生物体血流的流体力学测量技术

第一节　生物体血流的流体力学测量技术

流体力学是研究流体的机械运动规律及其应用的科学，它与一般力学和固体力学等均为力学的分支学科。流体力学的内容包括三个基本部分：流体静力学、流体运动学和流体动力学。流体静力学是研究流体（以水为代表的液体和以空气为代表的气体）在静止状态下的力学规律及其应用，它的结论对理想流体和黏性流体均适用。而流体运动学是一门研究流体的运动规律及其应用的学科；流体动力学是研究流体的运动规律与力学规律及其应用的学科。在生物体心血管系统内流动的液体主要是血液，故流体力学在生物体的应用范围主要涉及流体动力学，用于研究血液在心脏与血管的运动规律。

本章重点介绍检测血液流动的主要物理方法学，由于超声心动图可采取彩色多普勒或对比造影剂使心脏与血管内的血流显像，但是尚不能测量人体与流体力学相关的参数，本章介绍超声在流体动力学（超声流体力学，echo-dynamography）方面的临床应用经验。

一、粒子图像测速技术

近来人们运用流体力学的方法采用粒子图像测速技术（particle image velocimetry，PIV）观察和评价慢性心力衰竭患者心腔内血液流场的特征，致力于对慢性心力衰竭时的心腔内血液流体力学变化进行探索。粒子图像测速技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。粒子图像测速技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场（图18-1）。另外，粒子图像测速技术具有较高的测量精度。目前粒子图像测速方法有多种，无论何种形式的粒子图像测速技术，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，粒子图像测速法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能真实地反映流场的运动状态。因此示踪粒子在粒子图像测速法中非常重要。

粒子图像测速技术也可结合超声心动图来研究心脏的血流结构。超声粒子图像测速技术（echocardiographic particle imaging velocimetry，EPIV）用于分析流场结构特点；数码粒子图像测速技术（digital particle imaging velocimetry，DPIV）通过分析影像中流场的微粒子，了解血流特点。Kheradvar等人用EPIV技术和DPIV分别观察了左心腔内的涡流运动情况，并且证实左心室的涡流主要存在于舒张期，而仅仅在收缩早期残存少量涡流。

图18-1　粒子图像测速技术系统示意图

在DPIV技术中，要求在血流中注入高质量的示踪粒子，通常要求：①示踪粒子的比重尽可能与实验流体相一致；②要有足够小的尺度；③形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；④有足够高的光散射效率。通常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等。国外已有公司专门为粒子图像测量研制出了在流体中接近上述要求的高质量固体粒子，但缺点是目前这种粒子价格非常昂贵。

二、磁共振成像测定法

基于磁共振成像（MRI）的心血管系统流体动力学技术就是以磁共振成像图像数据为基础，根据磁共振成像探测的血流速度及流量对心血管流场进行流体力学分析，并且可采用图像技术进行可视化分析。磁共振不仅能清晰显示血流图像，还能对血流进行三维形态、速度分布的定量分析。然而，磁共振成像血流成像的缺点之一就是扫描时间长，时间分辨力不理想；由于强磁场的原因，磁共振对诸如体内装有磁性金属或起搏器患者不能适用。早在1995年，Kim等就用磁共振技术证实了舒张早期左心室内血流以涡流为主要运输形式。Kelvin K.L.Wong等通过磁共振技术观察了右心房的涡流运动状态。另外，Kheradvar和Gharib通过建立体外心脏模型模拟了心腔内血流运动模式，发现二尖瓣环的回缩和心室的抽吸作用等是影响心内涡流形成时间的主要因素。

三、超声流体力学测定：血流向量成像技术

血流向量成像（vector flow mapping，VFM）是一种超声血流成像技术，于2006年由日本学者Ohtsuki等提出，血流向量成像技术通过多普勒频移信息获取心腔内血液流场状态，以彩色多普勒图像为基础，通过向量图、流线图与涡流图等模式实时显示心脏内流场的分布，能对心脏的流体动力学变化进行可视化定量评价。血流向量成像技术更为细致地了解多普勒速度分布信息，从而推测血流的真实方向与速度。为实时监测心腔内血流提供了一种流体力学观察方法。