人体主动脉血流速度波形畸变的研究
赖小今 侯文贵 王鹏巨 魏连忠 虞元荪 何意亭 李树森 胡继红
应用超声多普勒对存在非线性因素的17名主动脉瓣关闭不全患者的升主动脉、主动脉弓以及腹主动脉进行分段逐点测试血流速度波，并与年龄相匹配的15名健康受试者为对照进行前瞻性研究，以探讨人体动脉系统中血流波形畸变的规律及激波的存在。结果表明：患者组主动脉各段均测及2～3处突然出现的畸变血流速度波形，畸变波高尖陡峭，其峰值流速PFV169～253cm/s，畸变波在血管内的传播符合非线性条件下激波的传播特点。患者组主动脉流速波形的其它指标与正常对照组比较均存在明显变异(P<0.01)。
关键词：超声心动描记术；主动脉；血流速度
为探讨动脉系统中血流波形畸变的规律及激波的存在，本项研究应用超声多普勒检测血流速度波，对主动脉瓣关闭不全(心脏非线性输出)患者的升主动脉，主动脉弓及腹主动脉进行分段逐点测试，并与年龄相匹配的健康受试者为对照，进行前瞻性研究。
, 百拇医药
1 资料和方法
1.1 研究对象
本研究测试对象分为二组。患者组17例，均为主动脉瓣关闭不全患者，病因主要有风湿性心脏病、心肌病、主动脉瓣炎等，男性11例，女性6例，平均年龄58.3±3.7岁，主动脉瓣口返流(AR)程度均在中度以上，返流速度(负向频移)最低为170cm/s，最高达221cm/s，平均返流速度为197.73±19.1cm/s。经体检、心电图、X线以及常规超声心动图等辅助检查，排除了心血管疾病及其它系统重要疾病。两组受试者均抽血测定血液粘滞度。
1.2 仪器
采用美国惠普公司生产的HP500型、HP2000型多功能彩色多普勒仪。探头频率2.0～3.5MHz。该仪器具有描记M型超声心动图、二维超声心动图、脉冲多普勒、连续多普勒以及彩色血流显像功能，配置有电影回放系统及计算机自动分析装置，能够准确索取本研究所需的各项参数。
, 百拇医药
1.3 测试方法
分三个部位测试主动脉多普勒血流频谱，在彩色血流显像引导下进行定点取样测试。
(一)主动脉根部：取心尖左室长轴移行切面，充分显示主动脉根部，该切面对主动脉根部可显示段达12～16cm，从主动脉瓣环起每隔2cm作为一个测试点，共取6个测试点。
(二)主动脉弓部：取胸骨上凹方位，充分清晰显示主动脉弓，从无名动脉分叉处近主动脉口方向3～4cm起每隔2cm作为一个测试点，共取6个测试点。
(三)腹主动脉：取剑下腹主动脉长轴，充分显示腹主动脉，从腹腔动脉分叉处开始自上而下每隔2cm作为一个测试点，共取10个测试点。
上述分段逐点测试过程中，在彩色血流引导下多普勒取样容积始终置于血管中轴部位，对于血流方向与声束之间夹角(θ角)较大的测试点，采用仪器配置的角度纠偏系统进行角度纠偏，使夹角θ尽量减小到20°以下(θ≤20°)。以获得各测试点理论上的最大血流速度波形。各项测试指标均从同一心动周期中采取。为排除每搏舒张间期变异及呼吸的影响，取连续8个心动周期的均值为最终测试结果。
, 百拇医药
1.4 主要测试指标
各测试点主动脉内径，主动脉峰值血流速度(PFV cm/s)、血流加速度(ACR cm/s2)、血流加速时间(AT ms)、血流减速度(DCR cm/s2)、血流减速时间(DT ms)、射血时间(ET ms)、血流速度积分(FVI cm)。
1.5 统计学处理
本研究各项指标的统计均采用均值±标准差(±SD)表示。所测主动脉血流频谱指标，各测试段(主动脉根部、主动脉弓及腹主动脉)分别计算变异系数CV，将两组受试者各测试段各项指标的变异系数进行团体比较(t检验)。
2 结果
2.1 受试者一般资料对照
从表1中可以看出，二组受试者年龄匹配，病人组为明显主动脉瓣返流(AR)患者，且全血粘滞度较对照组高，相差显著(P<0.05)，即耗散(粘性)因素病人组较对照组明显。
, 百拇医药
表1 受试者一般资料的对照
年龄
全血粘滞度
(mpa.s)
AR速度
(cm/s)
对照组
57.2±4.3
4.41±0.37
(-)
患者组
58.3±3.7
