實時剪切波彈性成像技術檢測頸動脈斑塊彈性參數的對照研究

高振洋，孫正輝，羅渝昆，薛 哲，薛立娟，張海鐘

(1.中國人民解放軍醫學院外科臨床部口腔外科，北京 100853；2.中國人民解放軍總醫院外科臨床部神經外科，北京 100853；3.中國人民解放軍總醫院超聲科，北京 100853；4.中國人民解放軍總醫院外科臨床部口腔外科，北京 100853)

實時剪切波彈性成像技術檢測頸動脈斑塊彈性參數的對照研究

高振洋1，孫正輝2，羅渝昆3，薛 哲2，薛立娟3，張海鐘4

(1.中國人民解放軍醫學院外科臨床部口腔外科，北京 100853；2.中國人民解放軍總醫院外科臨床部神經外科，北京 100853；3.中國人民解放軍總醫院超聲科，北京 100853；4.中國人民解放軍總醫院外科臨床部口腔外科，北京 100853)

目的 量化分析體內、外不同環境對頸動脈粥樣硬化斑塊彈性參數檢測的影響。方法應用SWE技術對3例擬行頸動脈內膜剝脫術患者在術前、術后分別對粥樣硬化斑塊相同取樣區域進行測量，獲得810個彈性參數的平均值，量化分析比較在體和離體條件下斑塊彈性模量的差異性和相關性。結果在體組幀間變異系數(CVA)變化范圍為0.043~0.432，離體組幀間變異系數(CVB)變化范圍為0.005~0.093。在體組組內相關系數(CCA)變化范圍為0.678~0.815，離體組組內相關系數(CCB)變化范圍為0.755~0.999(P均小于0.01)。兩組間剪切波速度的平均值差異有統計學意義(P=0.005 2)，兩組結果呈直線正相關關系，相關系數r為0.880，決定系數R2=0.775(P= 0.002)。結論實時剪切波彈性成像技術檢測人體頸動脈粥樣硬化斑塊的彈性參數，結果穩定、可靠。人體內的復雜環境對剪切波彈性成像技術檢測頸動脈斑塊的彈性參數結果存在一定的影響，該影響遵循一定的規律。

頸動脈斑塊；實時剪切波彈性成像；彈性參數

頸動脈粥樣硬化(Atherosclerosis，AS)病變是引起缺血性腦病的重要致病因素，頸動脈粥樣硬化斑塊的破裂則可引起腦梗死，因此斑塊的穩定性與腦梗死密切相關[1]。血管形變和血流動力學參數變化均可能引起異常高的管壁切應力，從而導致斑塊破裂甚至脫落。目前對斑塊的穩定性的研究愈加受到臨床醫生和學者們的重視，或以動物為檢測對象，或以人工合成材料模擬人體被檢測組織，或以不同的方法對人體目標組織進行檢測。有很多學者使用拉伸和壓縮的方法檢測離體組織的彈性參數。

在以成像技術為基礎的檢測方法中，實時剪切波彈性成像技術(Real time shear wave elastrography，SWE)已經受到廣泛的認可。與同類檢測技術核磁共振成像技術和腔內超聲技術相比較，它具有成本低、無損害等優點。它是以馬赫錐(Mach Cone)效應為基礎，以超快速成像系統追蹤、捕獲剪切波在目標組織內的傳播速度為方法，得到實時的彈性成像圖。以剪切波傳播速度通過換算得到被檢測組織的彈性參數[2]。目前該項技術已被廣泛應用于臨床對生物軟組織進行檢測，以指導疾病的診斷和治療。

人體內組織的結構和組成的復雜性，導致剪切波在組織內傳播的復雜性[3]，也使剪切波在傳播過程中產生了不同程度的衰減[4]。組織復雜的生理性活動也使被檢測組織產生了一定的形態學改變，進一步影響了其力學特性。這些因素是否影響了其檢測結果的準確性卻未曾得到過證實。本研究以同一標本分別以在體和離體兩種方式應用實時剪切波彈性成像技術進行同位檢測，量化分析生物體組織在體與離體兩種環境中的彈性參數的差異性，從而證實該問題。

