Основные принципы гемодинамики и ультразвукового исследования (узи) сосудов
Движущей силой кровотока является разница давлений между различными отделами сосудистого русла.
В норме во всех органах имеется ламинарный кровоток: кровь движется цилиндрическими слоями параллельно оси сосуда. Слой, прилегающий к стенке сосуда, остается неподвижным, по нему скользит следующий слой и т.д. Таким образом, в центре сосуда кровь движется с большей скоростью, чем у стенок. Чем меньше диаметр сосуда, тем ближе центральные слои к неподвижной стенке, поэтому в мелких сосудах средняя скорость кровотока ниже, чем в крупных. В местах деления или изгибов сосудов и при стенозировании сосуда кровоток становится турбулентным. Он характеризуется наличием завихрений, в которых частицы крови перемещаются под углом и даже перпендикулярно стенке сосуда, что увеличивает трение жидкости и деформирует профиль скорости.
Кровоснабжение органа отражает объемная скорость кровотока – Q. Это объем крови, протекающей через поперечное сечение сосудов в единицу времени. Он вычисляется по формуле: Q = V · S, где V – линейная скорость кровотока (ЛСК), S – площадь сечения сосуда.
В соответствии с законом неразрывности струи, объемная скорость кровотока в системе трубок разного диаметра постоянна и обратно пропорциональна площади сечения сосуда.
Для регистрации ЛСК и его направления в магистральных сосудах применяется ультразвуковая допплерография сосудов (УЗДГ).
Эффект Допплера применительно к медицине состоит в том, что при отражении ультразвукового сигнала от движущихся объектов (эритроцитов, а также створок клапанов, стенок сердца) меняется его частота – происходит сдвиг частоты ультразвукового сигнала. Этот сдвиг представляет собой разность между частотой сигнала датчика и частотой отраженного от эритроцитов сигнала. Чем больше скорость движения эритроцитов, тем больше сдвиг частоты ультразвукового сигнала. Если движение эритроцитов направлено в сторону датчика, то частота отраженного от них сигнала увеличивается; если эритроциты движутся от датчика, эта величина уменьшается.
Таким образом, измерение абсолютной величины сдвига частоты ультразвукового сигнала позволяет определить скорость и направление кровотока. Величина сдвига частоты ультразвукового сигнала связана со скоростью кровотока следующим образом:
Fd = 2 fo · V · cos a / c
где Fd – сдвиг частоты ультразвукового сигнала, fo - частота посылаемого ультразвукового сигнала, V - ЛСК, c - скорость распространения ультразвука в среде (в человеческом теле она равна 1540 м/с при температуре 37˚С и считается неизменной), a - угол между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока, 2 – коэффициент двойного сдвига частоты ультразвукового сигнала, который происходит вследствие того, что эритроциты движутся и относительно посланного датчиком, и относительно отраженного сигнала.
Таким образом, ЛСК рассчитывается следующим образом:
V = Fd · c / 2 fo · cos a
Как видно из приведенного уравнения, ЛСК обратно пропорциональна частоте посылаемого сигнала. Чем меньше fo, тем большие скорости кровотока могут быть измерены. Поэтому для допплеровского исследования, как правило, выбирают датчик, имеющий наименьшую частоту. Используются непрерывно-волновые (4 и 8МГц) и импульсный (2МГц) датчики. Непрерывно-волновой режим позволяет измерить любую скорость кровотока и применяется для исследования высокоскоростных потоков. Импульсный режим измеряет скорость кровотока в строго определенном участке сосуда и на определенной глубине, имеет предел измерения скорости.
Следует отметить, что ЛСК, определяемая допплеровским методом, не тождественна абсолютной скорости кровотока в исследуемом сосуде и зависит от угла наклона датчика к оси сосуда. На сдвиг частоты ультразвукового сигнала в этом случае влияет величина угла между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока (a). Если ультразвуковой луч направлен параллельно кровотоку, то cos a равен 1 и скорость кровотока может быть измерена правильно. Допускается угол от 30° до 60°, при больших его величинах показатели будут недостоверными, поскольку cos a приближается к 0.