, 百拇医药
7.01±0.43
197.73±19.1
P值
>0.05
<0.05
(-)
2.2 受试者各测试点主动脉内径的对照
对各试点的主动脉内径逐一测量，两组受试者的各段主动脉内径均无显著差异(P>0.05)，即使在测及畸变高速血流处的血管内径也无明显增宽及变窄现象。
2.3 受试者峰值血流速度(PFV)的对照
在对受试者主动脉各段逐点测试PFV过程中，病人组主动脉各个部位均测及2～3个突然出现的畸变血流速度波形，畸变波形态高尖陡峭，其中主动脉根部的畸变波流速峰值PFV最低为169cm/s，最高达253cm/s，主动脉弓畸变波PFV179～219cm/s，腹主动脉畸变波PFV169～198cm/s。对照组主动脉各段均呈比较平稳的流速波形，PFV均在125cm/s以内，对照组未见显著增高的畸变波。
, 百拇医药
主动脉各段PFV平均值病人组高于对照组，相差显著(见表2)。 在出现畸变波的17名病人组中，畸变波的出现与演变呈现一定规律性，畸变波隔3～4个测试点出现一次，从主动脉根部至腹主动脉，随着测试点远心端距离增大，其PFV呈递减趋势，但畸变波出现的具体部位及次数无特定规律。
我们对二组受试者主动脉各段每一测试点的PFV之变异系数(CV)进行团体比较(见表3)。从表中看出，在主动脉各个段，无论是主动脉根部，主动脉弓或是腹主动脉病人组PFV的变异系数均较对照组显著增高，相差非常显著(P<0.01)。
表2 受试者主动脉PFV平均值(cm/s)对照组
主动脉根部
主动脉弓
腹主动脉
患者组
, 百拇医药
139.72±14.37
129.70±8.69
115.85±9.68
对照组
117.23±4.31
101.67±5.60
88.71±3.83
P值
<0.05
<0.05
<0.05
表3 受试者主动脉PFV变异系数比较
, 百拇医药
主动脉根部
主动脉弓
腹主动脉
患者组
37.72±4.61
42.63±3.76
44.07±4.81
对照组
6.21±1.31
6.56±1.27
6.76±1.26
P值
, http://www.100md.com
<0.01
<0.01
<0.01
2.4 受试者主动脉血流频谱其它指标
病人组主动脉血流畸变波的ACR和DCR较对照组显著增高(P<0.01)。由于病人组17例受试者均出现高尖陡峭的畸变波，致使血流速度变异较大，所有其它指标(ACR、DCR、AT、DT、ET、FVI)的变异系数均显著高于对照组(P<0.01)。
3 讨 论
本研究选择的病例均为主动脉瓣关闭不全患者，其返流分数均大于35%，即主动脉瓣的返流程度均为中等程度以上。较为严重的主动脉瓣关闭不全导致在舒张期大量血流回流至左室，但为满足全身组织对血流量的需要，心脏代偿性地增强收缩，心输出量大大增加，而心脏收缩间期相对恒定，必然致使射血速度明显增加，主动脉口的高速射流则形成一种强烈的扰动。这即是大血管流态中所存在的非线性因素。
, http://www.100md.com
Olson等[1，2]早在1968年即在实验犬的主动脉中观察到了压力波的畸变现象，继之1986年Louie等[4]应用超声多普勒测及人体升主动脉内存在畸变的速度波形，在本研究中，本文作者应用二维彩色脉冲多普勒对17名大血管内存在明显非线性因素的受试者，作了主动脉分段(主动脉根部、主动脉弓以及腹主动脉)逐点测试点速度波形。测试结果表明，病人组17例受试者主动脉各段均测及畸变的血流速度波形，每例受试者平均测及6～9个畸变波，表明非线性因素促使形成流体波的畸变在大血管中是存在的。
本研究每一病例所测及的畸变波，其PFV均有一定的递减趋势，一般测试点愈远离心脏，其畸变波PFV则愈小。以2号病例(温某，男性，55岁)为例，该患者主动脉各段共测及畸变波7个，主动脉根部及主动脉弓两段共测及畸变波4个(每段各2个)，其PFV分别为253cm/s、241cm/s、228cm/s及217cm/s，腹主动脉测及畸变波3个，PFV分别为208cm/s、194cm/s及180cm/s，该病人畸变波峰值流速PFV总的呈递减趋势。对畸变波PFV逐渐递减的原因，侯文贵等[5，6]认为可能是血流中的耗散因素所致，主要包括流体粘性，管壁摩擦阻力，流体动能衰减等。波的这种衰减现象与波在耗散媒质中传播性质相符合。
