(i) Основные принципы ультразвуковой допплерографии для определения скорости кровотока
Транскраниальная допплерография — это неинвазивный метод, использующий эффект ультразвуковой допплерографии для измерения гемодинамики и физиологических параметров кровотока в крупных артериях основания черепа. Он позволяет ультразвуковому лучу проходить через тонкую часть черепа (определенное акустическое окно) и получать прямой допплеровский сдвиг сосудистой сети у основания мозга на определенном расстоянии и в пределах определенного объема выборки.
В последние годы транскраниальная допплерография используется для быстрого анализа допплеровского спектра с помощью микрокомпьютера, отображения и расчета ряда физиологических параметров, таких как пиковая систолическая скорость, конечная диастолическая скорость, средняя скорость, отношение пиковой систолической скорости к конечной диастолической скорости (S/D), индекс пульсативности (PI), индекс сопротивления (RI) и т.д., что может помочь в клиническом анализе различных цереброваскулярных заболеваний. В 1842 году родился австрийский ученый Кьеркегор.
В 1842 году австрийский ученый Кьяушен Иоганн Доплер описал физический эффект. Наблюдая за изменением цвета света от планеты, он обнаружил, что когда планета движется в противоположную сторону от Земли, цвет света смещается в сторону фиолетового конца спектра, что указывает на увеличение частоты световых волн, а когда планета движется в обратную сторону от Земли, цвет света смещается в сторону красного конца спектра, что указывает на уменьшение частоты световых волн. Это физическое явление получило название эффекта Доплера.
Допплеровская ультрасонография — это инструмент, использующий эффект Допплера для обнаружения кровотока. Зонд действует как передатчик и приемник ультразвуковых волн, и изменение частоты, регистрируемое такой структурой, вызвано смещением отражателя (клеток крови). При измерении скорости кровотока скорость распространения и частота излучения ультразвуковых волн в ткани постоянны. Таким образом, существует очень простая зависимость между обнаруженной скоростью крови V и истинной скоростью крови|V|: V =|V|cosθ
где θ — угол между ультразвуковым лучом и направлением кровотока. Из уравнения легко понять, что чем меньше угол между ультразвуковым лучом и направлением кровотока, тем ближе результат к истинной скорости кровотока. При проведении исследования сосудов головного мозга мы не можем оценить угол между ультразвуковым лучом и направлением сосуда. Однако, из-за относительно постоянного анатомического положения сосудов в основании мозга по отношению к ультразвуковому окну, это обеспечивает анатомическую основу, которая облегчает измерение истинной скорости кровотока, т.е. ограничение ультразвукового окна местом падения ультразвукового луча диктует, что скорость кровотока внутричерепных сосудов может быть определена только под небольшим углом.
Поэтому ошибку, образованную этим углом, можно не учитывать, т.е. угол между лучом ультразвука и курсом судна считается равным нулю.
(ii) Методы обнаружения
1.Обнаружение экстракраниальных сосудов
Исследование сосудов экстракраниального сегмента включает общую сонную артерию, наружную сонную артерию и экстракраниальный сегмент внутренней сонной артерии. Комплексное обследование экстракраниального сегмента важно для правильной идентификации внутричерепных гемодинамических изменений. Стеноз или окклюзия чаще всего возникают в области бифуркации общей сонной артерии и внутренней сонной артерии. Если поражение медленно прогрессирует, может возникнуть внутричерепное коллатеральное кровообращение, и полное понимание этого позволит избежать ошибки при оценке эффекта коллатерального кровообращения как внутричерепного стеноза.
Пациента укладывают в положение лежа с наклоном головы в противоположную сторону, датчик 4 МГц помещают латеральнее грудино-ключично-сосцевидной мышцы и перемещают датчик от проксимального отдела к дистальному для обеспечения полного обзора общей сонной артерии, следя за тем, чтобы ультразвук располагался под углом 45° к направлению движения сосуда. Слишком большой или слишком маленький угол будет влиять на рассчитанную скорость кровотока.
Наружную сонную артерию обычно разделяют на уровне щитовидного хряща, прослеживают и регистрируют ее передне-верхнее направление. Внутренняя сонная артерия прослеживается сзади и сбоку от бифуркации общей сонной артерии до тех пор, пока ее не удастся обнаружить. При нормальных обстоятельствах определение общей и наружной сонных артерий не вызывает затруднений. Спектральные картины общей сонной артерии, наружной и внутренней сонных артерий четко различаются, причем первые две из них отличаются высокой пульсацией.