1 資料與方法

1.1 實驗對象 選取2014年6月至12月中國人民解放軍總醫院經常規彩色多普勒超聲檢查確診為頸動脈粥樣硬化收住入院且擬行頸動脈內膜剝脫術的男性患者3例，年齡分別為54歲、57歲、62歲。手術標準指征為無癥狀且頸動脈狹窄＞70%或者有癥狀且頸動脈狹窄＞50%。排除頸動脈搏動過大、呼吸運動過大、彈性圖像不能穩定顯示或顯示不清者。

1.2 方法

1.2.1 實時剪切波彈性成像技術 應用剪切波彈性成像技術對同一斑塊進行在體與離體兩種條件下的同位檢測。SWE是采用探頭發射安全的聲輻射脈沖，在組織不同深度上連續聚焦，產生馬赫錐效應，被聚焦部位組織粒子高效的振動產生剪切波，用超快速成像系統捕獲、追蹤剪切波，可得到實時的彈性成像圖[5]。獲取組織的剪切波傳播速度即經換算得到被檢測組織的楊氏模量值。近年來該技術廣泛被應用于生物軟組織檢測[6]，定量評價其彈性模量值以指導疾病的診斷、預防和治療。

1.2.2 儀器設備 采用具有SWE功能的Supersonic Imagine Aixplorer型全數字化彩色多普勒超聲診斷儀(Supersonic Imagine，Aix-en-Provence，France)，SL15-4探頭。

1.2.3 操作步驟及要求 (1)術前在體檢測：囑患者仰臥，頸部略墊高，頭偏向待檢查對側，充分暴露檢查側頸動脈區域。首先使用SL15-4探頭在B型超聲模式下掃描并記錄斑塊位置、大小、灰階聲像圖特征。分別在斑塊最大周徑和長徑的切面中切換為SWE模式。彈性測量時，由一名經過培訓的醫師對選取患者進行檢測。超聲探頭不施加壓力，囑患者屏息5 s。彈性圖像穩定后定幀，將計量單位由kPa轉換為m/s。放棄前2幀，選取此后的5幀進行測量，保存圖像。測量時，ROI取樣框直徑為2 mm，選取的測量區域為斑塊兩側肩部、斑塊最厚部分和特殊部位(如鈣化處等)，分別記錄ROI取樣框測量取樣區域速度的平均值。每例患者相同部位使用同樣的方法進行三次檢測。(2)術后離體測量：患者進行頸動脈內膜剝脫術后，將術后所取斑塊標本室溫下放置于0.9%的生理鹽水中于2 h內進行離體測量[7]。盛放生理鹽水的容器為10 cm×10 cm×5 cm的立方體，生理鹽水液面高度為2~3 cm。調整標本方向與在體測量一致后，使用相同探頭、相同參數設置，對標本相同取樣區域彈性參數進行離體測量，記錄相應的數據結果。要求與在體檢測相同。

1.3 統計學方法 采用SPSS18.0(IBM)統計軟件，以剪切波在目標組織內傳播速度平均值作為統計學分析的基礎數據。在體與離體兩組分別以幀間變異系數(ICV)和組內相關系數(ICC)作為檢測可靠性的評價標準[8-9]。P＜0.05為差異有統計學意義。兩組間，以配對t檢驗分析其差異性，P＜0.05為差異有統計學意義。以相關以散點圖及回歸模型判斷兩組數據之間的相關性。

