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MichalSch?fer,etal.IncreasedsystolicvorticityintheleftventricularoutflowtractisassociatedwithabnormalaorticflowformationsinTetralogyofFallot.TheInternationalJournalofCardiovascularImaging

摘要

主动脉病变是法洛四联症(TOF)公认的并发症。尽管主动脉瓣解剖结构正常和早期手术修复可使主动脉大小正常，但修复后TOF患儿的主动脉血流仍有异常。本研究的目的是使用4D血流MRI衍生的涡流强度(简称涡度)探究修复后TOF患儿左心室(LV)内的血流动力学。涡度是流速的空间导数，对解剖和几何变化比较敏感。在收缩期射血阶段，我们计算了主动脉大小正常(n=14)和正常对照(n=10)的修复后TOF患儿LV内的涡度。所有受试者均接受了全面的双心室分析，包括基于MRI的特征跟踪LV应变分析和机械不同步分析。右心室(RV)容积指数和LV机械指数与LV的涡度相关。所有TOF患者的升主动脉内均有超生理性螺旋血流。与对照组相比，TOF组在LV容积上产生的收缩期峰值涡量增加(中位值:vss-1，P0.)。TOF患者LV机械不同步性增加(47±11vs32±7ms，P0.)，LV整体周向应变降低(19±2vs21±2%，P=0.02)。在TOF组，LV收缩期涡度与RV大小和LV机械指数无关。修复后TOF患儿的病理主动脉血流与左室内异常喷射流模式相关。收缩期涡度增加与LV机械不同步和RV扩张无关，这表明左室内的收缩期血流独立于左室收缩力学减弱和心室间的相互作用。

图1收缩期LV的速度和涡度矢量场a.分段后LV的射血期。速度矢量场描述了血流加速的性质。b.LVOT血流动力学的放大图。血流路径外缘红细胞颗粒的理论表示:心内膜表面附近的红细胞暴露于不同的速度剪切层，导致颗粒在从时间点t1到t3的喷射过程中沿其轴旋转。这种旋转的幅度由涡量矢量场表示。c.涡流场主要沿LV腔的心内膜表面产生。图2TOF患者的血流可视化和涡度计算过程A.分段LV腔和胸主动脉描绘了通过叠加在常规4腔视图上的速度路径线可视化的收缩期峰值血流。解剖LV边界由LV心内膜边界(红色)、前二尖瓣小叶(MVL黄)、后二尖瓣小叶(PML绿)和室间隔缺损补片位置(VSD虚线白)表示。B.计算出的速度矢量场(红色箭头)叠加在收缩期峰值时描绘的速度路径上。C.心室向上的短轴视图描绘了左室内涡度向量场(t1到t4)的收缩演化。D.路径可视化用于定性分析通过收缩期传播的主动脉血流。E.以热图的形式分析了升主动脉从窦管交界处到第一弓处血管起点水平的粘滞能量损失(EL)。图3主动脉血流形成和LV流出道中形成的涡度矢量场的放大图在TOF患者中(左上)，沿着升主动脉的内部曲线的超生理螺旋流与LV流出道中的不规则喷射流模式相关联(左下)，与对照(右下)相比产生了更混乱的涡度向量场。在TOF的LV中产生的速度向量场被拉长，并且与对照组相比相对更强。讨论

之前在一项基于4D血流MRI的研究中，针对于婴儿期接受完全修复的TOF儿童患者，我们发现这类患者的升主动脉中存在异常血流形成的高患病率，尽管主动脉大小正常，但仍有异常血流形成的现象。当前研究的主要发现是，这些患者的LV腔内的收缩期涡度增加，并且心内涡度与升主动脉中观察到的异常二次流的程度相关。这一发现表明，在TOF中观察到的异常主动脉血流形成可能与异常解剖和主动脉瓣下血流动力学有关。此外，LV收缩涡度增加和LV机械不同步与RV扩张并无关联，这表明心室间相互作用和LV收缩功能减弱可能在通过左室流出道（LVOT）的血流轨迹的性质中没有起到重要作用。因此，我们推测，修复后TOF中主动脉血流形成异常的原因之一是解剖LVOT异常内在的固有副作用，不能通过改变手术策略来缓解。因此，修复后TOF患者可能长期下易形成异常和潜在病理性主动脉血流，并对主动脉壁重构产生相关的负面影响。

TOF中LVOT的涡度

由异常压力梯度、流体血流动力学和血流特征描述的病理性心室内血流动力学先前已证明与机电不同步、心肌变形减少和LVOT形态学相关。心血管系统中涡度的产生主要取决于解剖几何形状和速度梯度。引起局部流体旋转的剪切速率可以用空间流速梯度来描述，其在血管壁处最大(血管壁处基本上没有血流)。因此，涡流主要沿血管和心室的内表面产生，TOF患者LVOT涡度的不规则分布很可能是由于TOF固有解剖特征LVOT形态学改变所致。左室收缩期涡度升高也与我们之前观察到的TOF患者升主动脉血流动力学壁剪切应力增加相对应，因为这两个指标都需要计算剪切速率。既往研究使用右心室的涡度和动能来研究修复后TOF患者的血流动力学状态。据我们所知，我们是唯一一个结合升主动脉中观察到的异常血流形成研究LV收缩期涡度(即瓣膜下方的血流动力学)的小组。本研究未探讨主动脉中二次血流观察值的程度与不同LV流出道形态之间的机理关系。这样的研究需要仔细地计算流体动力学建模方法与观察到的4D-流动MRI数据相结合。然而，观察到的主动脉粘滞能量损失程度与左室产生的涡度之间的正趋势提示了沿着LV主动脉轴的血流动力学关系。