В аппаратах УЗДГ получаемое распределение сдвига частот во времени подвергается компьютерной обработке с применением быстрого преобразователя Фурье и отображается в виде допплеровского спектра, ограниченного огибающей - допплерограммой (ДГ) (рис.1).
Рис.1. Основные элементы допплерограммы: а – максимальная (пиковая) систолическая скорость кровотока, б – конечная диастолическая скорость кровотока, в –ретроградный ранний диастолический пик.
ДГ представляет собой графическое изображение изменений ЛСК в соответствии с фазами сердечного цикла. При сокращении сердечной мышцы (систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту. В это время регистрируется максимальная (систолическая) скорость кровотока (V сист), которая к моменту окончания систолы падает до 0. В начале диастолы наблюдается кратковременный обратный ток крови к сердцу, обусловленный расслаблением левого желудочка. Во время диастолы скорость кровотока (V диаст) снижается, но не падает до 0, это связано с эластическими свойствами артерий и достаточно высоким периферическим сопротивлением. Упругость стенок сосудов эластического типа приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает их, т. е. крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Во время диастолы амортизирующие сосуды сокращаются, обеспечивая диастолический поток крови.
По мере удаления от сердца диастолический обратный ток крови уменьшается и кривая становится монофазной.
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДОППЛЕРОГРАММЫ
Оценка информации, получаемой с помощью УЗДГ, может быть качественной (например, есть или нет кровоток, артериальный или венозный спектр потока, ламинарный или турбулентный характер потока и т.д.) и количественной, когда могут быть получены скоростные и объемные параметры кровотока.
К основным качественным параметрам ДГ относятся форма кривой и наличие спектрального окна.
Форма допплеровской кривой зависит от диаметра сосуда и его удаленности от сердца.
Спектральное окно ограничено ДГ и изолинией и в норме остается неокрашенным. Заштрихованность спектрального окна свидетельствует о нарушении ламинарности потока, наличии турбулентных токов.
Кроме этого по ДГ можно определить направление кровотока: кровоток, направленный от датчика, изображается под изолинией, к датчику – над изолинией.
Современные аппараты преобразуют сдвиг частоты ультразвука в слышимый звуковой сигнал, который не является аналогом аускультативных звуков. Аудиокартина различна при стенозе, окклюзии и в норме, что дает дополнительную информацию о патологическом процессе в исследуемом сосуде.
К количественным параметрам ДГ относятся:
1. Пиковая систолическая скорость кровотока ( V сист ). Это максимальная величина ЛСК в период систолы. Измерение V сист имеет важное практическое значение, так как этот показатель существенно изменяется при различной сосудистой патологии, особенно при стенозах. Для основных сосудов установлены значения этого параметра, позволяющие не только отличить нормальный кровоток от патологического, но и ориентировочно определить степень стеноза. Основным фактором, влияющим на величину пиковой систолической скорости кровотока, является ударный объем (или сердечный выброс при установившейся частоте сердечных сокращений). В меньшей степени на нее оказывают влияние свойства сосудистой стенки и реологические характеристики крови.
2. Конечная диастолическая скорость кровотока ( V диаст ) – минимальная величина скорости кровотока в период диастолы. Она также изменяется при стенозах и нарушениях периферического сопротивления. Как правило, ее величина не учитывается как самостоятельный параметр, а используется для расчета индексов.
Эти параметры отражают значения скорости кровотока в конкретные периоды сердечного цикла, не давая информации об истинной скорости кровотока в сосуде за весь сердечный цикл.
3. Средняя скорость кровотока рассчитывается по формуле:
V ср = ( V сист+2 V диаст ) / 3
Величина средней скорости кровотока дает наиболее полное представление об истинной скорости движения частиц в сосуде. На величину средней скорости оказывает влияние сердечный выброс, реологические свойства крови, состояние сосудистой стенки, удаленность исследуемой сосудистой области от сердца.
Кроме скоростных параметров кровотока, возможен расчет ряда индексов. Наиболее значимыми из них являются:
1. Индекс сосудистой резистивности ( RI ) рассчитывается следующим образом:
RI = ( V сист - V диаст ) / V сист
В норме индекс резистивности - 0,5-0,75 ед.
