Методы векторной визуализации потока: инновационная ультразвуковая методика исследования кровотока

Авторы: Аlfredo Goddi, MD1, Marianna Fanizza, MD2, Chandra Bortolotto, MD2, Maria Vittoria Raciti, MD2,

Ilaria Fiorina, MD2, Xujin He3, Yigang Du, PhD3, Fabrizio Calliada, MD2

1 Медицинский центр SME-Diagnostica per Immagini, Варезе, Италия

2 Радиологический отдел, Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo, Павия, Италия

3 Ультразвуковое отделение R & D, Shenzhen Mindray Bio-Medical Electronics Co., Ltd., Шэньчжэнь, Китай

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

ультразвук; доплерография, векторная визуализация потока (Vector Flow Imaging), визуализация плоской волны, сонная артерия.

РЕЗЮМЕ

Ультразвуковая доплерография обычно используется для выявления аномального кровотока. Тем не менее, обычная доплерография может использоваться для определения только осевой составляющей скорости кровотока и зависит от угла атаки. Был предложен новый многомерный метод, независимой от угла оценки скорости потока, который называется Vector Flow Imaging (VFI) – векторная визуализация потока. Эта методика количественно оценивает амплитуду и направление истинного вектора скорости в любом месте в сосуде и представляет более интуитивное описание движений потока. Высокая частота кадров при VFI, основанная на визуализации плоской волны, позволяет детально в динамике визуализировать сложные сосудистые профили гемодинамики, при этом демонстрируя даже переходные явления, которые в противном случае были бы неопределяемыми.

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая доплерография обычно используется для выявления аномального кровотока во многих сосудах, что основано на способности этой методики определять скорость и направление кровотока. Она основана на оценке сдвига частоты, которая возникает в случае, когда звуковые волны сталкиваются с движущимися объектами. Точность доплеровских исследований зависит от точного знания относительного направления сонографического пучка и кровотока в сосуде (т. е. от угла наклона датчика θ (угла инсонации)).

Стандартные доплеровские модальности включают цветную доплерографию, энергетическую доплерографию и спектральную доплерографию. Цветная доплерография оценивает среднюю скорость и направление крови в нескольких точках в интересующей области и кодирует ее как параметрическое цветное изображение. Это очень эффективно при обнаружении областей аномального кровотока, которые могут быть дополнительно исследованы с использованием спектральной доплеровской техники. Энергетическая доплерография похожа на цветную доплерографию, но при этом отображает интегральную мощность доплеровского сигнала, вместо его среднего доплеровского сдвига, что делает эту методики более чувствительной к низкоскоростному потоку, но не дает информации о его направлении. Спектральная доплерография отображает полный спектр скоростей по времени, однако она охватывает только небольшую зону диагностики. Однако цветные и спектральные доплеровские методики могут использоваться только для определения осевой составляющей скорости кровотока и зависят от угла наклона датчика. Они отображают неоднозначный сигнал при угле наклона датчика 90º, поэтому этот угол должен быть меньше 60º, для обеспечения точных измерений значений скоростей потока. Кроме того, цветная доплерография зависит от геометрии сосуда и построчного метода получения данных, что приводит к задержке данных о скоростях и ограничению по частоте кадров, что позволяет получать данные только с низким временным разрешением.

В системе кровообращения человека могут наблюдаться как ламинарные, так и более сложные типы кровотока. Ламинарный кровоток обычно возникает в периферических прямых кровеносных сосудах, но становится нестабильным в крупных сосудах, в зонах бифуркации и изогнутых сосудах. Это также происходит в случае положительного градиента давления и значительного замедления потока и на уровне атеросклеротических бляшек. Некоторые исследования показали, что образованию и росту атеросклеротических бляшек особенно подвержены сосуды, в которых могут быть обнаружены вихревые потоки. Такие сложные потоки не могут быть четко изучены при обычной доплерографии, поскольку она измеряет только линейную скорость, поэтому необходим новый усовершенствованный метод измерения потоков. Для оптимальной диагностики такая методика должна позволять получать как абсолютную величину скорости, так и направление потока.