, 百拇医药
理论上流速波畸变的同时存在压力波的畸变，高流速产生低压强，因而血流压力波的畸变可能导致相应部位的血管腔变窄[3]。但在测试中未观察到这一现象，即病人组17例受试者主动脉各段出现流速波畸变的部位，其中动脉内径未见有变窄现象，其原因可能：(1)所述现象仅为体外模型或离体实验获得；(2)主动脉壁弹性纤维多、密度大，加之可能管壁钙化，血管壁刚强度；(3)血管外筋膜组织包绕牵拉；(4)管径变化可能十分迅速，而本方法测的是其平均值。
特别值得指出的是：血流畸变波在传播过程中PFV呈一定的递减趋势，但畸变波的形状没有任何变化，这与具有一定结构(波幅、厚度)，一定传播速度的激波特征非常相符合。激波形成的条件是：(1)非线性因素(强扰动)；(2)媒质中存在耗散因素(粘滞、传热等)。非线性因素使波发生畸变，而耗散因素阻止波的继续畸变而形成一个稳定传播速度μ(或压力P，或密度ρ)的突变层(即激波)，并在媒质中传播。在本研究中，病人组17例受试者除存在对血流有强扰动(非线性因素)外，血流粘性均明显高于对照组受试者。
, http://www.100md.com
本研究应用非线性动力学理论，对人体主动脉系统血流波的畸变、演变成激波的过程进行了较为详尽的临床医学测试及理论分析，认为心脏非线性输出时，在主动脉等大血管中可能形成激波，血流激波属血液循环中某些病理过程的非线性因素(对血流的强扰动)而形成的非线性波。经过理论推导，得出其血流激波的数学表达式是U=λ[1-tanhλ/2γ(X-λt)],在此激波解中，λ是波幅，γλ是激波厚度，λ/2是传播速度，U是血流速度。
国家自然科学基金资助(基金号:39170238)
赖小今(成都军区总医院超声科)
侯文贵(四川大学物理系，成都)
王鹏巨(成都军区总医院心血管内科 610083)
魏连忠(成都军区总医院超声科)
, http://www.100md.com
虞元荪(四川大学物理系，成都)
何意亭(成都军区总医院心血管内科 610083)
李树森(成都军区总医院超声科)
胡继红(成都军区总医院超声科)
参考文献
1，Olson JH. Aortic pressure and velocity as a function of time and position. J Appl physiol, 1968,24:563
2，Rudinger G. Shock waves in mathematical models of the aorta. J Appl Mechan, 1970,3:34
, http://www.100md.com
3，Caro CG. The Mechanics of the Circulation. 2nd Oxford University Press. London 1978,203～210
4，Louie EK, Maron BJ, Green KJ. Variations of inflowvelocity waveforms obtained by pulsed Doppler echocardiography in the normal human aorta. Am J Cardiol, 1986,58:821
5，侯文贵.血液激波的理论与测试.非平衡统计物理学研究进展.成都：四川大学出版社，1993，95～101
6，虞元荪，王鹏巨，侯文贵.血流的非线性因素与血流波的畸变.生物医学工程学杂志，1994，11(1)：19, http://www.100md.com