Он отражает сопротивление кровотоку дистальнее места измерения и эластические свойства сосудистой стенки.
2. Пульсаторный индекс ( PI ) рассчитывается по формуле:
PI = ( V сист – V диаст ) / V ср
Для каждого сосуда существует своя норма PI. Данный индекс характеризует, в основном, обратно пропорциональную зависимость с объемным потоком и, в меньшей степени, эластические свойства артерии.
Данные индексы позволяют косвенно судить о величине периферического сопротивления. Повышение их величин наблюдается при стено-окклюзирующей патологии и вазоспастических реакциях. Снижение – при артерио-венозном шунтировании и выраженной периферической вазодилатации.
3. Индекс спектрального расширения расчитывается по формуле:
SBI =( V сист - V ср)/ V сист
Данный индекс позволяет судить о степени турбулентности потока в области стенозов и деформаций сосудов. При преобладании низких скоростей кровотока, что характерно для турбулентного потока, он увеличивается.
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УЗДГ
1. Диагностика гемодинамически значимых поражений сосудов (стеноз более 50% и окклюзия) и определение уровня этого поражения.
О состоянии просвета сосуда и уровне его поражения можно судить по форме ДГ. Различают три типа кривых:
- кривая магистрального типа характерна для сосудов с высоким сопротивлением. Лоцируется при отсутствии патологических изменений или при гемодинамически незначимых стенозах, занимающих менее 50% просвета сосуда. Характеризуется наличием всех трех компонентов кривой (рис.1);
- кривая магистрально-измененного типа регистрируется дистальнее гемодинамически значимого стеноза артерии, занимающего от 50 до 70% просвета артерии. Характеризуется отсутствием ретроградного раннего диастолического пика ДГ;
- кривая коллатерального типа наблюдается дистальнее критического (субтотального) стеноза, занимаюшего от 79 до 99% просвета сосуда. Характеризуется сглаживанием систолической и диастолической составляющих, малодифференцированной формой волны и низкими параметрами кровотока.
Дистальнее места окклюзии кровоток в сосуде не лоцируется.
2. Оценка эффективности коллатерального кровообращения и функционального состояния артерий Виллизиева круга.
Адекватная и своевременная оценка состояния путей коллатеральной компенсации, а также ее объема необходимы для определения степени риска развития ишемических нарушений мозгового кровообращения и выбора тактики лечения пациента.
Сеть анастомозов между артериями, осуществляющими кровоснабжение мозга, позволяет перераспределять кровь между различными областями его сосудистой системы. Потребность в этом возникает как в нормальных, так и в патологических условиях. Анастомозы используются для обеспечения перераспределения крови в тот сосудистый бассейн, кровоснабжение которого стало недостаточным в силу каких-либо временных ограничений кровотока в приводящем сосуде (при поворотах, наклонах головы или разгибании шеи за счет сдавления одной из сонных или позвоночных артерий).
В условиях патологии (стеноз, окклюзия) эффективное коллатеральное кровообращение происходит за счет быстрого включения истинных анастомозов, что предотвращает гибель чувствительных к гипоксии нервных клеток.
УЗДГ является методом, позволяющим относительно просто и высокоинформативно оценить наличие, функциональную состоятельность естественных анастомозов, источники и объем коллатеральной компенсации. С этой целью применяются компрессионные пробы. Суть их состоит в кратковременной последовательной компрессии общих сонных артерий и (или) ветвей наружной сонной артерии с последующей оценкой изменения кровотока в исследуемой зоне. Так, например, для оценки функции передней соединительной артерии лоцируется внутренняя сонная и (или) надблоковая артерия и производится компрессия контрлатеральной общей сонной артерии. Если передняя соединительная артерия функционирует, то отмечается усиление кровотока в области локации. При нарушении ее функции изменения кровотока не наблюдается.
Кроме того, компрессионные пробы могут быть использованы для верификации правильности ультразвукового исследования.
3. Оценка функционального резерва и реактивности артерий.
