ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОГРАФИИ В

УДК 616.155-073
ВОЗМОЖНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОГРАФИИ
В ОПРЕДЕЛЕНИИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ КРОВИ
Е.М. Ермак
Целью исследования является изучение возможностей ультразвуковой эхографии
в определении реологических свойств циркулирующей крови в различных участках сосудистого русла в условиях реальной гемодинамической ситуации (in vivo). Проведены
ультразвуковые исследования кровотока в различных участках артериального сосудистого русла у 586 пациентов мужского и женского пола в возрасте от 20 до 85 лет с различными формами сердечно-сосудистой патологии. Исследования проводились линейным датчиком с частотой излучения 3–9 МГц с использованием режимов цветового
«энергетического» допплеровского кодирования кровотока и спектральной импульсной
допплерографии. Выявлены новые возможности ультразвуковой эхографии в определении ряда параметров, характеризующих реологические свойства крови, таких как
толщина пограничного слоя потока крови, площадь сечения пограничного слоя потока
крови, площадь сечения осевого потока крови, кинематическая вязкость крови (ν), число Уомерсли (α), число Рейнольдса (Re), напряжение сдвига: τ = V ν, индекс структуры
потока (ε). Возможность визуального наблюдения и точного измерения толщины пограничного слоя потока крови в любом участке сосудистого русла открывает перспективу использования ультразвуковой эхографии в качестве нового метода объективного
анализа реологических свойств крови в условиях реальной гемодинамики (in vivo).
Толщина пограничного слоя потока крови представляет собой универсальный (визуальный и количественный) критерий, характеризующий локальные и региональные гемореологические свойства. Комплекс параметров, вычисляемых на основе толщины
пограничного слоя потока крови, формирует ультразвуковой гемореологический паттерн, представляющий собой «сложный динамический» объективный критерий диагностики состояния регионарной и локальной патологии системы гемостаза циркулирующей крови. Возможность дифференцировки в структуре потока пограничного (вязкого)
и осевого (инерционного) потоков позволяет проводить анализ гемодинамической эффективности потока в любом участке сосудистого русла.
Ключевые слова: пограничный слой потока крови, кинематическая вязкость
крови, гемореология, ультразвуковой гемореологический паттерн, индекс структуры
потока.
Реологические свойства крови являются фактором, определяющим её текучесть, транспортный
и перфузионный потенциал [3]. Жидкое агрегатное
состояние крови, ее текучесть, оптимальный уровень вязкости обеспечиваются системой гемостаза,
отражением функционального состояния которой
являются гемостатические потенциалы в различных участках кровотока. Нарушение реологических свойств крови сопровождается повышением
вязкости крови, усилением агрегационной активности форменных элементов, снижением деформируемости эритроцитов и является важным звеном патогенеза сердечно-сосудистой патологии
[6, 9]. Дисрегуляция гемостаза рассматривается
как универсальный фактор патогенеза ишемических инсультов [5].
Ключевым гемореологическим параметром
является вязкость – величина, обратная текучести.
Повышение вязкости крови сопровождается падением объемного магистрального кровотока, снижением венозного возврата, увеличением периферического сосудистого сопротивления, расстрой2014, том 14, № 1
ством микроциркуляции, что в результате приводит к функциональной недостаточности органов и
тканей, срыву резервов компенсации кровообращения, транзиторной гипертензии [5].
Вязкость крови зависит от ряда динамических
параметров, таких как геометрия сосудистого дерева, градиент давления, линейная скорость кровотока, меняющийся диаметр сосуда, скорость
сдвига слоев крови, структурные характеристики
крови. Движущаяся по сосудам кровь обладает
пульсацией скоростей и давлений во всех точках
занимаемого ею пространства, независимо от тонуса сосудистой стенки и других динамических
явлений, сопутствующих кровообращению. Радиус потока крови является главной управляемой
переменной циркулирующей крови. Важнейшим
аспектом в этой системе является возникновение
структурной вязкости крови, зависящей от градиента скорости течения [7].