应用超声多普勒对存在非线性因素的17名主动脉瓣关闭不全患者的升主动脉、主动脉弓以及腹主动脉进行分段逐点测试血流速度波，并与年龄相匹配的15名健康受试者为对照进行前瞻性研究，以探讨人体动脉系统中血流波形畸变的规律及激波的存在。结果表明：患者组主动脉各段均测及2～3处突然出现的畸变血流速度波形，畸变波高尖陡峭，其峰值流速PFV169～253cm/s，畸变波在血管内的传播符合非线性条件下激波的传播特点。患者组主动脉流速波形的其它指标与正常对照组比较均存在明显变异(P<0.01)。
关键词：超声心动描记术；主动脉；血流速度
为探讨动脉系统中血流波形畸变的规律及激波的存在，本项研究应用超声多普勒检测血流速度波，对主动脉瓣关闭不全(心脏非线性输出)患者的升主动脉，主动脉弓及腹主动脉进行分段逐点测试，并与年龄相匹配的健康受试者为对照，进行前瞻性研究。
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1 资料和方法
1.1 研究对象
本研究测试对象分为二组。患者组17例，均为主动脉瓣关闭不全患者，病因主要有风湿性心脏病、心肌病、主动脉瓣炎等，男性11例，女性6例，平均年龄58.3±3.7岁，主动脉瓣口返流(AR)程度均在中度以上，返流速度(负向频移)最低为170cm/s，最高达221cm/s，平均返流速度为197.73±19.1cm/s。经体检、心电图、X线以及常规超声心动图等辅助检查，排除了心血管疾病及其它系统重要疾病。两组受试者均抽血测定血液粘滞度。
1.2 仪器
采用美国惠普公司生产的HP500型、HP2000型多功能彩色多普勒仪。探头频率2.0～3.5MHz。该仪器具有描记M型超声心动图、二维超声心动图、脉冲多普勒、连续多普勒以及彩色血流显像功能，配置有电影回放系统及计算机自动分析装置，能够准确索取本研究所需的各项参数。
, 百拇医药
1.3 测试方法
分三个部位测试主动脉多普勒血流频谱，在彩色血流显像引导下进行定点取样测试。
(一)主动脉根部：取心尖左室长轴移行切面，充分显示主动脉根部，该切面对主动脉根部可显示段达12～16cm，从主动脉瓣环起每隔2cm作为一个测试点，共取6个测试点。
(二)主动脉弓部：取胸骨上凹方位，充分清晰显示主动脉弓，从无名动脉分叉处近主动脉口方向3～4cm起每隔2cm作为一个测试点，共取6个测试点。
(三)腹主动脉：取剑下腹主动脉长轴，充分显示腹主动脉，从腹腔动脉分叉处开始自上而下每隔2cm作为一个测试点，共取10个测试点。
上述分段逐点测试过程中，在彩色血流引导下多普勒取样容积始终置于血管中轴部位，对于血流方向与声束之间夹角(θ角)较大的测试点，采用仪器配置的角度纠偏系统进行角度纠偏，使夹角θ尽量减小到20°以下(θ≤20°)。以获得各测试点理论上的最大血流速度波形。各项测试指标均从同一心动周期中采取。为排除每搏舒张间期变异及呼吸的影响，取连续8个心动周期的均值为最终测试结果。
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1.4 主要测试指标
各测试点主动脉内径，主动脉峰值血流速度(PFV cm/s)、血流加速度(ACR cm/s2)、血流加速时间(AT ms)、血流减速度(DCR cm/s2)、血流减速时间(DT ms)、射血时间(ET ms)、血流速度积分(FVI cm)。
1.5 统计学处理
本研究各项指标的统计均采用均值±标准差(±SD)表示。所测主动脉血流频谱指标，各测试段(主动脉根部、主动脉弓及腹主动脉)分别计算变异系数CV，将两组受试者各测试段各项指标的变异系数进行团体比较(t检验)。
2 结果
2.1 受试者一般资料对照
从表1中可以看出，二组受试者年龄匹配，病人组为明显主动脉瓣返流(AR)患者，且全血粘滞度较对照组高，相差显著(P<0.05)，即耗散(粘性)因素病人组较对照组明显。
, 百拇医药
表1 受试者一般资料的对照
年龄
全血粘滞度
(mpa.s)
AR速度
(cm/s)
对照组
57.2±4.3
4.41±0.37
(-)
患者组
58.3±3.7
, 百拇医药
7.01±0.43
197.73±19.1
P值
>0.05
<0.05
(-)