Для оценки реактивности сосудистой системы используются следующие функциональные пробы:
- гиперкапническая проба. Вдыхание газовой смеси, содержащей 5-7% СО2 в течение 1-2 минут воздействует непосредственно на гладкомышечные элементы сосудистой стенки и на синокаротидную зону. У здоровых лиц происходит расширение артериол, что приводит к уменьшению RI и увеличению ЛСК по магистральным артериям.
- проба с задержкой дыхания. Исследуемый задерживает дыхание на 30-40 секунд, в результате чего повышается уровень эндогенного СО2. По механизму действия данная проба сходна с гиперкапнической.
- гипокапническая проба. Исследуемый делает 10 глубоких вдохов, что приводит к вазоконстрикции мелких сосудов, повышению RI и снижению ЛСК по крупным артериям.
- проба с нитроглицерином. Исследуемый принимает 1 таблетку нитроглицерина под язык. Происходит расширение артерий, в большей степени крупного калибра, что приводит к снижению пиковой систолической скорости кровотока.
ОГРАНИЧЕНИЯ МЕТОДА УЗДГ
1. Затруднение исследования при аномалиях развития сосудов и окклюзирующих процессах в них, так как сигнал от кровотока вслепую ищут датчиком в проекции анатомического хода артерии.
2. Погрешность в измерении скорости кровотока из-за невозможности точной корректировки угла локации.
3. Невозможность определения причины нарушения кровотока (стеноз, извитость, тромбоз, гипоплазия, аплазия, ангиоспазм и т.д.)
4. Невозможность диагностики стенозов, занимающих менее 50% просвета сосуда.
5. Невозможность дифференцировки окклюзии и субтотального стеноза.
6. Затруднение диагностики при мультифокальном поражении артерий.
ДОППЛЕРОСОНОГРАФИЯ
В настоящее время происходит плавный переход от метода УЗДГ к новому современному допплеросонографическому методу (ДСГ).
ДСГ – это ультразвуковая методика исследования кровотока на основе эффекта Допплера в постоянном, импульсном, цветном, тканевом и энергетическом режимах со скоростями от 0,01 м/с (так называемые «паренхиматозные кровотоки») до нескольких м/с (магистральные кровотоки).
УЗДГ является скрининговым методом для первичной диагностики сосудистой патологии. При обнаружении патологических изменений далее проводится сканирование сосуда дуплексным методом, который объединяет возможности В-режима (двухмерной серошкальной эхографии) и УЗДГ.
Сканирование осуществляется в двух плоскостях: продольной и поперечной, строго перпендикулярно продольной оси сосуда. В зависимости от глубины залегания сосуда применяются датчики от 2-2,5 МГц (для внутричерепных артерий) и 3,5 МГц (для сосудов внутренних органов) до 5-10 и 16 МГц (для сосудов конечностей). Используются линейные (исследование периферических сосудов), конвексные (для сосудов брюшной полости) и секторные (транскраниальное сканирование) датчики.
Получаемое в В-режиме изображение сосуда наиболее соответствует его анатомическому строению. При исследовании сосуда в В-режиме оценивается ряд параметров:
1. Проходимость сосуда (проходим, окклюзирован).
2. Геометрия сосуда (прямолинейность хода, наличие деформаций).
3. Величина пульсации сосудистой стенки (нормопульсация, гиперпульсация, ригидность).
4. Диаметр сосуда.
5. Состояние сосудистой стенки (толщина, структура, однородность).
6. Состояние просвета сосуда (наличие атеросклеротических бляшек, тромбов, расслоения сосудистой стенки).
7. Состояние периваскулярных тканей (наличие патологических образований, зон отека, увеличенных лимфатических узлов и др.).
Получив изображение сосуда в В-режиме, подключают допплеровский режим, устанавливают угол наклона УЗ-луча, участок, в котором будет измерена скорость («контрольный объем») и получают спектр кровотока данного сосуда.
Преимуществами дуплексного исследования перед УЗДГ являются:
- возможность идентификации искомого сосуда и регистрации кровотока на строго определенном участке этого сосуда;
- возрастание точности измерения ЛСК вследствие коррекции угла между лучом и направлением кровотока.