Потенциальный вклад каждого динамического параметра в изменение вязкости циркулирующей крови различен и отражает физиологическую,
83
Проблемы здравоохранения
адаптационную или патологическую перестройку
макро- и микрореологических характеристик крови, что в условиях реальной гемодинамики вызывает каскад распределения вязкости в кровотоке
[2]. Мозаичность гемостатического потенциала в
разных участках сосудистого русла, распределенный характер вязкости циркулирующей крови,
появление структурной вязкости исключают возможность объективного определения реальных
значений вязкости циркулирующей крови по данным анализа экстравазированной крови.
Поскольку анализ реологических свойств экстравазированной крови не учитывает ряд динамических параметров и динамических явлений, сопутствующих гемоциркуляции, особую актуальность приобретает поиск способа определения
реологических свойств циркулирующей крови
in vivo в различных участках сосудистого русла в
условиях реальной гемодинамической ситуации
[1, 7]. Современные ультразвуковые диагностические системы, оснащенные допплерографическими технологиями исследования сосудистого русла,
сочетают преимущества визуальной и количественной оценки структуры потока крови, что
значительно расширяет методологические возможности решения данной проблемы. Цветовое
допплеровское кодирование распределения интенсивности кровотока по поперечному сечению
сосуда позволяет визуализировать пограничный
слой движущейся крови в любом участке сосудистого русла и точно измерить его толщину. Известно, что толщина пограничного слоя потока (δ)
представляет собой физическую величину, количественно характеризующую вязкость [8].
Цель настоящего исследования заключалась в
изучении возможностей ультразвуковой эхографии, в определении реологических свойств циркулирующей крови в различных участках сосудистого русла (in vivo) в условиях реальной гемодинамической ситуации.
Проведена серия ультразвуковых исследований кровотока в различных участках артериального сосудистого русла у 586 пациентов мужского и
женского пола в возрасте от 20 до 85 лет с различными формами сердечно-сосудистой патологии.
Исследования проводились на ультразвуковой диагностической системе (Phillips iU22) широкополосным линейным датчиком с частотой излучения
3–9 МГц с использованием технологии цветового
«энергетического» допплеровского кодирования
кровотока с использованием цветовой карты, позволяющей кодировать распределение интенсивности потока по поперечному сечению сосуда.
Для получения информации о скорости кровотока
использовали режим импульсной спектральной
допплерографии. Визуальную и количественную
оценку цветовых картограмм кровотока проводили
по разработанному нами способу определения
реологических свойств крови, в основе которого
лежит визуальная и количественная оценка пограничного слоя потока крови (δ) [4].
84
Результаты исследования. Визуальный анализ цветовых картограмм кровотока на протяжении сосудистого русла у разных пациентов обнаружил характерную структуру потока движущейся
крови, в котором выделяются две области. Первая
область – тонкий гетерохромный слой в непосредственной близости от сосудистой стенки. Для цветовой картограммы пристеночного слоя кровотока
характерно градиентное распределение цвета по
убывающей от центральной части потока к стенке
сосуда. Гетерохромность пристеночного слоя кровотока эксплицирует наличие значительного градиента интенсивности кровотока в направлении,
перпендикулярном стенке. Цветовая картограмма
кровотока на уровне зоны гемоэндотелиального
контакта соответствует нижней части цветовой
шкалы, что свидетельствует об отсутствии движения, по сути – о прилипании крови к сосудистой
стенке. Таким образом, гетерохромная область
потока с поперечным градиентом интенсивности
движения расценена как пограничный слой кровотока, внешней границей которого является область
нулевой интенсивности движения в зоне гемоэндотелиального контакта, внутренней границей –
область максимальной интенсивности движения,
совпадающая по цветовой картограмме с областью
центрального потока.
Вторая область, обнаруживаемая в структуре
потока движущейся крови, представляет собой
относительно монохромно окрашенный поток,
распложенный вне пограничного слоя в центральной части сосуда. Монохромная часть потока крови расценена как область осевого потока. В области осевого потока градиент интенсивности
движения не достигает высоких значений, как в
пограничном слое, что проявляется относительной
однородностью цветов спектра цветовой шкалы.
