Ultrasound Backscatter from Flowing Blood at Different Hematocrit Levels

Abstract

혈액에 의한 초음파 산란은 적혈구에 의해서 주로 일어나며 적혈구 응집은 혈액으로부터의 후방산란을 증가시키는 주된 요인으로 알려져 있다. 본 논문에서는 협착을 부착한 인공 혈액 순환계와 회전 흐름계를 이용하여 초음파 후방산란에 미치는 혈류역학과 적혈구 용적비율의 영향을 연구하였다. 박동 흐름 하에서 적혈구 응집현상은 비틀림율, 난류 그리고 가속과 같은 혈류역학적인 파라메타에 크게 의존하는 것으로 알려져 있다. 인공 혈액 순환계에 편심협착을 제작하여 부착하고 돼지 혈액을 이용하여 적혈구 응집과 초음파 반향에 미치는 이들 세가지 파라메타의 영향을 GE LOGIQ 700 장비를 이용하여 측정하였다. 수축기의 혈류가 가속하는 시기에 편심협착의 하류에서 고반향성의 포물선 모양이 관찰되었으며 이는 혈류의 가속에 의해서 적혈구 룰로가 유발될 수 있다는 가설에 대한 좋은 증거라고 할 수 있다. 협착 하류에서의 블랙홀 현상과 국소적인 초음파 반향 증가는 난류와 비틀림율의 복합적인 효과에 기인하는 것으로 여겨진다. 한편, 편심협착의 상류에서도 혈류의 교란에 의한 초음파 반향과 적혈구 룰로의 변화가 관찰되었다. 이완기에 튜브의 종단면으로 고반향성의 포물선 모양과 와류 현상이, 횡단면으로는 백색환 현상으로 관찰되었다. 이러한 영상은 이미지 편집 프로그램을 통하여 삼차원 동영상으로 재구성할 수 있었으며 그 결과 박동 흐름 시 편심협착 상류에서 적혈구 룰로의 동적인 변화를 잘 보여줄 수 있었다. 혈액을 담은 원통형 용기 내에서 자석교반기를 이용하여 혈액의 흐름을 제어하였고 이를 이용하여 사람, 말, 그리고 흰쥐 혈액에서의 적혈구 응집을 연구하였다. 혈액으로부터의 초음파 후방산란 파워는 5 MHz 집속형 초음파 변환기에 펄스를 가하고 되돌아온 반향 신호를 측정하여 계산하였다. 실험결과, 이들 포유류 중에서 적혈구 응집 경향이 말에서 가장 크고, 사람이 중간, 그리고 흰쥐에서 가장 낮게 측정되었다. 사람과 말 혈액에서의 초음파 후방산란은 자석교반기의 회전 속도 증가에 따라 감소하였으나, 흰쥐의 혈액에서는 어떠한 변화도 관찰되지 않았다. 갑작스럽게 혈액의 흐름을 멈추었을 때, 사람과 말 혈액으로부터의 후방산란 파워는 서서히 증가하는 경향을 보였다. 그러나 흰쥐 혈액에서는 이러한 응집 경향이 보이지 않았다. 반향 신호에 포락선을 적용한 이미지는 원통형 용기 내에서의 적혈구 응집의 시간적인 변화와 지름 방향의 공간적인 변화를 잘 보여주었다. 포유동물 종의 차이에 따른 이러한 연구는 적혈구 응집의 기전을 이해하는데 유용하리라고 사료된다. 혈장 또는 PVP 360 용액 내의 흰쥐 적혈구에 의한 초음파의 반향을 적혈구 용적비율과 비틀림율을 변화시켜가면서 측정하였다. 흰쥐 혈액으로부터의 후방산란 변화는 흰쥐 혈액 내에서 적혈구의 낮은 응집력 때문에 측정하는데 한계가 있었다. 적혈구의 응집 정도를 증가시키기 위해서 흰쥐 혈장을 PVP 360 용액으로 대체하여 실험하였다. 회전 흐름 하에서 후방산란은 급속히 증가하여 30 초 이내에 정상상태에 도달하였다. 정상상태에서의 평균 후방산란 파워는 적혈구 용적비율 10 - 40 % 사이에서 비례하여 증가하였다. 그러나 흐름을 갑작스럽게 멈춘 경우에 후방산란 파워는 최고치까지 서서히 증가하였고, 증가 속도는 적혈구 용적비율과 비선형적인 관계를 보였다. 간단한 흐름 장치와 응집을 유발하는 혈장 대체물을 이용한 소량의 적혈구 시료를 이용하여 적혈구 응집에 대한 적혈구 용적비율과 비틀림율 의존성을 잘 설명할 수 있었다. 끝으로, 위에서 제안한 간편한 방법이 적혈구 응집에 미치는 약물의 영향을 연구하기에 적절한 연구법임을 제안하였다. 전혈을 대신하여 PVP 360 용액에 흰쥐 적혈구를 현탁시켜서 적혈구 용적비율을 10 %로 만들고 이를 이용하여 실험하였다. 적혈구 응집 저해제를 적용했을 때, 정체 시와 흐르는 혈액 모두에서 용량의존적인 응집 저해를 보였다. 이러한 결과는 본 연구에서 제안한 적혈구 응집 측정 방법이 약물과 적혈구 응집의 상관관계를 연구하는데 유용하다는 것을 보여주며, 또한, 적혈구 응집의 병태생리학적인 역할과 발생기전을 밝히는데 도움을 줄 수 있으리라고 사료된다.

