Возможности ультразвуковой эхографии в определении реологических свойств циркулирующей крови

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, расстрой- 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,

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 экс-травазированной 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].

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 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 мм2

сСт с ; числа Уомерсли α (α =1/2 d√ω/ν, где 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 = Ud/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

ν = ωδ2 (сСт)

α = 1/2 d√ω/ν

Re = U d/ν

V = –4Uo/d

τ = V ν

ε = Sδ /Sо

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	D	Vps	ТАМХ	ЧСС	δ	Sδ	So	ω	T	ν	α	α 2	Re	Vсдв	τ	ε
ОСА (d)	7,1	47	23	64	2,0	18	19	6,7	0,15	26,8	1,77	3,13	6,1	–132	–3,55	0,95
ВСА (d)	5,5	88	53	69	1,2	9	13	7,2	0,14	10,4	2,29	5,24	28	–320	–3,33	0,69
ПА (d)	4,0	15	9	69	1,2	2	6	7,2	0,14	10,4	1,67	2,79	3,5	–75	–0,78	0,33
ОСА (s)	7,0	62	25	65	1,8	17	20	6,8	0,15	22,0	1,94	3,76	7,9	–177	–3,90	0,85
ВСА (s)	4,6	59	34	64	1,6	13	15	6,7	0,15	17,1	1,44	2,07	9,1	–256	–4,40	0,86
ПА (s)	4,0	14	8	69	1,3	3	6	7,2	0,14	12,2	1,54	2,37	2,6	–70	–0,85	0,5

В качестве примера приводим вариант протокола данных количественного анализа картограмм кровотока на проксимальном уровне прецереб-ральных 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 потока) позволяет проводить анализ гемодинамической эффективности кровотока в любом участке сосудистого русла.