Пограничный слой представляет собой область, в которой вязкость играет определяющую
роль в формировании свойств потока. При пульсирующем течении в жесткой трубке толщина пограничного слоя (δ) равна расстоянию от стенки,
на которое распространяется существенное влияние вязкости в течение одного периода колебаний.
Согласно уравнению Навье-Стокса, толщина пограничного слоя пропорциональна корню квадратному из кинематической вязкости, то есть δ∼√ν.
Величина разности давлений поперек пограничного слоя имеет порядок δ2, то есть очень мала, и
поэтому давление в поперечном направлении пограничного слоя остается практически постоянным и равным давлению на внешнем крае пограничного слоя и которое определяется здесь течением без трения. Область пограничного слоя
оказывает существенное влияние на течение, поскольку здесь касательное напряжение (τ), вызванное трением, может принимать большие значения. В области осевого потока действие вязкости не играет существенной роли, и движение
крови осуществляется под действием инерционных сил [3, 8]. Возможность дифференцировки
Вестник ЮУрГУ. Серия «Образование, здравоохранение, физическая культура»
Ермак Е.М.
Возможности ультразвуковой эхографии в определении
реологических свойств циркулирующей крови
в структуре потока пограничного (вязкого) и осевого (инерционного) потоков позволяет проводить
анализ гемодинамической эффективности потока в
любом участке сосудистого русла.
Структура потока в различных участках сосудистого русла у разных пациентов отличалась значительным полиморфизмом за счет изменений
соотношения структурных слоев, отражающих
особенности радиального распределения интенсивности кровотока. Визуальный анализ вариантов
структуры потока позволил выделить несколько
основных разновидностей:
1) тонкий равномерный по толщине пограничный слой с четко выраженной цветовой градуировкой слоев, ровные параллельные границы
между слоями, широкий монохромный осевой поток с окраской максимальной интенсивности;
2) тонкий равномерный по толщине пограничный слой с четко выраженной цветовой градуировкой слоев, ровные параллельные границы
между слоями, широкий монохромный осевой поток с окраской средней интенсивности;
3) тонкий равномерный по толщине пограничный слой с четко выраженной цветовой градуировкой слоев, ровные параллельные границы
между слоями, широкий осевой поток с частичной
утратой монохромности в виде неравномерной
окраски различной интенсивности;
4) неравномерно утолщенный пограничный
слой, с нарушенной четкостью цветовой градуировки слоев, неровными «зубчатыми» границами
между слоями, неравномерно суженный осевой
поток с утраченной монохромностью в виде неравномерной окраски высокой, средней и низкой
интенсивности;
5) неравномерно утолщенный пограничный
слой, с нарушенной четкостью цветовой градуировки слоев, неровными «зубчатыми» границами
между слоями, неравномерно суженный осевой
поток с утраченной монохромностью в виде неравномерной окраски средней и низкой интенсивности;
6) отсутствие дифференцировки осевого потока, неравномерная окраска потока средней или
низкой интенсивности.
Количественный анализ цветовых картограмм
кровотока в интересующем участке сосудистого
русла проводился на основе разработанного нами
способа [4] и включал измерение локальной толщины пограничного слоя потока крови (δ), площади сечения пограничного слоя потока крови (Sδ),
площади сечения осевого потока крови (Sо), диаметра сосуда (d), пиковой систолической (Vps) и
средней максимальной скорости осевого потока
крови (TAMX), частоты сокращений сердца (f)
с последующим расчетом параметров, характеризующих реологические свойства крови в исследуемом участке сосудистого русла: кинематической вязкости крови ν (ν = ωδ2, где ω = 2πf, угловая частота), единица измерения – сантистокс,
1 мм 2
сСт
; числа Уомерсли α (α =1/2 d√ω/ν, где
с
d – диаметр сосуда); параметра α2 характеризующем время, в течение которого действие вязких
сил распространяется на всю ширину сечения к
периоду колебаний (α2 = d2/4ν/T, где Т = 1/ω, период
колебаний); числа Рейнольдса Re (Re = U d/ν, где
U – средняя максимальная скорость осевого потока крови); скорости сдвига V (V = –4Uo/d, где Uo –
пиковая систолическая скорость осевого потока
крови); напряжения сдвига (τ = V ν); индекса
структуры потока ε, количественно характеризующего соотношение пограничного (вязкого) и
осевого (инерционного) потоков (ε = Sδ/Sо, где Sδ –
площадь пограничного слоя, Sо – площадь осевого
потока).