В конце 1990-х годов был предложен новый метод многомерной оценки скорости потока, который был назван Vector Flow. С тех пор развиваются множество методов исследований, которые основаны на разных принципах. Используя и расширяя эти принципы, несколько производителей разработали различные методы векторной визуализации потока (VFI – Vector Flow Imaging), которые уже доступны для клинического применения преимущественно при исследовании сосудов.

VFI МЕТОДИКИ

Методика VFI – это инновационная техника, которая не зависит от угла наклона датчика и обеспечивает многомерную визуализацию скорости кровотока во всех направлениях (аксиальном и поперечном). При этом измеряются, по крайней мере, две из трех составляющих вектора скорости для расчета истинного вектора потока и самой величины скорости, что обеспечивает как пространственную, так и временную векторную информацию без необходимости какой-либо коррекции угла инсонации. VFI позволяет вычислять истинные векторы скорости в любом месте сосуда и отображать векторы скорости, распределение линии потока и распределение турбулентности.

Среди множества различных методов, предложенных для применения в диагностике сосудистой патологии, два были реализованы в коммерческих системах и подробно описаны в литературе. Первый основан на оценке фазового сдвига в поле поперечных колебаний (ТО – transverse oscillation field). Второй основан на визуализации плоской волны (PWI – plane wave imaging).

Метод TO использует одноматричный датчик для измерения двух специфических оценочных функций вектора скорости, аксиальной и поперечной составляющих, с использованием двух принимаемых концентраторов излучения. Может применяться расширенная техника с целью определения всех компонентов вектора скорости трехмерной волны, для этого используется третий концентратор излучения. Во время выполнения данной методики происходит излучение ряда последовательных импульсов, которые идентичны стандартной ультразвуковой доплерографии, а затем сравнивается разница от импульса к импульсу принятых сигналов с вычислением скорости. Чтобы уменьшить количество вычислений при оценке боковой скорости, из каждого пучка берутся только два измерения. Использование стандартного автокорреляционного подхода делает этот метод более надежным с точки зрения подавления шума в процессе измерения. Технология TO основана на стандартном процессе получения данных, и поэтому может быть легко реализована в режиме реального времени, подобно цветной доплерографии с относительно низкой частотой кадров (временное разрешение) около 15-25 Гц, которое иногда не позволяет адекватно обнаруживать в деталях все гемодинамические явления в соответствии с сердечным циклом.

Методы VFI, основанные на PWI, оценивают двухмерную векторную скорость потока с более высокой частотой кадров, что позволяет лучше описывать сложные потоки. При проведении PWI передается серия одиночных несфокусированных сонографических лучей, а не нескольких сфокусированных лучей. При использовании традиционной сфокусированной передачи обычно генерируется только один адекватный луч, тогда как более широкая область инсонации при каждой передачи импульсов, как в случае с PWI, позволяет создавать при приеме несколько параллельных лучей (рис. 1).

Рис. 1. Схема разнонаправленной передачи и приема сигналов последовательности сканирования, которая используется при векторном изображении потока на основе визуализации плоской волны.

Хотя на каждое генерируемое изображение влияет низкое контрастное и пространственное разрешение, значительное улучшение качества может быть достигнуто путем когерентной компоновки нескольких изображений плоских волн, сохраняя при этом частоту кадров, по меньшей мере, в 10 раз выше, чем при стандартном получении данных.

Число и углы передаваемых плоских волн и параллельное ретроспективное формирование луча, выполненное с нескольких углов, влияют на пространственно-временное разрешение PWI. Различные исследования, основанные на PWI методике, показали разную частоту кадров VFI, в зависимости от используемой техники получении данных. Например, исследование in vivo с использованием метода быстрой векторной скорости, использовало одну плоскую волну для отслеживания излучений и спеклов для оценки потока, предоставляя при этом истинную частоту кадров 100 Гц для получения изображения с высоким временным и пространственным разрешением. Другая методика, при которой выполняется двухмерное векторное картирование с использованием комбинированных копланарно ориентированных плоских волн, позволила обеспечить более чёткую картину динамики потока, чем обычная цветная доплерография, с частотой кадров примерно 500 Гц.

