быстрое наполнение левого желудочка от основания до верхушки, по мере его расширения. Рисунок 9 показывает 2D векторы скоростей во время раннего наполнения у здорового мужчины 25 лет. Относительно сильное завихрение развивается по передней створке митрального клапана в сторону переднесептальной стенки (выделено синим цветом). Другое, небольшое завихрение, развивается относительно задней створки митрального клапана в базальной части желудочка в сторону заднелатеральной стенки. На Рисунке 10 показаны векторы скорости вращательного движения в направлении по часовой стрелке (синий цвет) в сторону переднесептальной стенки и против часовой стрелки (красный цвет) в сторону заднелатеральной стенки. Больший вихревой поток движется в сторону средней части желудочка и увеличивается в размере во время диастаза, как показано на Рисунках 11 и 12. Во время позднего наполнения имеется картина, сходная с ранней диастолой, с преимущественным завихрением по часовой стрелке относительно передней митральной створки, как показано на Рисунках 13 и 14.

Систола

В норме происходит быстрое движение крови по длинной оси левого желудочка от его верхушки к основанию в сторону выносящего тракта. Поток усиливается по мере приближения к основанию, формируя сильное завихрение в области закрытой передней створки митрального клапана. На Рисунке 15 показана типичная апикальная позиция длинной оси левого желудочка здорового человека с двумерными векторами скорости в сторону выносящего тракта и круговые потоки по часовой стрелке в сторону передней митральной створки. На Рисунке 16 показано соответствующее векторное изображение.

Состояние после замены клапана (Tokuhisa Uejima: Department Of Cardiology, Cardiovascular Institute Hospital)

Структура кровотока, наблюдаемая в левом желудочке с протезированным митральным клапаном, значительно отличается от наблюдаемой в норме.

Женщина 78 лет, в анамнезе замена аортального и митрального клапанов на искусственные 10 лет назад. Поток через митральный клапан направлен в сторону межжелудочковой перегородки, формируя сильное завихрение против часовой стрелки (Рисунок 17). Постепенно завихрение уменьшается в размере и скорости (Рисунок 18). Во время систолы скорости возрастают и кровь выбрасывается из левого желудочка. Направление завихрения может быть оценено на векторных картах скорости, однако, это проще сделать на вихревых картах. Завихрение большой части кровотока во время диастолы против часовой стрелки отображено красным цветом на вихревой карте (Рисунок 19). На карте потери энергии вы можете увидеть рассеивание энергии вихревого потока во время диастолы (Рисунок 20). Это рассеивание может быть связано с распадом и замедлением вихря в позднюю фазу.

Апикальная позиция длинной оси.


Апикальная аневризма левого желудочка
(Nobuyuki Ohte: Department of Cardio-Renal Medicine and Hypertension, Nagoya City University)

Пациент : Мужчина 65 лет, в анамнезе инфаркт переднесептальной области. Фракция выброса левого желудочка 54,8%, конечный диастолический объем левого желудочка 88,8 мл/кв.м , конечный систолический объем левого желудочка 40 мл/ кв.м .

Во время сокращения предсердий завихрение кровотока образуется сразу после створок митрального клапана. За передней митральной створкой мы видим завихрение по часовой стрелке, тогда как за задней митральной створкой присутствует завихрение против часовой стрелки. По задней стенке левого желудочка кровь в сторону верхушки движется без завихрений. Данные особенности кровотока могут быть наглядно представлены с помощью VFM (Рисунок 21).

Завихрения двигаются по направлению к верхушке, постепенно исчезая во время фазы изоволюмического сокращения. После открытия аортального клапана кровь выталкивается в сторону выносящего тракта, заглушая вихри (Рисунок 23, 24). Во время фазы изоволюмического расслабления наблюдается ток крови от верхушки к основанию левого желудочка (Рисунок 25).


Во время ранней диастолы митральный поток также вызывает завихрения за обеими митральными створками. Кровоток без завихрений направляется в сторону верхушки левого желудочка, однако, его интенсивности не хватает для достижения верхушки, вследствие наличия апикальной аневризмы, уменьшающей силу всасывания. Во время диастаза вихри, возникшие в раннюю диастолу, движутся навстречу верхушке левого желудочка. Другое завихрение формируется в полости аневризмы.