2. обнаружение сосудов во внутричерепном сегменте
Определение акустического окна является первым шагом к успешному проведению транскраниального мультиспектрального исследования. Акустическое окно — это канал, через который ультразвук может проникнуть в череп без сильного затухания. Существует три основных «окна», которые были определены и могут быть использованы в клинической практике, а именно височное, орбитальное и затылочное окна. Получение хорошего внутричерепного сосудистого допплеровского сигнала зависит от умения оператора установить зонд в оптимальное положение и под оптимальным углом для получения адекватного допплеровского сигнала после определения окна.
(1) Височное окно: Височное окно — это область над скуловой дугой, между наружным краем орбиты и ухом. Эта зона может быть разделена на переднее, среднее и заднее окна. Поскольку проникновение ультразвука в височное окно зависит от толщины черепа в этой области, у людей разного возраста и пола наблюдаются различия. У молодых взрослых обычно имеется большая область, где можно получить идеальный сигнал, в то время как у пожилых людей временное окно часто уменьшается или даже отсутствует из-за утолщения костей, особенно у пожилых женщин.
Височное окно исследуется при положении пациента лежа, голова находится в вертикальном положении. На исследуемую область подается достаточное количество акустической связи для поддержания хорошего контакта между зондом и кожей с умеренным давлением без выдавливания связи и причинения дискомфорта пациенту. Используется зонд с фокусированным излучением частотой 2 МГц, а глубина обычно устанавливается между 55 и 60 см, где легче всего получить доплеровский сигнал.
При обнаружении доплеровского сигнала зонд перемещают или слегка наклоняют, чтобы выбрать оптимальное положение для наиболее сильного и четкого доплеровского сдвига. Переднюю мозговую артерию, переднюю сообщающуюся артерию, среднюю мозговую артерию, терминальный сегмент внутренней сонной артерии, заднюю сообщающуюся артерию, заднюю мозговую артерию и бифуркацию базилярной артерии можно обнаружить через височное окно.
(2) Орбитальное окно: испытуемого укладывают в вертикальное положение с закрытыми глазами. Зонд с частотой 2 МГц помещают на веко без сильного давления, пока зонд остается в контакте с кожей. Доплеровская энергия снижена до 5%, а время пребывания в глазу максимально сокращено. Трансорбитальное окно фокусируется на сифонном сегменте внутренней сонной артерии и глазничной артерии.
(3) Затылочное окно: Испытуемый опускает и сгибает шею так, чтобы пространство между черепом и ключичным отростком было открыто. Зонд устанавливается на 1,5-2 см ниже затылочного бугра в задней средней линии шеи, акустический луч направляется на надбровную дугу, чтобы он вошел в череп через foramen magnum затылочной кости. В этом окне можно обнаружить внутричерепной сегмент позвоночной артерии, заднюю нижнюю мозжечковую артерию и базилярную артерию.
(iii) Нормальный цереброваскулярный допплеровский спектр и параметры потока
Типичная нормальная транскраниальная допплеровская спектральная картина состоит из серии непрерывных и регулярных импульсных колебаний, которые совпадают с сердечным циклом. Она формируется приблизительно в виде правильного треугольника, причем каждая частота занимает один сердечный цикл. Кривая внешней частоты состоит из восходящей и нисходящей ветвей, угол между восходящей ветвью и нулевой базовой линией называется углом альфа, с двумя пиками в систолу, S1 и S2, и третьим пиком в раннюю диастолу, D. Время от начала систолы до наибольшей скорости кровотока называется временем пика (рис. 44).
Диапазон распределения скоростей между нулевой базовой линией и максимальной скоростью крови в определенный момент спектра называется полосой пропускания. Высокоэнергетические сигналы сосредоточены на периферии и более темные, а низкоэнергетические сигналы распределены в нижней части спектра и более светлые. В результате образуется окно, называемое «окном частоты». Это происходит в основном благодаря «ламинарному потоку» крови в кровеносных сосудах. Важно отметить, что иногда возникает артефакт потери частотного окна, например, неподходящий угол между звуковым лучом и сосудом или слишком большое количество отраженной энергии ультразвука. Поэтому при проведении испытания важно постараться найти оптимальный угол передачи и выбрать соответствующую мощность ультразвукового излучения.