2 結果

2.1 可靠性評價 3例患者中，在體檢測結果為A組，離體檢測結果為B組。共檢測18次，54個ROI，獲得270幀，810個速度平均值，取每次測量所得的平均值進行數據分析。A組幀間變異系數(CVA)變化范圍為0.043~0.432，B組幀間變異系數(CVB)變化范圍為0.005~0.093。A組組內相關系數(CCA)變化范圍為0.678~0.815，B組組內相關系數(CCB)變化范圍為0.755~0.999(P均＜0.05)。結果表明每次所采集的圖像比較穩定，檢測結果可靠性好。而CVB略小于CVA(圖1)，說明離體檢測結果更加穩定。考慮是由于在體復雜的組織環境、動脈搏動、血壓變化、周圍組織力等因素導致剪切波在體內傳播產生復雜的傳播方式和衰減，從而影響結果的穩定性(圖2)。P值均小于0.05，說明兩組中對每例患者進行的三次檢測所得的結果之間存在一定的差異。而CCB略大于CCA，表明離體組的檢測結果更加可靠(圖3)。考慮為離體檢測時排除了在體檢測中的相關干擾因素的結果。

2.2 兩組結果間的差異性和相關性 兩組間剪切波速度的平均值配對t檢驗的結果為t=-3.804，證明兩組間剪切波速度的平均值差異有統計學意義(P= 0.005 2)，B組大于A組。組間變異系數(CVAB)變化范圍為0.031~0.411，表明體內諸多干擾因素對檢測結果影響較小，只對個別檢測結果的影響較大。圖4顯示兩組結果呈直線正相關關系。相關系數(r)為0.880，決定系數R2=0.775(P=0.002)。通過直線回歸模型分析得出回歸方程為B=1.236 8+0.827 7×A，P=0.001 7。

圖1 兩組幀間變異系數(CV)的比較

圖2 右側頸動脈粥樣硬化斑塊的剪切波速度彈性圖

圖3 兩組間組內相關系數(CC)的比較

圖4 散點圖顯示A、B兩組數據呈直線正相關關系

3 討論

傳統的拉伸和壓縮檢測離體組織的彈性參數的方法，要求被檢測組織為均質性且形狀要比較規則。而頸動脈粥樣硬化斑塊卻為非均質性的，形狀也不規則。因此該方法不適用于本研究。Chai等[10]曾對頸動脈斑塊使用冷凍、切片的方法解決均質和形狀的問題，而且使用納米壓痕的檢測方法，獲得非常精確的檢測結果。但是他壓痕檢測的方向卻被局限在了軸向方向(血流方向)，遠沒有管周方向有價值，也沒有解決斑塊各向異性的問題。因此，所得結果不能完全代表斑塊的彈性參數。

實時剪切波彈性成像技術不僅成本低，無損害，還具有不受均質性、形狀的限制，檢測的方向也可以根據需要進行調整等優點。目前該技術已經被廣泛應用于臨床對人體軟組織的彈性檢測[6，8，11-30]。以肝臟為主，還包括甲狀腺、乳腺、腎臟、子宮、前列腺、肌肉、頸動脈斑塊、血液等。但是臨床上一般是通過檢測軟組織的相對彈性模量值的方法來輔助疾病的診斷和嚴重程度的判斷。考慮可能是由于人體的個體差異性較大，檢測所得的絕對數據對診斷無意義，而對于器質性病變來說，與正常組織的相對值更具有臨床診斷價值。頸動脈斑塊的彈性檢測正相反，絕對數據才對它的穩定性研究具有重要意義。剪切波彈性成像技術所獲得的彈性模量值是通過方程E=3ρc2計算得出[2，9，31-32](E為彈性模量，ρ為被檢測組織的密度，c為剪切波在檢測組織中的傳播速度)。頸動脈斑塊的厚度要遠小于剪切波的波長，而且在如此小的體積中它的非均質性造成較大的密度差異。因此，斑塊是否適用于此方程尚有待驗證。速度值則是設備直接捕獲所得的原始數據，具有更為真實、可靠的特點。因此，本研究采集速度值作為數據分析的基礎。