Для исследования сосудов применяется также режим цветового допплеровского картирования (ЦДК) – это цветовое кодирование информации о направлении и скорости кровотока. Поток крови к датчику кодируется красным цветом, от датчика – синим. Низкие скорости кодируются более темными тонами красного и синего цветов, высокие –светлыми.
ЦДК позволяет:
- визуализировать мелкие сосуды, не различимые в В-режиме;
- улучшить дифференцировку между сосудистыми и несосудистыми структурами;
- увеличить возможность диагностики небольших изъязвлений и геморрагий в атеросклеротических бляшках;
- повысить точность измерения степени стеноза (особенно при гипо- и изоэхогенных бляшках);
- улучшить дифференциальную диагностику между стенозом и окклюзией;
- обеспечить визуальное определение направления потока.
В режиме ЦДК невозможна визуализация сосудистой стенки, поэтому говорят о картограмме потока. Нужно помнить, что ЦДК позволяет проводить только качественную, и, в лучшем случае, полуколичественную оценку характера кровотока, и использование этой информации без подтверждения в В-режиме и с помощью УЗДГ может привести к погрешностям и ошибкам. Кроме того, не окрашиваются сосуды, расположенные перпендикулярно ультразвуковому лучу, а также малоскоростные потоки (менее 0,1 м/с).
В настоящее время применяется режим триплексного сканирования, включающий изображение в В-режиме, ЦДК и УЗДГ.
Такое исследование имеет ряд преимуществ перед ангиографией – «золотым стандартом» при изучении патологии сосудистой системы:
- возможность оценки структуры внутрисосудистых изменений;
- изучение состояния гемодинамики в определенном отделе сосудистого русла в режиме реального времени;
- определение функционального состояния системы кровообращения.
Метод имеет недостатки:
- субъективность, зависимость от разрешающей способности аппарата;
- ограничения, связанные с анатомическими особенностями хода сосуда, состоянием окружающих тканей, отсутствием УЗ-окон.
Современные аппараты оснащены режимом энергетического допплеровского картирования (ЭДК). В режиме ЭДК цветом картируются энергетические характеристики сигналов от подвижных частиц (эритроцитов). Амплитуда сигналов при этом зависит от плотности эритроцитов в заданном объеме и не зависит от направления луча и потока, что дает высокую контрастность изображения просвета функционирующих сосудов, а также позволяет визуализировать медленный кровоток и сосуды малого калибра.
ДСГ сосудов конечностей
Оценку артериального кровотока конечностей проводят в стандартных диагностических зонах, где артерии лежат наиболее поверхностно и имеют постоянные анатомические ориентиры. Исследованию доступны подключичные, подмышечные, плечевые, локтевые, лучевые, бедренные, подколенные, большеберцовые артерии, тыльные артерии стоп. Оценивается тип кровотока (магистральный, магистрально-измененный, коллатеральный), уровень поражения, степень стеноза.
Для оценки выраженности атеросклеротического поражения магистральных артерий нижних конечностей используется лодыжечно-плечевой индекс (ЛПИ). Подсчет данного индекса производится по формуле:
ЛПИ= АД сист. на голени / АД сист. на плече.
Значение систолического АД при этом фиксируется с момента появления спектра артериального кровотока в плечевой и тибиальной артериях.
В норме значение индекса превышает 1,0. В зависимости от степени стенозирования артерий ЛПИ изменяется следующим образом: ЛПИ от 0,9 до 0,7 свидетельствует о незначительном, от 0,6 до 0,5 – об умеренном, менее 0,5 – о выраженном стенозе.
При оценке результатов сканирования венозной системы пользуются теми же принципами, что и при исследовании артериальной системы. Оценивается кровоток в плечевых, лучевых, локтевых, бедренных, подколенных, задних и передних большеберцовых венах. Исследование венозной системы верхних и нижних конечностей проводится с помощью дуплексного и триплексного сканирования: в В-режиме, цветовом и спектральном допплеровских режимах.
Сканирование в В-режиме осуществляется линейным датчиком 7,5 МГц в двух плоскостях – продольной и поперечной, через толстый слой геля во избежание компрессии вены.