2.2 受试者各测试点主动脉内径的对照
对各试点的主动脉内径逐一测量，两组受试者的各段主动脉内径均无显著差异(P>0.05)，即使在测及畸变高速血流处的血管内径也无明显增宽及变窄现象。
2.3 受试者峰值血流速度(PFV)的对照
在对受试者主动脉各段逐点测试PFV过程中，病人组主动脉各个部位均测及2～3个突然出现的畸变血流速度波形，畸变波形态高尖陡峭，其中主动脉根部的畸变波流速峰值PFV最低为169cm/s，最高达253cm/s，主动脉弓畸变波PFV179～219cm/s，腹主动脉畸变波PFV169～198cm/s。对照组主动脉各段均呈比较平稳的流速波形，PFV均在125cm/s以内，对照组未见显著增高的畸变波。
, 百拇医药
主动脉各段PFV平均值病人组高于对照组，相差显著(见表2)。 在出现畸变波的17名病人组中，畸变波的出现与演变呈现一定规律性，畸变波隔3～4个测试点出现一次，从主动脉根部至腹主动脉，随着测试点远心端距离增大，其PFV呈递减趋势，但畸变波出现的具体部位及次数无特定规律。
我们对二组受试者主动脉各段每一测试点的PFV之变异系数(CV)进行团体比较(见表3)。从表中看出，在主动脉各个段，无论是主动脉根部，主动脉弓或是腹主动脉病人组PFV的变异系数均较对照组显著增高，相差非常显著(P<0.01)。
表2 受试者主动脉PFV平均值(cm/s)对照组
主动脉根部
主动脉弓
腹主动脉
患者组
, 百拇医药
139.72±14.37
129.70±8.69
115.85±9.68
对照组
117.23±4.31
101.67±5.60
88.71±3.83
P值
<0.05
<0.05
<0.05
表3 受试者主动脉PFV变异系数比较
, 百拇医药
主动脉根部
主动脉弓
腹主动脉
患者组
37.72±4.61
42.63±3.76
44.07±4.81
对照组
6.21±1.31
6.56±1.27
6.76±1.26
P值
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<0.01
<0.01
<0.01
2.4 受试者主动脉血流频谱其它指标
病人组主动脉血流畸变波的ACR和DCR较对照组显著增高(P<0.01)。由于病人组17例受试者均出现高尖陡峭的畸变波，致使血流速度变异较大，所有其它指标(ACR、DCR、AT、DT、ET、FVI)的变异系数均显著高于对照组(P<0.01)。
3 讨 论
本研究选择的病例均为主动脉瓣关闭不全患者，其返流分数均大于35%，即主动脉瓣的返流程度均为中等程度以上。较为严重的主动脉瓣关闭不全导致在舒张期大量血流回流至左室，但为满足全身组织对血流量的需要，心脏代偿性地增强收缩，心输出量大大增加，而心脏收缩间期相对恒定，必然致使射血速度明显增加，主动脉口的高速射流则形成一种强烈的扰动。这即是大血管流态中所存在的非线性因素。
, http://www.100md.com
Olson等[1，2]早在1968年即在实验犬的主动脉中观察到了压力波的畸变现象，继之1986年Louie等[4]应用超声多普勒测及人体升主动脉内存在畸变的速度波形，在本研究中，本文作者应用二维彩色脉冲多普勒对17名大血管内存在明显非线性因素的受试者，作了主动脉分段(主动脉根部、主动脉弓以及腹主动脉)逐点测试点速度波形。测试结果表明，病人组17例受试者主动脉各段均测及畸变的血流速度波形，每例受试者平均测及6～9个畸变波，表明非线性因素促使形成流体波的畸变在大血管中是存在的。
本研究每一病例所测及的畸变波，其PFV均有一定的递减趋势，一般测试点愈远离心脏，其畸变波PFV则愈小。以2号病例(温某，男性，55岁)为例，该患者主动脉各段共测及畸变波7个，主动脉根部及主动脉弓两段共测及畸变波4个(每段各2个)，其PFV分别为253cm/s、241cm/s、228cm/s及217cm/s，腹主动脉测及畸变波3个，PFV分别为208cm/s、194cm/s及180cm/s，该病人畸变波峰值流速PFV总的呈递减趋势。对畸变波PFV逐渐递减的原因，侯文贵等[5，6]认为可能是血流中的耗散因素所致，主要包括流体粘性，管壁摩擦阻力，流体动能衰减等。波的这种衰减现象与波在耗散媒质中传播性质相符合。