檢測操作時，我們做到了充分暴露和穩定患者被檢測區，減小了患者的活動對被檢測部位的影響。放棄不穩定的前2幀選取之后穩定的5幀，這種延遲數據采集的方法，可獲得更加穩定的圖像，提高測量的精確性。以往很多學者選擇較大直徑的ROI取樣框，以斑塊整體為研究對象，降低測量誤差。本研究是以斑塊的不同部位作為研究對象，使用的是同位檢測的方法，考慮到斑塊的非均質性，要求測量更加精確，因此我們選取其最小直徑進行測量[8]。需要特別注意的是，每次檢測時投射的方向、選取的截面、ROI取樣框放置的位置均要保持一致。因此，需要放棄圖像不清晰者，否則將會對結果產生較大影響。

本研究采用SWE技術首次對頸動脈粥樣硬化斑塊進行在體與離體同位檢測和對照分析，克服了其他檢測方法中在均質性和形態方面的限制，對待檢測目標的部位和檢測方向均可以自由調整，且對患者無損害，是非常適合的檢測方法。通過研究結果表明，該方法的結果比較穩定、可靠。在體外環境中，我們使用0.9%的生理鹽水模擬體內液體環境的同時，排除了體內復雜組織環境、動脈搏動、血壓變化、周圍組織力等因素對檢測的影響。離體檢測組的結果更加穩定、可靠。通過對比分析，成功地證實了這些因素對檢測存在影響，同時也證實了兩組結果存在高度相關性。間接說明，雖然體內的諸多干擾因素對檢測產生了影響，卻也有規律可尋。

綜上所述，剪切波對人體頸動脈斑塊的彈性檢測比較穩定、可靠。人體內的復雜環境對剪切波檢測目標組織的彈性參數存在一定的影響，且遵循一定的規律。兩組數據哪一組更接近真實值，是我們值得關注的問題，對于指導臨床預測和治療頸動脈斑塊具有重要的意義。這也是我們下一步研究的方向。

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Detection of mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque using real-time shear wave elastogaphy:a comparative in vivo and in vitro study.

GAO Zhen-yang1,SUN Zheng-hui2,LUO Yu-kun3,XUE Zhe2,XUE Li-juan3,ZHANG Hai-zhong4.1.Department of Oral Surgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA Medical School,Beijing 100853,CHINA;2.Department of Neurosurgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA;3.Department of Diagnostic Ultrasound,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA;4.Department of Oral Surgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA

ObjectiveTo quantitatively analyze the difference,repeatability and correlation of mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque in two kinds of environment,in vivoandin vitro.MethodsShear wave elastography(SWE)was used to detect carotid plaquesin vivoand in saline of 0.9%after excision,and 810 mean values of mechanical properties were acquired.The difference and correlation of the valuesin vivoandin vitrowere analyzed.ResultsInter-frame coefficient of variation values was in the range of 0.043~0.432in vivo(CVA)and 0.005~0.093in vitro(CVB).Intra-class correlation coefficient values(r)was 0.678~0.815in vivo(CCA)and 0.755~0.999in vitro(CCB).The differences were all statistically significant(P＜0.01).The mean velocity values of shear waves acquiredin vitrowere significantly higher than thosein vitro(P=0.005).There was a positive linear correlation between the mean velocity valuesin vivoandin vitro(P=0.002),withr=0.880,R2=0.775.ConclusionReal-time SWE technology can be used to assess the mechanical properties of human carotid atherothrombotic plaque bothin vivoandin vitro, with good stability and reliability.The complex environment in the human body has a certain influence on the results, and the influence follows certain rules.

Carotid plaque;Real-time shear wave elastography;Mechanical properties

R543.5

A

1003—6350（2015）09—1285—05

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.09.0462

2015-01-19)

國家自然科學基金（編號：31271004）

張海鐘。E-mail：zhanghz301@aliyun.com