Существуют значительные различия между спектральными картинами внутренней и наружной сонных артерий. Внутренняя сонная артерия имеет те же характеристики потока, что и внутричерепная артерия, с относительно низким сопротивлением и пологими нисходящими ветвями, в то время как наружная сонная артерия имеет высокое сопротивление и характеристики периферического сосудистого русла, с высоким остроконечным систолическим пиком, крутыми нисходящими ветвями и отчетливым диастолическим тангенсом.
Спектральные параметры транскраниальной допплерографии включают скорость потока, индекс биения, отношение пиковой систолической скорости потока к конечной диастолической скорости потока и индекс сопротивления. Измерение скорости кровотока является основным параметром транскраниальной допплеровской спектроскопии, который включает пиковую систолическую скорость кровотока (V S), среднюю скорость кровотока (V m ) и конечную диастолическую скорость кровотока (Vd). Индекс пульсативности (PI) и отношение пиковой систолической скорости потока к конечной диастолической скорости потока (S/D), которые являются показателями сосудистого соответствия и эластичности сосудов, и индекс сопротивления (RI), который является показателем диастолического состояния церебрального сосудистого русла, т.е. состояния сопротивления. Формула выглядит следующим образом
PI = пиковая систолическая скорость потока — конечная диастолическая скорость потока / средняя скорость кровотока
S/D = пиковая систолическая скорость потока/ конечная диастолическая скорость потока
RI = пиковая систолическая скорость потока — конечная диастолическая скорость потока / пиковая систолическая скорость потока
II. ТКД-диагностика цереброваскулярных заболеваний
(i) Церебральная артериовенозная мальформация (A V M )
Церебральная артериовенозная мальформация A V M — это врожденная аномалия развития сосудов головного мозга. Основной патофизиологией этой мальформации является кража крови из мальформированных сосудов, при этом большое количество церебральной артериальной крови теряется через артериовенозное замыкание, вызывая церебральные гемодинамические изменения. С помощью технологии транскраниальной допплерографии можно обнаружить не только аномальный кровоток в месте мальформации, но и все артерии, участвующие в кровоснабжении, а также кражу крови в контралатеральном или ипсилатеральном полушарии.
1. ТКД-проявления церебральной АВ М
(1) Изменение скорости кровотока
В нормальных артериолах существует сеть капилляров, которая создает нормальное сосудистое сопротивление. При артериовенозных мальформациях наличие фистулы между артерией и веной снижает сосудистое сопротивление, что приводит к увеличению кровотока и значительному увеличению времени циркуляции крови. Характеристики низкого сопротивления питающей артерии отражаются в снижении индекса пульсативности (PI), который значительно уменьшается с увеличением скорости потока.
(2) Спектральные характеристики кровотока
Чем выше скорость потока, чем больше возмущение потока, дилатация и извитость сосудов, тем больше спектр теряет свои нормальные характеристики «частотного окна», показывая границу, похожую на заусенец, и заполняя частотное окно. Возмущенные сигналы кровотока на разных частотах, слабо наслоенные, вихревые токи, усиленные низкочастотные сигналы и ослабленные высокочастотные сигналы, или двунаправленный спектр кровотока.
(3) Звуковые характеристики кровотока
Нормальная допплерография кровотока мягкая и четкая, но при артериовенозных мальформациях скорость кровотока и скорость потока увеличиваются, а направление кровотока в мальформированных сосудистых скоплениях сильно варьируется. Можно обнаружить громкий, грубый, беспорядочный, похожий на машинный шум в сосудах, а также резкий, музыкальный шум.
Высокая скорость потока и низкие характеристики сопротивления в спектре кровоснабжающей артерии AV M
(4) Внутричерепное кровообращение
В результате снижения сопротивления и увеличения скорости потока в деформированном сосудистом массиве давление в артерии, снабжающей кровью, снижается, и кровоток к нормальной ткани мозга похищается из церебральной АВМ, что приводит к «синдрому похищения крови». Тест TC D может выявить открытие аномальных транспортных артерий, таких как передняя мозговая артерия (A C A ), задняя мозговая артерия (PC A ) и т.д., а также увеличение скорости кровотока.