It is well known that the scattering of ultrasound by blood is mainly attributed to red blood cells (RBCs) and that RBC aggregation is a major cause of the increased backscatter from blood. In this study, the effects of hemodynamics and hematocrit on ultrasonic backscatter were investigated using a mock flow loop with a stenosis and a rotational flow system. RBC aggregation is known to be highly dependent on hemodynamic parameters such as shear rate, flow turbulence, and flow acceleration under pulsatile flow. The effects of these three hemodynamic parameters on RBC aggregation and echogenicity of porcine whole blood were investigated around an eccentric stenosis in a mock flow loop using a GE LOGIQ 700 expert system. A hyperechoic parabolic profile appeared downstream during the accelerating phase, suggesting that rouleaux formation may be enhanced by flow acceleration. The local increase of echogenicity and the hypoechoic "black hole" downstream is thought to be caused by the compound effect of flow turbulence and shear rate. In addition, the experimental results upstream of a stenosis showed that blood flow disturbed by a stenosis and weak backward flow affects the echogenicity and the distribution of RBC rouleaux. During diastole, the bright parabolic profiles and eddy-like flow patterns were shown in longitudinal images and the "bright ring" in cross-sectional images. These images could be reconstructed into 3-dimensional animation, providing a better understanding of dynamic changes of the rouleaux distribution upstream of a stenosis under pulsatile flow. The blood samples from human, horse and rat in a cylindrical chamber were used for studying RBC aggregation. The flow in the chamber was controlled by a stirring magnet. Ultrasound backscattered power from blood was calculated from the backscattered signals measured by a 5 MHz focused transducer in a pulse-echo setup. The experimental results showed the differences in RBC aggregation tendency among the three mammalian species with an order of horse > human > rat. The ultrasound backscattered power decreased with stirring speed in human and horse blood, but no variations were observed in rat blood. A sudden flow stoppage led to the slow increase of the backscattered power for human and horse blood. The enveloped echo images showed the radial and temporal variations of RBC aggregation in the cylindrical chamber. These observations from the different mammalian species may give a better understanding of the mechanism of RBC aggregation. Ultrasonic backscatter from rat RBCs in autologous plasma and in 360 kDa polyvinylpyrrolidone (PVP 360) solution was measured as a function of hematocrit and shear rate. The variation of the backscattered power from rat blood could not be well determined because of the very low aggregation tendency of RBCs in rat blood. To enhance the aggregation level, rat plasma was replaced by polymer solution of PVP 360. At stirring conditions, the backscattered power rapidly increased to a plateau within 30 seconds. The magnitude of the mean backscattered power at plateau was in proportion to hematocrit at a range of 10 to 40 %. However, when the flow was suddenly stopped, the power slowly increased up to the maximal levels and the rate of power buildup nonlinearly increased with hematocrit. Using a simplified shearing system and small amount of RBC samples in aggregating media, the hematocrit and shear rate dependency of RBC aggregation was successfully demonstrated. Finally, this simplified system was proposed to examine the effect of drugs on RBC aggregation. Rat RBCs in PVP 360 solution was employed for aggregation. Aggregation inhibitor, DIDS decreased RBC aggregation as a dose-dependent manner at both stasis and under shear forces. These results indicate that the present experimental setup is useful to study the relationship between drugs and RBC aggregation. In addition, it may contribute to elucidate the mechanism and pathophysiological roles of RBC aggregation.