Решение, которое позволило обеспечить частоту кадров 416 Гц при VFI, называется векторной визуализацией движущейся частицы, получает истинные векторы скорости в любом месте при разнонаправленной передаче и приеме плоских волн. В частности, реальная скорость вектора, с величиной и направлением, вычисляется путем смешивания скоростей, исходящих из серии пучков по алгоритму комплексного углового компаундирования. При этом достигается непрерывная передача доплеровского сигнала, избегая переходного состояния, и, таким образом, может использоваться непрерывная фильтрация для удаления помех. Динамический поток получается путем постоянного обновления положения эритроцитов в сосуде в соответствии с рассчитанной скоростью. Для высокой частоты кадров VFI в коммерческой системе сфокусированные волны также используются для чередования с разнонаправленной передачей доплеровских сигналов для создания изображений в B-режиме с высоким разрешением.

Высокая частота кадров VFI, которая доступна в настоящее время только в одной коммерческой системе, представляет собой реализацию метода векторной визуализации движущейся частицы и генерирует частоту кадров 600 Гц, что позволяет детально описать сложный и нарушенный поток. Высокая частота кадров позволяет динамически визуализировать все гемодинамические явления, даже преходящие, которые в противном случае были бы неопределяемыми на протяжении всего сердечного цикл, при этом имеется возможность провести точное измерение их распространенность и продолжительность.

Рис. 2. Цветная доплерограмма бифуркации сонной артерии показывает реверсивный поток во внутренней сонной артерии (ICA), каротидного синуса и со стороны наружной сонной артерии (три пятна отмечены звездочкой *). Фактическое поведение потока не достаточно понятно из-за зависимости от угла инсонации.

CCA – общая сонная артерия; STA – верхняя щитовидная артерия.

По сравнению с цветным доплеровским изображением (рис. 2), наибольшими отличиями являются: методика проведения сканирования (плоская волна вместо построчного захвата), более высокая частота, независимость от угла ультразвукового луча, более точное отображение скорости крови (как величины, так и направления) и отображение гемодинамики, вместо менее точного отображения доплеровского потока (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение цветной доплерографии и высокочастотной векторной визуализации потока (VFI).

На основе этого подхода поток анализируется за 1,5 секунды (что позволяет изучать, по крайней мере, один сердечный цикл) на частотах повторения импульсов (ЧПИ) 10-15 кГц и при высокой частоте кадров (400-600 Гц, в зависимости от фактически используемой ЧПИ). Полученные данные обрабатываются сонографической системой, генерирующей последовательность из примерно 600-900 изображений, которые могут отображаться с частотой кадров 20-30 Гц и дополнительно анализироваться кадр за кадром при замедленном движении.

Независимо от технических решений для получения изображений VFI, общая обработка сигналов и изображение потока этих двух основных методов (TO и PWI) очень похожи (рис. 3).

Рис. 3. Общая диаграмма обработки сигналов для векторного изображения потока.

Для более интуитивного представления потока, отображается множество цветных стрелок, которые показывают как скорость, так и направление потока. Цвет и длина стрелки выражают величину скорости. В любой момент, и в любом месте сосуда может быть выведена скорость эритроцитов благодаря постоянному обновлению их положения (рис. 4).