Для фиксации данных количественного анализа картограмм кровотока разработан протокол
результатов исследования в форме электронной
таблицы. В левой половине протокола расположены измеряемые параметры, такие как локальная
толщина пограничного слоя потока крови (δ), диаметр сосуда (d), площадь сечения пограничного
слоя потока крови (Sδ), площадь сечения осевого
потока крови (Sо), пиковая систолическая скорость осевого потока крови (Vps), средняя максимальная скорость осевого потока крови (TAMX),
частота сокращений сердца (f) (табл. 1).
В правой половине протокола расположены
вычисляемые параметры, такие как кинематическая вязкость крови ν, число Уомерсли α, параметр
α2, число Рейнольдса Re, скорость сдвига V, напряжение сдвига τ, ультразвуковой параметр
структуры потока ε (табл. 2).
Таблица 1
Результаты количественной оценки цветовой картограммы кровотока
в проксимальном сегменте внутренней сонной артерии (измеряемые параметры)
Сегмент
сосуда
δ (мм)
d (мм)
Sδ (мм2)
Sо (мм2)
Vps (см/с)
TAMX (см/с)
f
(уд./мин)
Таблица 2
Результаты количественной оценки цветовой картограммы кровотока
в проксимальном сегменте внутренней сонной артерии (вычисляемые параметры)
Сегмент
сосуда
ω = 2πf
2014, том 14, № 1
ν = ωδ2 (сСт)
α = 1/2 d√ω/ν
Re = U d/ν
V = –4Uo/d
τ=Vν
ε = Sδ /Sо
85
Проблемы здравоохранения
Таблица 3
Гемореологические параметры в проксимальных сегментах
общих сонных (ОСА), внутренних сонных (ВСА) и позвоночных артерий (ПА) справа (d) и слева (s)
Артерия
ОСА (d)
ВСА (d)
ПА (d)
ОСА (s)
ВСА (s)
ПА (s)
D
7,1
5,5
4,0
7,0
4,6
4,0
Vps
47
88
15
62
59
14
ТАМХ ЧСС
23
64
53
69
9
69
25
65
34
64
8
69
δ
2,0
1,2
1,2
1,8
1,6
1,3
Sδ
18
9
2
17
13
3
В качестве примера приводим вариант протокола данных количественного анализа картограмм
кровотока на проксимальном уровне прецеребральных сегментов брахиоцефальных артерий
(табл. 3).
Повышение кинематической вязкости крови,
уменьшение числа Уомерсли и параметра α2,
уменьшение числа Рейнольдса, увеличение напряжения сдвига и индекса структуры потока расценивается как снижение текучести и увеличение
тромбогености крови, повышенный риск повреждения эндотелия, увеличение диссипации энергии потока, снижение продольного градиента давления.