Анализируются те же параметры, что и при исследовании артерий и дополнительно – состояние венозных клапанов. Клапаны представляют собой складки внутреннего слоя стенки средних и некоторых крупных вен. Можно оценить подвижность, эхогенность створок и полноту их смыкания. При патологии створки клапанов уплотнены или кальцинированы, не полностью смыкаются и пролабируют.
Для выявления рефлюкса при несостоятельности клапанного аппарата глубоких вен выполняется проба Вальсальвы. В норме при натуживании венозный кровоток исчезает, а при последующем выдохе значительно усиливается. При несостоятельности клапанного аппарата крупных вен (бедренной вены) во время натуживания на допплерограмме регистрируется ретроградный ток крови (рефлюкс) продолжительностью не менее 1 сек. При исследовании клапанного аппарата вен применяют нагрузочные пробы, суть которых заключается в повышении давления в венах, пробы проксимальной и дистальной компрессии.
Принципы получения изображения венозных сосудов в режиме ЦДК такие же, как и при исследовании артериальной системы. При получении цветовой картограммы необходимо оценивать следующие параметры:
1) проходимость сосуда;
2) наличие дефектов заполнения;
3) наличие зон турбулентности;
4) наличие зон регургитации.
Третий режим, позволяющий получить информацию о состоянии венозного русла, – спектральный допплеровский режим. Оценивается форма допплеровской кривой и ее синхронизация с актом дыхания.
Венозный кровоток в норме фазный, форма волны зависит от близости венозного сосуда к сердцу: чем дальше от сердца, тем меньше пиков на ДГ. В большинстве случаев венозный кровоток снижается при вдохе и возрастает при выдохе.
ДСГ сосудов брюшной полости
Оценивается кровоток в нижней полой и печеночных венах (кавальный кровоток), в брюшной аорте, в подвздошных артериях, в чревном стволе и его ветвях, в почечных артериях и венах, в воротной вене. Используются низкочастотные датчики с частотой 2,5 - 3,5 МГц.
В норме ДГ в аорте и подвздошных артериях трехфазная с высокой скоростью подъема кривой и острой вершиной в систолу, с отрицательным пиком в раннюю диастолу. В верхней брыжеечной артерии – двухфазная кривая с высокой резистентностью. В чревном стволе, общей печеночной и селезеночной артериях, в почечных артериях – двухфазные кривые с низкой резистентностью.
Кавальный кровоток имеет трехфазный спектр (рис. 2):
Рис.2. Кавальный кровоток: а – волна А, б – волна S, в – волна D.
– волна А обусловлена сокращением правого предсердия и градиентом давления между ним и нижней полой веной и направлена вверх от изолинии – к датчику (от сердца), ретроградно;
– волна S – систолическая, возникает в момент систолы желудочков и наполнения предсердий и направлена вниз от изолинии – от датчика (к сердцу), антеградно;
– волна D соответствует диастоле желудочков, направлена антеградно.
Портальный кровоток – это постоянный или слабо пульсирующий монофазный спектр, расположенный над изолинией. При этом в норме величина пульсации, рассчитываемая как отношение минимальной ЛСК к максимальной, не превышает 1/3.
Особый интерес представляет диагностика портальной гипертензии (ПГ). ПГ – это увеличение давления в воротной вене (ВВ) свыше 10мм рт. ст. вследствие обструкции на любом из ее участков. Наиболее частой причиной ПГ является цирроз печени.
Для синдрома ПГ характерны:
– увеличение диаметра ВВ и селезеночной вены;
– снижение ЛСК по ВВ;
– уменьшение фазности кровотока по печеночным венам вплоть до монофазной кривой (портализация кавального кровотока);
– перераспределение кровотока по портокавальным и артериокавальным анастамозам с развитием варикозно расширенных вен пищевода;
– увеличение ЛСК и уменьшение RI в бассейне верхне-брыжеечной артерии;
– уменьшение ЛСК и увеличение RI в бассейнах печеночных и почечных артерий.
ДСГ позволяет диагностировать тромбоз воротной вены, аневризмы и стенозы аорты, стеноз мезентериальных артерий. С помощью данной методики оценивают результаты имплантации кава-фильтра – специального эмболоулавливающего устройства, применяемого для профилактики тромбоэмболии легочной артерии.