Введение
Развитие неинвазивных методов регистрации биомеханики миокарда и сосудистого русла тесно связано с анатомическими структурами сердца. Чтобы в полной мере иметь представление о механике сокращения, необходимо регистрировать и измерять три компонента: векторы сегментарной скорости сокращения миокарда, потоки крови в полостях и массу миокарда [1]. Особенно это актуально в случае коррекции анатомических структур при врожденных и приобретенных пороках сердца, что приводит к изменению механики сокращения. При этом нарушается внутрисердечная гемодинамика, что сопровождается изменением направления и скорости потоков крови с проявлением избыточного градиента давления и регургитации на клапанах. Оценка изменения гемодинамики в данном случае важна для хирургической коррекции патологии.
В настоящее время в литературе описываются модели по изучению взаимодействия анатомических структур с внутрижелудочковыми потоками крови с целью возможности физиологической коррекции патологии. В клинической практике такие исследования только начинают разрабатываться [2]. Однако до настоящего времени в полной мере не описаны взаимосвязи между анатомией и потоками крови в полостях сердца, нет объективного представления о динамике и направлении кровотока в различных фазах сердечного цикла у здорового человека [3, 4].
В связи с этим цель исследования направлена на регистрацию внутрижелудочковых потоков крови в полостях сердца и их взаимосвязь с миокардом и клапанным аппаратом у здорового человека.
Материал и методы
В исследование включены 62 здоровых добровольца, не имеющих сопутствующей патологии, средний возраст 41±6 лет (23—47 лет).
Выполняли трансторакальную эхокардиографию на ультразвуковом сканере Vivid-Е9 Dimension («GE Medical Systems», США) с регистрацией ЭКГ. Использовался матричный мультичастотный датчик 2,5—4,7 МГц. Оценивали показатели: конечный диастолический и конечный систолический объемы левого желудочка (ЛЖ), толщина стенок и межжелудочковой перегородки, фракция выброса, скорости смещения миокарда (вектора) в базальном, срединном и верхушечном отделах ЛЖ в период сердечного цикла. Эндокард миокарда оконтуривали вручную с целью отслеживания скорости сокращения, с последующей обработкой полученной информации в программе Мультивокс [5, 6].
Алгоритм метода основан на обработке серошкальных эхокардиографических изображений, с визуализацией анатомических структур сердца, количественным анализом скоростей смещения миокарда и потоков крови в ЛЖ по цветовому допплеровскому картированию. Для сравнения скоростей сокращения миокарда и потоков крови согласовывалось время по ЭКГ. Ультразвуковые изображения сохраняли в цифровом формате DICOM и экспортировали в базу данных стандартного персонального компьютера для последующего количественного анализа. Из 3—5 циклов кинопетель выбирали изображения для оценки построения графического анализа скоростей сокращения эндокарда (рис. 1).
Рис. 1. Графическая регистрация скоростей смещения миокарда в 6 сегментах эндокарда левого желудочка (а). Эхокардиограмма с регистрацией векторов сокращения (б).
Для получения количественных характеристик внутрижелудочковых кровотоков крови в режиме цветового допплеровского картирования выполняли регистрацию с оценкой полей скорости изменяющихся потоков внутри полости ЛЖ на протяжении нескольких кардиоциклов [7, 8]. Разработка алгоритмов регистрации потоков крови — еще один путь в измерении связей миокарда со структурами сердца.
Статистическая обработка. Статистическая обработка полученных данных проведена с формированием электронной базы данных в программах Statistica 10,0 («StatSoft, Inc.», США) и JMP 7 («SAS, Inc.», США). Использовали одномерный анализ и методы описательной статистики для определения характера распределения непрерывных данных; мер центральной тенденции: среднее (M), медиану (Me), моду (М); мер рассеяния: стандартное отклонение (SD). Критическое значение уровня статистической значимости при проверке нулевых гипотез принималось p<0,05.
Результаты
По результатам исследования в соответствии с современными рекомендациями были оценены основные анатомические и гемодинамические параметры у здоровых добровольцев (см. таблицу).
Основные показатели гемодинамики по данным эхокардиографии у здоровых лиц (n=62)
| Показатель | M±SD |
| ЧСС, уд/мин | 72±11 |
| САД, мм рт.ст. | 119±9 |
| ДАД, мм рт.ст. | 76±7 |
| КДРЛЖ, мм | 43±3,7 |
| КСРЛЖ, мм | 26±4,5 |
| КДОЛЖ, мл | 86±16 |
| КСОЛЖ, мл | 30±7 |
| ФВ ЛЖ, % | 66±4 |
| УВ, мл | 57±12 |
| ММЛЖ, г | 129,4±40,3 |
| тМЖП базальный, см | 0,9±0,1 |
| тМЖП средний, см | 0,9±0,1 |
| тМЖП верхушка, см | 0,7±0,1 |
Примечание. ЧСС частота сердечных сокращений; САД — систолическое давление; ДАД — диастолическое давление; КДРлж — конечный диастолический размер левого желудочка; КСРлж — конечный систолический объем левого желудочка; КДОлж — конечный диастолический размер левого желудочка; КСОлж — конечный систолический объем левого желудочка; ФВ — фракция выброса; УВ — ударный выброс; ММЛЖ — масса миокарда; тМЖП — толщина межжелудочковой перегородки.