Рис. 4. Изображение векторного потока бифуркации сонной артерии (в том же случае, что и на рисунке 2). Данная последовательность из шести кадров, которые получены из 900 изображений кинопетли за 1,5-секундный период, анализирует гемодинамические явления в течении одного сердечного цикла. (A) Ранняя систола, (B) систолический пик, (C) ранняя нисходящая фаза, (D) промежуточная нисходящая фаза, (E) конечная систолическая фаза, (F) диастолический пик. Визуальная оценка слоев векторного потока: четко показаны многонаправленный поток и четко определяются зоны турбулентности. Векторное изображение потока использует стрелки для указания направления потока. Цвет и длина стрелок показывают скорость, величину и направление потока. Высокоскоростные векторы (длинные красные векторы) показаны в зоне разделения потока на внутреннюю сонную артерию (наконечник стрелки) и на наружную сонную артерию (короткая белая стрелка). Участки разделения потока и рециркуляции (короткие зеленые векторы) изображены в противоположной стороне от разделения потока (*). CCA – общая сонная артерия; ECA – наружная сонная артерия; ICA – внутренняя сонная артерия; Rx -прием; STA – верхняя щитовидная артерия; Tx – передача.

Однако VFI техника также имеет ограничения. Любой метод, основанный на ЧПИ, в том числе VFI, страдает от сглаживания, что ограничивает возможность изучения потоков высокой скорости. Другим важным ограничением является то, что являясь двухмерным методом, он не позволяет точно оценить трехмерную форму линии потока.

ОСНОВНЫЕ КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ VFI

Изменения кровотока и процессы воспаления, помимо генетических и биологических системных факторов риска, считаются основными возможными причинами развития атеросклеротических поражений. Имеются данные о том, что гемодинамические характеристики определяют развитие атеросклероза: зоны поражения в основном расположены в артериальных ветвях и изгибах, где в основном и определяются локальные нарушения потока. Локальные механические и гемодинамические особенности, такие как: сдвиговое напряжение стенки, разделение потока, зоны рециркуляции и застоя, турбулентность, представляют собой дополнительные факторы, которые способствуют атерогенезу.

Таким образом, возможность правильно анализировать картину кровотока была бы важной предпосылкой для диагностики, особенно для раннего выявления патологии. Всесторонняя оценка кровотока должна отображать основные гемодинамические характеристики, а также ряд количественных параметров, таких как мгновенная скорость, направление скорости, сдвиговое напряжение стенки и объемный кровоток для каждой точки сосуда.

Техника VFI, благодаря своей независимости от угла направления луча и способности количественно оценивать векторы скорости, способна отображать реальные характеристики потока, превосходя обычные методы сонографии.

Клинические исследования, которые основаны на VFI, по-прежнему ограничены, поскольку подобные коммерческие системы только недавно были введены в эксплуатацию. Поскольку развитие атеросклеротических бляшек в зоне бифуркации сонной артерии чаще встречается при наличии вихревого потока, этот сосуд может представлять собой основную клиническую мишень. Предварительное исследование оценки скорости вектора крови in vivo на основе TO идентифицировало вихревой поток в сонной артерии у трех здоровых субъектов в фазе замедления после систолического пика, что подтвердило предыдущие экспериментальные исследования. Первое исследование in vivo было выполнено на 32 общих сонных артериях с помощью коммерческого сонографического аппарата, который был оснащенным прототипом программного обеспечения на основе TO. В этом исследовании были оценены множественные переменные, такие как пиковая систолическая скорость и конечная диастолическая скорость. При этом было показано, что параметры VFI сравнимы с обычной спектральной доплерографией при оценке угла кровотока. Первое исследование in vivo шести бифуркаций артерий в зоне каротидного синуса проводилось на экспериментальной системе, с помощью метода оценки быстрых векторов скорости, основанного на возбуждении плоской волны. Это исследование позволило визуализировать, в мельчайших подробностях, устойчивый вихревой поток во всех каротидных синусах. В другом исследовании, в котором исследовались 12 пациентов с заболеваниями сонной артерии, использовался исследовательский сканер, в котором была реализована методика двухугольной передачи плоских волн. Во время этого исследования были успешно получены как векторные изображения скорости, так и ретроспективно спектры скоростей. Недавнее клиническое исследование бифуркации сонной артерии, которое было основано на высокочастотной VFI, показало способность этой методики четко визуализировать поведение потока крови в различных зонах и состояниях анатомических структур, таких как: зона бифуркации сосудов, увеличение каротидного синуса, сужение сосудов и, главным образом, в случае вариабельных форм бифуркации сонной артерии. Это исследование также проанализировало взаимосвязь характера нарушения VFI потока с атеросклерозом. При этом было высказано предположение, что VFI имеет большой потенциал для лучшего понимания диагностической ценности сложных видов потока.