Заключение. Таким образом, возможность
визуального наблюдения и точного измерения
толщины пограничного слоя потока крови в любом участке сосудистого русла открывает перспективу использования ультразвуковой эхографии в качестве нового метода объективного анализа реологических свойств движущейся крови в
любом сосудистом регионе в условиях реальной
гемодинамики (in vivo) в режиме реального времени. Толщина пограничного слоя потока крови
представляет собой универсальный (визуальный и
количественный) критерий, характеризующий локальные и региональные гемореологические свойства. Комплекс параметров, вычисляемых на основе толщины пограничного слоя потока крови,
формирует ультразвуковой гемореологический
паттерн, представляющий собой «сложный динамический» объективный критерий диагностики
состояния регионарной и локальной патологии
системы гемостаза циркулирующей крови. Возможность определения в структуре потока крови
соотношения пограничного (вязкого) и осе-вого
(инерционного) потоков (индекс структуры
So
19
13
6
20
15
6
ω
6,7
7,2
7,2
6,8
6,7
7,2
T
0,15
0,14
0,14
0,15
0,15
0,14
ν
26,8
10,4
10,4
22,0
17,1
12,2
α
1,77
2,29
1,67
1,94
1,44
1,54
α2
3,13
5,24
2,79
3,76
2,07
2,37
Re
6,1
28
3,5
7,9
9,1
2,6
Vсдв
–132
–320
–75
–177
–256
–70
τ
–3,55
–3,33
–0,78
–3,90
–4,40
–0,85
ε
0,95
0,69
0,33
0,85
0,86
0,5
потока) позволяет проводить анализ гемодинамической эффективности кровотока в любом участке
сосудистого русла.
Литература
1. Баркаган, З.С. Патология гемостаза: рук.
по гематологии / З.С. Баркаган; под ред. А.И. Воробьева. – М.: Ньюдиамед, 2005. – Т. 3. – С. 142–145.
2. Левтов, В.А. Реология крови / В.А. Левтов,
С.А. Регирер, Н.Х. Шадрина. – М.: Медицина,
1982. – 269 с.
3. Механика кровообращения / К. Каро,
Т. Педли, Р. Шротер, У. Сид. – М.: Мир, 1981. –
624 с.
4. Пат. 2482790 Рос. Федерация: МПК 51
А61В 5/026 А61В 8/06 G01N1/02. Способ неинвазивного определения реологических свойств крови in vivo / Е.М. Ермак, Д.Ш. Альтман, М.С. Новокрещенова и др. – № 2011152420/14; заявл.
21.12.2011; опубл. 27.05.2013, Бюл. № 15.
5. Суслина, З.А. Клиническая гемостазиология и гемореология в сердечно-сосудистой хирургии / З.А. Суслина, М.М. Танашян, В.Г. Ионова. –
М., 2005. –320 с.
6. Церебральная микроциркуляция при артериальной гипертензии / И.В. Ганнушкина, В.П. Шафранова, Т.В. Галайда, Л.С. Андреева // Вестн. АМН
СССР. – 1980. – № 1. – С. 27–34.
7. Чижевский, А.Л. Структурный анализ движущейся крови / А.Л. Чижевский. – М.: АН СССР,
1959. – 475 с.
8. Шлихтинг, Г.Г. Теория пограничного слоя /
Г.Г. Шлихтинг. – М.: Наука, 1974. – 712 с.
9. On the mechanism of antiaggregatory effect
of myricetin / J. Robak, R. Korbut, F. Shridi et al. //
Pol. J. Pharmacol. Pharm. – 1988. – Suppl. 3. –
P. 337–340.
Ермак Елена Михайловна, доктор медицинских наук, доцент кафедры онкологии, лучевой диагностики, лучевой терапии, Южно-Уральский медицинский университет, заведующая отделением ультразвуковой диагностики, Челябинский областной клинический терапевтический госпиталь ветеранов войн (Челябинск), elen.ermak@gmail.com.
Поступила в редакцию 2 декабря 2013 г.
86
Вестник ЮУрГУ. Серия «Образование, здравоохранение, физическая культура»
Ермак Е.М.