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理论上流速波畸变的同时存在压力波的畸变，高流速产生低压强，因而血流压力波的畸变可能导致相应部位的血管腔变窄[3]。但在测试中未观察到这一现象，即病人组17例受试者主动脉各段出现流速波畸变的部位，其中动脉内径未见有变窄现象，其原因可能：(1)所述现象仅为体外模型或离体实验获得；(2)主动脉壁弹性纤维多、密度大，加之可能管壁钙化，血管壁刚强度；(3)血管外筋膜组织包绕牵拉；(4)管径变化可能十分迅速，而本方法测的是其平均值。
特别值得指出的是：血流畸变波在传播过程中PFV呈一定的递减趋势，但畸变波的形状没有任何变化，这与具有一定结构(波幅、厚度)，一定传播速度的激波特征非常相符合。激波形成的条件是：(1)非线性因素(强扰动)；(2)媒质中存在耗散因素(粘滞、传热等)。非线性因素使波发生畸变，而耗散因素阻止波的继续畸变而形成一个稳定传播速度μ(或压力P，或密度ρ)的突变层(即激波)，并在媒质中传播。在本研究中，病人组17例受试者除存在对血流有强扰动(非线性因素)外，血流粘性均明显高于对照组受试者。
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本研究应用非线性动力学理论，对人体主动脉系统血流波的畸变、演变成激波的过程进行了较为详尽的临床医学测试及理论分析，认为心脏非线性输出时，在主动脉等大血管中可能形成激波，血流激波属血液循环中某些病理过程的非线性因素(对血流的强扰动)而形成的非线性波。经过理论推导，得出其血流激波的数学表达式是U=λ[1-tanhλ/2γ(X-λt)],在此激波解中，λ是波幅，γλ是激波厚度，λ/2是传播速度，U是血流速度。
国家自然科学基金资助(基金号:39170238)
赖小今(成都军区总医院超声科)
侯文贵(四川大学物理系，成都)
王鹏巨(成都军区总医院心血管内科 610083)
魏连忠(成都军区总医院超声科)
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虞元荪(四川大学物理系，成都)
何意亭(成都军区总医院心血管内科 610083)
李树森(成都军区总医院超声科)
胡继红(成都军区总医院超声科)
参考文献
1，Olson JH. Aortic pressure and velocity as a function of time and position. J Appl physiol, 1968,24:563
2，Rudinger G. Shock waves in mathematical models of the aorta. J Appl Mechan, 1970,3:34
, http://www.100md.com
3，Caro CG. The Mechanics of the Circulation. 2nd Oxford University Press. London 1978,203～210
4，Louie EK, Maron BJ, Green KJ. Variations of inflowvelocity waveforms obtained by pulsed Doppler echocardiography in the normal human aorta. Am J Cardiol, 1986,58:821
5，侯文贵.血液激波的理论与测试.非平衡统计物理学研究进展.成都：四川大学出版社，1993，95～101
6，虞元荪，王鹏巨，侯文贵.血流的非线性因素与血流波的畸变.生物医学工程学杂志，1994，11(1)：19, http://www.100md.com