Анализ кровотока при левожелудочковой дисфункции (с асинхронией и без нее) (Tomoko Ishizu and Yoshihiro Seo: Cardiovascular Division, University of Tsukuba)

Диастола

На рисунке 28 представлены траектории сердечного кровотока у мужчины 65 лет с сердечной недостаточностью. Во время раннего наполнения на кадрах от 1/15 до 3/15 видны следы завихрений позади передней створки митрального клапана. Во время диастаза внутрижелудочковое завихрение медленно перемещается от основания к верхушке, занимая всю камеру (кадры 4/15 и 5/15). Другие небольшие завихрения появляются во время сокращения предсердий.


Рисунок 28: Профиль кровотока в дилатированном левом желудочке с асинхронией. Номер кадра (из 15) отображен в правом верхнем углу.

Систола

Во время фазы изгнания образуется другой вихревой поток по часовой стрелке (кадр 12/15), который отсутствует в норме. Среднесистолический вихрь в апикальной области характеризуется потерей энергии 2.65×10 -3 Н/с. Средняя потеря энергии в зоне интереса 1.10 Н/с (Рисунок 29А).

После сердечной ресинхронизирующей терапии (cardiac resynchronization therapy, CRT) среднесистолическое завихрение уменьшилось и вычисленное значение потери энергии составило 1,06×10 -3 Н/с со средней потерей энергии в зоне интереса на уровне 0.70 Н/с (Рисунок 29В). Данные результаты свидетельствуют о наличии выраженных энергетических потерь в связи с образованием патологических завихрений, которые могут быть нивелированы с помощью CRT .


Рисунок 29: Потери энергии в апикальной области левого желудочка во время средней фазы систолы. Линии потока и энергетические потери картированы в апикальной позиции длинной оси до (А) и после (В) ресинхронизирующей терапии. Желтые окружности обозначают зону интереса, в пределах которой рассчитываются потери энергии. Потери энергии вычислялись исходя из двумерных векторных данных, основываясь на теории вязкостного рассеивания энергии, и представлялись в виде суммарной величины, а также среднего значения в пределах зоны интереса.


Новорожденный с двойным отхождением магистральных сосудов от правого желудочка, транспозицией крупных артерий, коарктацией аорты и открытым артериальным протоком
(Takashi Honda: Department of Pediatrics, Kitasato University Hospital)

У новорожденного с выраженным цианозом были диагностировано двойное отхождение магистральных сосудов от правого желудочка, транспозиция крупных артерий, коарктация аорты и открытый артериальный проток. После оперативного вмешательства в дуге аорты и сшивания легочных артерий на 7 день усилились симптомы сердечной недостаточности: снизились оксигенация и увеличение массы тела (72%, [5 л/мин] и 4 г/день соответственно), выявлены кардиомегалия (по данным рентгенографии) и высокий уровень мозгового натрийуретического пептида (413.9 пг/мл).

С помощью метода VFM было показано, что одной из причиной низкой оксигенации является недостаточное смешение крови в области дефекта межжелудочковой перегородки (Рисунок 30). Показано также наличие субаортального стеноза, что вызвало перегрузку сердца давлением.

Было выполнено наложение анастомоза по Damus-Kaye-Stansel и кондуит между правым желудочком и легочной артерией. После этого оксигенация и показатель увеличения массы тела улучшились, уменьшилась степень кардиомегалии, снизился уровень мозгового натрийуретического пепида.

Таким образом, VFM является новым и полезным методом, позволяющим диагностировать сложные гемодинамические нарушения и подбирать оптимальную оперативную стратегию у детей с комплексными врожденными пороками сердца.


Единственный желудочек
(Taiyu Hayashi: Department of Pediatrics, University of Tokyo)

VFM анализ демонстрирует недостаточный внутрижелудочковый кровоток у мальчика 8 лет. Рудиментарный левый желудочек расположен слева и позади от единственного правого желудочка. Во время диастолы не наблюдается наполнения рудиментарного левого желудочка. Тем не менее, во время систолы в рудиментарном левом желудочке наблюдаются энергозатратные вихревые потоки.

Купить программное обеспечение DAS-RS1 для внешней рабочей станции с программным модулем Vector Flow Mapping (VFM) или аппарат УЗИ PROSOUND F75 Premier можно купить в нашей компании, написав запрос на электронную почту info@rus-exp.com или позвонив по телефонам (495) 972-24-18 или (495) 972-92-14.

Программное обеспечение совместимо только с цветными ультразвуковыми аппаратами HITACHI / ALOKA. Обрабатываются "сырые" данные.

Вернуться в каталог