Возможности ультразвуковой эхографии в определении
реологических свойств циркулирующей крови
Bulletin of the South Ural State University
Series “Education, Healthcare Service, Physical Education”
2014, vol. 14, no. 1, pp. 83–87
ULTRASOUND ECHOGRAPHY CAPABILITIES IN DEFINING
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CIRCULATING BLOOD
E.M. Ermak, South Ural State Medical University, Chelyabinsk, Russian Federation, elen.ermak@gmail.com
Objective: the research is aimed at studying the capabilities of ultrasound echography in
defining rheological properties of circulating blood in different parts of vasculature in vivo
in real hemodynamic situation. Ultrasound examinations of blood flow in different parts of
arterial vasculature were performed on 586 male and female patients aged 20 to 85, with different cardiovascular pathologies. The examinations were made by linear probe, radiation frequency 3–9 MHz, with color “energy” and spectral doppler coding of blood flow and spectral
impulse doppler sonography. The study showed new opportunities for ultrasound echography
in defining a number of parameters characterizing rheological properties of blood such as
thickness of shear layer of blood flow, cross-sectional area of shear layer of blood flow, crosssectional area of axial blood flow, blood kinematic viscosity (ν), Womersley number (α), Reynolds number (Re), shearing stress: τ = V ν index of shift of the flow (ε). The study showed
capabilities of visual examination and accurate measurement of thickness of shear layer of
blood flow in any part of vasculature which open a prospect to use ultrasound echography as
a new method of objective analysis of blood rheological properties in real hemodynamic situation (in vivo). Thickness of shear layer of blood flow can be considered a universal (visual and
quantitative) criterion that characterizes local and regional hemorheologic properties. The number
of parameters calculated on the basis of blood flow shear-layer thickness forms ultrasonic
hemorheologic pattern which is an objective “complex dynamical” criterion in diagnosing of
regional and local pathology of hemostasis system of circulating blood. The capability to differentiate shear (viscous) and axial (inertial) layers in blood flow structure allows to analyze
hemodynamic effectiveness of the flow in any part of vasculature.
Keywords: shear layer of blood flow, kinematic blood viscosity, hemorheology, ultrasonic
hemorhealogic pattern, index of shift of the flow.
References
1. Barkagan Z.S., Vorob'ev A.I. [Pathology Homeostasis. Guidelines for Haemotology] N'yudiamed
[Nyudiamed]. Moscow, 2005, vol. 3, pp. 142–145.
2. Levtov V.A., Regirer S.A., Shadrina N.Kh. Reologiya krovi [Blood Rheology]. Moscow, Medical Publ.,
1982, 269 p.
3. Karo K., Pedli T., Shroter R., Sid U. Mekhanika Krovoobrashcheniya [The Mechanics of the Circulation].
Moscow, World Publ., 1981. 624p.
4. Ermak E.M., Al'tman D.Sh., Novokreshchenova M.S., Malyavkina S.A., Satonina E.V. Sposob neinvazivnogo opredeleniya reologicheskikh svoystv krovi in vivo [Non-invasive Method of Identification of Blood
Rheological Properties in Vivo]. Patent RF, no. 2011152420, 2013.
5. Suslina Z.A., Tanashjan M.M., Ionova V.G. Klinicheskaya gemostasiologiya I gemoreologiya v serdechnososudistoy khirurgii [Clinical Hemostaseology and Hemorheology in Cardiovascular Surgery]. Moscow, Medical
Book Publ., 2005, 320 p.
6. Gannushkina I.V., Shafranova V.P., Galayda T.V., Andreeva L.S. [Cerebral Microcirculation in the Case
of Arterial Hypertension]. Vestnik akademiya meditsinskikh nauk sovetskiy soyuz sotsialisticheskikh respublik
[Bulletin of the Soviet Academy of Medical Sciences of the Union of Socialist Republics]. 1980, no. 1, pp. 27–34
(in Russian).
7. Chizhevskiy A.L. Struskturnuy analiz dvizhushcheisya krovi [Structural Analyses of Blood in Motion].
Moscow, Academy Sciences of the Soviet Union of Socialist Republics Publ., 1959, 475 p.
8. Schlichting G.G. Teoriya pogranichnogo sloya [Shear Layer Theory]. Moscow, Science Publ., 1974, 712 p.
9. Robak J., Korbut R., Shridi F. On the Mechanism of Antiaggregatory Effect of Myricetin, Pol.
J. Pharmacol. Pharm., 1988, suppl. 3, pp. 337–340.
Received 2 December 2013
2014, том 14, № 1
87