2. ТКД оценка эффективности эндоваскулярной эмболизации церебральных АВ М
Основным патологическим изменением при церебральном АВ М является изменение внутричерепной гемодинамики. Наблюдается высокая скорость потока, низкое сопротивление и открытие питающих артерий из-за аберрантной кражи крови. При эмболизации порочного сосудистого образования увеличение его внутреннего сопротивления неизбежно вызывает повышение давления и различную степень снижения скорости потока в питающей артерии, перераспределяя кровоток, питающий порочное образование внутричерепно. Поэтому изменение скорости кровотока в исходной кровоснабжающей артерии после эмболизации является важным показателем эффективности лечения.
В нашем исследовании 170 случаев церебральных A V M мы обнаружили, что скорость снижения конечной диастолической скорости потока (Vd) была больше, чем скорость снижения пиковой систолической скорости потока (Vd) в полностью эмболизированных питающих артериях, что указывает на то, что изменения Vd более чувствительны к изменениям дистального сопротивления питающей артерии; эффективность эмболизации одноветвистых питающих A V M была намного более удовлетворительной, чем многоветвистых питающих A V M, которые являются более сложными. Средняя скорость потока и значения PI в эмболизированной артерии возвращаются к норме или близки к норме, в то время как в неэмболизированной артерии наблюдается переменное увеличение или уменьшение скорости потока, причем чем значительнее увеличение, тем заметнее уменьшение значений PI.
Чем значительнее увеличение, тем более выражено снижение значений PI. Это говорит о том, что эмболизированная питающая артерия прекратила кровоснабжение порока, в то время как неэмболизированная питающая артерия увеличила кровоснабжение порока, что, как полагают, связано с перераспределением внутричерепного кровотока после эмболизации.
3. Диагностика и дифференциальная диагностика
Диагностика TC D при церебральном A V M.
(i) Кровоснабжающая артерия демонстрирует высокую скорость потока, низкое сопротивление, сниженный или значительно сниженный PI и уменьшенное соотношение систолического/диастолического давления;
(2) Спектр кровотока характеризуется уменьшением разницы между систолическим и диастолическим сдвигом частоты, т.е. выраженным расширением спектра, диффузией в диастолу, нечеткими систолическими пиками или дезорганизованным, нерегулярным спектром с неровными границами;
(3) Частота звука кровотока громкая и грубая, как при машинном «грохочущем» сосудистом шуме или резком музыкальном шуме; (4) Признаки внутричерепной кражи крови.
Гемодинамические изменения при церебральном A V M в сочетании с клинической историей могут помочь дифференцировать церебральный вазоспазм от стеноза сосудов.
Церебральный вазоспазм тесно связан с субарахноидальным кровоизлиянием, а допплеровские скорости потока равномерно повышены, с резкими систолическими пиками и симметричным увеличением систолической и диастолической скоростей потока.
Артериальный стеноз обычно обусловлен различными причинами атеросклероза, неспецифического внутричерепного артериита и артериального тромбоза. Повышенные допплеровские скорости потока характеризуются повышенными сегментарными скоростями потока, сниженными или нормальными скоростями потока дистальнее стеноза, турбулентным спектром, заполненным частотным окном, низкой энергией и «узкополосным» систолическим спектром.
TC D может поставить окончательный диагноз на основании характерных изменений церебрального A V M потока, но труднее диагностировать мальформации мелких дистальных артерий (<2 см по прямой), когда нет значительных изменений в скорости потока или пульсативности питающей артерии. Поэтому наличие церебрального A V M нельзя исключать при отсутствии значительных аномальных изменений на TC D. При необходимости для подтверждения диагноза требуется церебральная ангиография. 4. клиническая оценка Диагностика церебральных A V M обычно основывается на церебральной ангиографии и компьютерной томографии, но ни одна из них не может получить внутричерепную гемодинамическую информацию. TC D может обеспечить динамическое наблюдение в реальном времени за высоко- и низкопоточными характеристиками деформированной кровоснабжающей артерии, понять ситуацию с дренирующими венами и внутричерепной кражей крови, предоставить гемодинамические параметры, и в то же время, в соответствии с изменениями гемодинамических параметров, провести объективную оценку эффекта эндоваскулярного эмболизирующего лечения. Таким образом, TC D можно использовать в качестве неинвазивного теста для диагностики, оценки исхода и последующего наблюдения за церебральными A V M.