У всех здоровых добровольцев показатели гемодинамики были в пределах нормы, что соответствует рекомендациям американского общества эхокардиографии, европейской ассоциации сердечно-сосудистой визуализации и европейского общества кардиологов [9].
До настоящего времени глобальная насосная функция сердца в клинической практике оценивается по давлению и объему в желудочках и предсердиях. Однако для полноценной оценки функции сердца необходимы измерения и внутрижелудочковых потоков крови [7, 8]. Для верификации, корректировки и оценки турбулентности в ЛЖ выполняли регистрацию скорости кровотока в различных отделах ЛЖ — в области фиброзного кольца, срединной и верхушечной областях. Это позволяет качественно локализовать взаимосвязь структуры сердца и потоков в камерах сердца с учетом сокращения и расслабления миокарда, открытием и закрытием клапанов в периоды сердечного цикла (рис. 2, 3).
Рис. 2. Внутрижелудочковые потоки крови по длинной оси левого желудочка в фазах сердечного цикла.
а — изоволюмическое напряжение; б — максимальное изгнание левого желудочка; в — диастолическое наполнение левого желудочка. Q1 — скорости внутрижелудочковых потоков крови в базальном отделе, Q2 — скорости внутрижелудочковых потоков в среднем отделе, Q3 — скорости внутрижелудочковых потоков в апикальном отделе.
Рис. 3. Скорость кровотока в левом желудочке у здорового человека в периоды сердечного цикла в области верхушки, среднего и в базальном отделе левого желудочка.
1 — изоволюмическое напряжение, 2 — период максимального изгнания, 3 — диастола.
В период диастолы поток крови в ЛЖ характеризуется сильной компактной струей, которая входит в камеру через митральный клапан (см. рис. 2, в) в течение двух различных импульсов: при релаксации желудочка, а затем в период сокращения предсердия. Диастола характеризуется перенаправлением потоков в область верхушки по часовой стрелке. В конце диастолы начинается период изоволюмического напряжения, и ЛЖ приходит в активное состояние в результате его наполнения. В этот период наблюдается рост давления в полости желудочка при закрытых митральном и аортальном клапанах. Практически через 0,04—0,05 с аортальный клапан открывается и начинается активная систола.
Так, в период изоволюмического напряжения, когда миокард ЛЖ находится в напряжении, а аортальные клапаны не открыты, все скорости потоков практически находятся в пределах 0,1—0,12 м/с.
В период изгнания скорости строго максимальны в среднем и базальном отделах ЛЖ и строго направлены в выносной тракт. Аналогичные результаты на математической модели отмечают и G. Pedrizzetti и соавт. [3]. Таким образом, сердечный цикл сопровождается достаточно тесным взаимоотношением между миокардом и потоками. Скорости потоков в ЛЖ формируются по сердечному циклу, а это непосредственно связано с миокардом и объемами полостей сердца (см. рис. 3).
Обсуждение
У здорового человека поток формируется по направлению к верхушке еще до момента открытия митрального клапана. В момент открытия клапана увеличивается эффект вихревого потока, уменьшаются конвективные потери, что приводит к усилению сокращения миокарда ЛЖ в качестве всасывающего насоса.
Импульсивная струя потока открывает створки клапана, направляется в полость желудочка со скоростью около 1 м/с и достигает стенок желудочка, вызывая их перемещение. Диастолическая струя имеет вихревой поток, направленный вдоль перегородки, а ядро потока сразу превращается в компактный кольцевой вихрь, который направлен в глубь желудочка. Митральный клапан смещается, и поток крови перенаправляется к передней стенке. В нормальных условиях предсердный поток направляется в желудочек в постоянном режиме, захватывается между створками клапана и перенаправляется вдоль боковой стенки желудочка достаточно равномерно. В последующем структура кровотока расчленяется на два направления — к верхушке и выносному тракту ЛЖ (см. рис. 3).