Некоторые исследователи предположили, что VFI может позволить проводить оценку сдвигового напряжения стенки сонной артерии. Однако, несмотря на то, что сдвиговое напряжение стенки, как известно, играет значительную роль при атеросклерозе, клиническое значение этой переменной еще не продемонстрировано. Тем не менее, мы считаем, что по сравнению с традиционными доплерографическими методами, дальнейшее усовершенствование коммерческих систем для измерения сдвигового напряжения, позволило бы более детально осмыслить эффекты сложных видов кровотока при формировании атеросклеротических бляшек.

Оценка артериовенозной фистулы (АВФ) для гемодиализа представляет собой новое клиническое применение VFI. Первое исследование, посвященное измерению объемного расхода в АВФ, показало, что VFI подходит для изучения этого показателя. В следующем исследовании было установлено, что измерения объемного расхода по методики TO во время диализа имеют точность 20%, по сравнению с 32%-ной точностью метода сонографического разведения, который является золотым стандартом. Затем авторы пришли к выводу, что VFI является допустимой техникой оценки объемного расхода и изменения объемного расхода в течении времени в АВФ. В ходе предварительного исследования с использованием высокочастотной VFI у 14 пациентов с аутогенными АВФ верхних конечностей было обнаружено нарушение потока с наличием векторов, направленных против стенок сосудов в 64,2% случаев. Они предположили, что сложная картина кровотока, обнаруженная при VFI, может быть причиной дисфункции эндотелиальных клеток и образования неоинтимальной гиперплазии. Они подчеркнули важность будущих исследований для подтверждения связи между нарушенным кровотоком и образованием стеноза во время формирования АВФ.

Хотя в нашей технической статье основное внимание уделяется исследованию сосудов, необходимо все же кратко описать возможности применения техники для оценки сердечной деятельности. Новое клиническое применение VFI – это точная оценка внутрижелудочкового вихревого потока, который лежит в основе тесной взаимосвязи между внутрижелудочковой картиной кровотока и функцией самих желудочков. Механизмы потока в левом желудочке уже последние несколько лет привлекают повышенное внимание кардиологов и стимулируют разработку новых методов, которые бы позволяли визуализировать движение потока крови внутри наполненных камер. Одним из ключевых аспектов кровотока внутри левого желудочка является развитие вихревого потока. Поэтому клиническая оценка картины вихревого потока является важным компонентом для понимания функции левого желудочка. VFI может также использоваться для изучения внутрисердечного кровотока через клапаны при их патологических изменениях, или при гипертрофической кардиомиопатии, для оценки взаимодействия между потоком внутри желудочка и движением створок. Разница между исследованиями сосудов и кардиодиагностикой заключается в специфике доступа при изучения сердца. Однако подробное описание этой методики выходит за рамки технической стороны этой статьи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

VFI – эффективный метод для более точной оценки кровотока, в частности сложного потока. Данная техника позволяет провести количественное измерение скорости и направления на заданном участке сосуда, что может быть четко отображено графически. Высокая частота кадров VFI позволяет динамически визуализировать все явления потока, в том числе переходные явления, которые в противном случае были бы неопределяемыми. Эта новая информация может дополнять цветную и спектральную доплерографию в различных ситуациях. Объёмный расход и сдвиговое напряжение стенки – параметры, которые определяются при VFI и расширяют диагностические критерии при оценке сосудистой патологии. Для принятия VFI в качестве стандарта необходимо провести клинические многоцентровые исследования в большой популяции пациентов. В настоящий момент VFI остается двумерным методом и не позволяет точно понять реальную трехмерную форму линии тока, в то же время для количественного определения всего потока требуется трехмерная векторная оценка.