其他研究人员在肥厚性心肌病患者中应用超声心动图血流向量成像来确定等体积收缩期和射血期LV血流状况与LVOT几何形状高度相关。不幸的是，如果没有全面的高时间分辨率，很难可靠地将LVOT的解剖成分与速度矢量场相关联。我们推测，错位的右旋主动脉根部和无运动性的外科补片组合导致了射血模式改变，从而产生了在修复后TOF患者中观察到的病理性血流形成。本研究中未评估的其他因素也可能影响通过LVOT的血流。例如，舒张末期汇集血液的动量和流体血流动力学的方向会影响射血质量。因此，舒张功能障碍和LV前负荷降低也可能影响收缩期血流动力学。

涡度和LV力学

影响心血管系统中涡度产生的其他因素是速度梯度和流动方向性。心室中血流动力学力的方向性决定了血流的加速路径。从逻辑上讲，这条路径应该主要出现在顶端到底部的方向。Sj?berg等人描述了修复后TOF的患者LV内收缩期血流动力改变后的分布。具体而言，他们描述了高比例的血流动力作用于外侧至室间隔方向的LVOT，以及增加比例的下前侧力导致血流动力失调的程度更高。这些发现与我们在TOF组中观察到的不规则涡度向量场有很强的相关性。之前的研究已经发现，血流动力改变与心力衰竭、心肌疾病和TOF中的机械性心肌不同步相关。我们认为，延迟室间隔心肌激活和所导致的不同步LV收缩可能在心室内产生异常的压力和速度梯度，导致血流加速效率低下，与流向LVOT的原始血流不一致。我们观察到机械不同步性和LV收缩涡度之间存在中度相关性，表明心肌收缩效率和所产生的血流模式之间存在生理关系。然而，我们承认，观察到的关系主要是由于二元分散分布，与TOF组特有的无显著相关性。为了进一步研究这种流体-组织相互作用的关系，应考虑采用更高时间分辨率的成像技术和更先进的LV机械收缩效率测量方法，如机械性不协调等。

在这项研究中，我们没有观察到左心室整体心肌应变和涡度之间的直接关系。许多应用基于磁共振成像的特征或超声心动图斑点追踪方法的研究报告了成人和儿童TOF患者LV整体纵向和周向应变降低。同样，我们观察到整体周向应变降低，整体纵向应变略微下降但并不显著。本研究中相对较小的样本量可能影响了我们的发现。TOF中LV心肌表现的纵向监测在检测危及生命的心律失常和心源性猝死方面具有预测价值，因此在该患者群体中具有重要意义。LV应变指数与涡度之间缺乏相关性的原因可能是应变指数反映了特定取向心肌纤维的整体心肌变形和健康状况。值得注意的是，Arvidsson等人描述了不同类型的心力衰竭患者中血流动力学失调与整体纵向应变之间的负相关。进一步研究心肌异常收缩模式与血流加速之间的关系需要更大的异质性患者群体。

血流动力学异常和渐进性主动脉扩张

进行性主动脉根部扩张是否由慢性血流动力学改变引起尚不清楚。尽管TOF患者中需要外科治疗的主动脉事件的发生率很少，但大多数权威人士认为，主动脉扩张和主动脉瓣功能障碍主要导致了病理主动脉血流和剪切血流动力。在本研究和我们之前的研究中，所有TOF患者的主动脉大小均正常，主动脉瓣功能正常。但主动脉血流存在异常。由于右心室扩张程度和左室收缩涡度之间缺乏临床意义上的相关性，我们认为心室间相互作用和肺动脉瓣反流的严重程度并不直接影响左心室和主动脉血流动力学。这一发现得到了先前研究的支持，这些研究表明，在行肺动脉瓣置换术降低右心室容量负荷后，左心室血流动力和动能并未改变。在TOF完全修复后，我们认为导致主动脉大小正常化的主要因素是早期缓解主动脉容量超负荷。尽管在婴儿期修复后主动脉大小可恢复至正常，但主动脉顺应性仍会有所下降。加速主动脉硬化和病理血流形成对主动脉扩张和主动脉瓣功能的长期影响尚不清楚。考虑到导致主动脉大小正常化的早期修复仅在20年前就开始成为常规实践的一部分，因此需要对主动脉和LVOT的血流动力学以及生物力学状态进行更长时间的随访和描述记录。研究的下一步应该是评估成人TOF患者血流动力学、主动脉扩张和主动脉根部病理学。

局限性

这项研究有几个局限性。首先，4D血流MRI的时间分辨率非常有限，我们只能研究仅分布在4-5个心动时相之间的收缩期血流模式。因此，收缩期峰值涡度可能被低估。其次，本研究没有考虑主动脉根部的血流动力学研究，而主动脉根部也受到TOF解剖异常的影响。涡度计算所需的LV腔分割相对直接，这是因为其清晰的解剖学特征描绘了LV腔，包括环形结构和室间隔。然而，主动脉根部是一个复杂的三维结构，4D血流MRI数据集很难对解剖边界进行标准化。第三，4D血流MRI数据集进一步与次优空间分辨率相关；因此，计算空间梯度导数以确定变量如涡度或血流动力学壁剪切应力可能与重要的分析误差相关。我们试图通过在所有考虑的情况下遵循相同的成像和后处理协议来减少错误传播。最后，该研究受到相对较小的样本量限制，无法进行稳健的相关性分析。本研究是较大的回顾性研究中一部分，对于4D血流MRI数据集的质量具有严格的纳入标准，故限制了总体样本量。总的来说，这项研究尚处于初步阶段，我们也希望有更多的研究可以

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