Длина струи и структура потока во время систолы и диастолы, несомненно, зависят от состояния миокарда, клапанного аппарата и ряда физиологических или патологических факторов (частоты сердечных сокращений — ЧСС, артериального давления). По нашим данным, основную роль в формировании внутрижелудочкового потока играют геометрия камеры, размеры и объемы полости, а также состояние клапанного аппарата. В то же время G. Pedrizzetti и соавт. [3] изучали потоки крови на моделях ЛЖ и отметили наличие доказательств того, что некоторые патологии изменяют динамику жидкости в ЛЖ. Мы считаем, что особенностью внутрижелудочковых потоков в полостях сердца является немедленная реакция на изменение окружающих условий, и это позволяет рассматривать их в качестве естественного раннего индикатора доклинических физиологических изменений и связью с анатомическими структурами.
Турбулентные потоки в полостях сердца представляют собой важнейшие элементы движения с соблюдением динамического равновесия между миокардом, внутрижелудочковым градиентом давления, ЧСС и напряжением. Регистрация потоков через митральный и аортальный клапаны используется для определения цикличности вихревых потоков с целью расчета затраты энергии. Таким образом, клинические исследования постепенно ориентируются на проверку степени участия адаптивной и неадаптивной гидромеханики при сердечной недостаточности. Направление потока крови в ЛЖ значительно изменяется при гипертрофии миокарда и папиллярных мышц, дисфункции клапанного аппарата и других изменениях в структурах сердца [4, 8].
Анализ скоростей сокращения миокарда у здоровых добровольцев в период сердечного цикла показал, что самые низкие скорости наблюдались в фазу изоволюмического напряжения ЛЖ и составили 10,7±4,2 мм/с для базальной части межжелудочковой перегородки, 11,2±3,9 мм/с для средней части и 12±3,8 мм/с для верхушечной части. Такие скорости характерны для отсутствия патологических изменений в геометрии сердца. В фазу максимального изгнания происходит увеличение скоростей сокращения миокарда, а в диастолу в области верхушечного сегмента значения составили 32,2±13,2 мм/с, что демонстрирует присасывающую способность желудочка.
Известно, что миокард — неоднородная сферическая оболочка, в связи с этим эластическая жесткость стенки миокарда желудочка зависит от напряжения, объема камер сердца.
Таким образом, измерение скоростей потока крови в полости ЛЖ и оценка направления кровотока есть не что иное, как силовая характеристика, отражающая взаимодействие миокарда и кровотока. Определение вихревых потоков и векторов скорости — это процессы ускорения и изменения направления кровотока, характеризующие состояние миокарда (напряжение, расслабление).
При выполнении физических нагрузочных тестов получены данные об изменении интенсивности внутрижелудочковых потоков крови у здоровых людей (рис. 4).
Рис. 4. Динамика скоростей внутрижелудочковых потоков крови в верхушке, средней части перегородки, базальном отделе левого желудочка на нагрузку в 100 вт.
В период максимальной скорости изгнания крови из ЛЖ в аорту в норме отмечается высокая скорость кровотока в области базального отдела с направлением в аорту. При этом скорость потока в области верхушки значительно меньше. В период средней систолы изгнания крови зона турбулентности с высокой скоростью изгнания перемещается ближе к основанию и в еще большей степени закручивается. Средний период систолы и окончание систолы характеризуются нарастанием турбулентности и концентрации кровотока в выносном тракте ЛЖ.
Диастолическая фаза сердечного цикла характеризуется максимальной скоростью заполнения желудочка, и эта скорость достаточно высока как в области фиброзного кольца, так и в срединной части желудочка. В период сокращения предсердия турбулентный поток полностью перемещается к выносному тракту ЛЖ.
Заключение
Исследование потоков крови в полостях сердца дает более глубокое понимание физических явлений в гемодинамике и функции миокарда. Это важно, прежде всего, для диагностики и разработки новых хирургических технологий при реконструктивных операциях на сердце и сосудах.
Отмечено, что во время систолы срединный уровень миокарда вращается в противоположную сторону по сравнению с базальным отделом и верхушкой. При этом углы ротации в эндокардиальных слоях располагаются в противоположном направлении. Такое сокращение миокарда приводит к направленному изменению внутрижелудочковых потоков крови с формированием высокоскоростного турбулентного потока.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — В.А. Сандриков, Т.Ю. Кулагина, С.О. Попов
Сбор и обработка материала — Т.Ю. Кулагина, Р.З. Зябирова, А.Ю. Максимова
Статистическая обработка — Р.З. Зябирова
Написание текста — В.А. Сандриков, Т.Ю. Кулагина
Редактирование — В.А. Сандриков, Т.Ю. Кулагина, С.О. Попов
Participation of authors:
Concept and design of the study — V.A. Sandrikov, T.Yu. Kulagina, S.O. Popov
Data collection and processing — T.Yu. Kulagina, R.Z. Zyabirova, A.Yu. Maksimova
Statistical processing of the data — R.Z. Zyabirova
Text writing— V.A. Sandrikov, T.Yu. Kulagina
Editing — V.A. Sandrikov, T.Yu. Kulagina, S.O. Popov
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.