采用血管內超聲彈性成像技術分析動脈粥樣硬化斑塊負荷與面積應變的關系

李趙歡，王 琳，胡曉波，張鵬飛，陳逸飛，劉欣欣，徐銘俊，蘇海軍，張 梅*

(1.山東大學齊魯醫(yī)院 教育部和衛(wèi)生部心血管重構和功能研究重點實驗室 國家和山東省聯(lián)合轉化心血管醫(yī)學重點實驗室，山東 濟南 250012；2.四川省醫(yī)學科學院 四川省人民醫(yī)院心血管超聲及心功能科，四川 成都 610072；3.山東大學數(shù)學與系統(tǒng)科學學院，山東 濟南 250012)

采用血管內超聲彈性成像技術分析動脈粥樣硬化斑塊負荷與面積應變的關系

李趙歡1,2，王 琳1，胡曉波1，張鵬飛1，陳逸飛1，劉欣欣1，徐銘俊1，蘇海軍3，張 梅1*

(1.山東大學齊魯醫(yī)院 教育部和衛(wèi)生部心血管重構和功能研究重點實驗室 國家和山東省聯(lián)合轉化心血管醫(yī)學重點實驗室，山東 濟南 250012；2.四川省醫(yī)學科學院 四川省人民醫(yī)院心血管超聲及心功能科，四川 成都 610072；3.山東大學數(shù)學與系統(tǒng)科學學院，山東 濟南 250012)

血管內超聲檢查；彈性成像技術；斑塊，動脈粥樣硬化；斑塊負荷；面積應變

動脈粥樣硬化是急性心腦血管事件的主要病理學基礎，其病理機制是動脈粥樣硬化斑塊破裂或潰瘍，繼發(fā)血栓形成[1]。生物力學研究發(fā)現(xiàn)斑塊的易損性很大程度由斑塊的彈性力學特性決定，而后者可通過斑塊在承受一定應力作用下所發(fā)生的形變(應變)反映[2]。本實驗組研發(fā)的虛擬血管內鏡(virtual intra-vascular insighter, VIVI)軟件是基于圖像處理的血管內超聲彈性成像(intravascular ultrasonic elastography, IVUSE)軟件，可通過對斑塊組織變形前后的血管內超聲檢查(intravascular ultrasonography, IVUS)灰階圖像進行相關性分析，計算組織的面積應變(area strain, AS)。AS可反映斑塊的二維形變，是基于IVUS射頻信號的面積應變算法，并在體外采用冠狀動脈斑塊切除術的標本進行了測試[3]。研究[4]發(fā)現(xiàn)導致血管狹窄率大于40%的進展期斑塊易損性增加，另有研究[5]顯示責任斑塊并不經常出現(xiàn)于血管最狹窄部位。本研究采用IVUSE技術探討斑塊AS與斑塊負荷(plaque burden, PB)的關系，從彈性力學角度揭示易損斑塊的部分形態(tài)學特征。

1 材料與方法

1.1 動物模型建立 采用40只純種雄性新西蘭兔，購于山東省農業(yè)科學院，平均體質量(2.23±0.21)kg。本實驗均符合山東大學動物保護與使用的有關規(guī)定。對新西蘭兔以高脂飼料(1%膽固醇、必需的營養(yǎng)素和維生素)喂養(yǎng)2周后，經耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉(30 mg/kg體質量)至深度麻醉。將實驗兔仰臥保定于手術臺，分離右側股動脈，穿刺置入鞘管后，沿導絲將4.0 mm×15 mm球囊導管送至胸主動脈下段，以14個大氣壓壓力充盈球囊，并從上至下將球囊拉至髂總動脈分叉處，重復3次。術后給予 40萬U青霉素抗感染。持續(xù)高脂飼料喂養(yǎng)至第12周末，處死動物，切取腹主動脈。

1.2 IVUS 采用iLab型血管內超聲顯像儀(美國波士頓公司)，機械旋轉式探頭導管(Atlantis SR)，頻率40 MHz，幀頻30幀/秒。對模型兔于第12周末行腹主動脈IVUS檢查。首先在回撤裝置輔助下以0.5 mm/s速度自上而下動態(tài)掃查腹主動脈。每只實驗兔選取2個等回聲斑塊(相距不少于 1 cm)，采集至少3個心動周期的原位IVUS圖像。行IVUS的同時監(jiān)測實驗兔麻醉狀態(tài)下的心率和血壓。

1.2.1 超聲彈性圖的構建 采用VIVI軟件(本實驗室與北京集翔多維信息技術有限公司合作研發(fā))，從ROI斑塊的原位超聲圖像中，選取舒張末期連續(xù)2幀圖像分別作為斑塊形變前和形變后的圖像[6]。半自動勾畫主動脈內膜和外膜的邊界，然后采用基于塊匹配的搜索算法尋找變形前后2幀圖像的最佳匹配點，自動選擇匹配相關度>0.9的點，通過Delaunay三角剖分技術構建三角網(wǎng)格模型。計算每個三角網(wǎng)格的形變及其各方向的分量。對計算出的應變值進行偽彩化處理，正應變以紅色顯示，負應變以綠色顯示，構建完成血管內超聲彈性圖。

1.2.2 參數(shù)測量 IVUS常規(guī)測量參數(shù)及IVUSE測量參數(shù)包括：血管外彈力膜面積(external elastic membrane area, EEMarea)、血管腔面積(lumen area, Lumenarea)、斑塊面積(plaque area, PA)、PB、血管外彈力膜體積(external elastic membrane volume, EEMvolume)、血管腔體積(lumen volume, Lumenvolume)、斑塊體積(plaque volume, PV)、斑塊體積負荷(plaque volume burden, PVB)、斑塊最大厚度(maximal plaque thickness, Tmax)、斑塊最小厚度(minimal plaque thickness, Tmin)、斑塊偏心指數(shù)(eccentric index, EI)、血管重構指數(shù)(remodelling index, RI)及AS。

計算公式：PB=PA/EEMarea×100%；PVB=PV/EEMvolume×100%；EI=(Tmax-Tmin)/Tmax；AS=(S-S0)/S0×100%(S和S0分別為三角形網(wǎng)格形變后和形變前的面積)。RI為斑塊處血管外彈力膜面積與參考血管外彈力膜面積之比(參考血管外彈力膜面積為ROI斑塊遠端和近端0.5 cm處，相對正常的血管橫截面外彈力膜面積的平均值)。

根據(jù)PB不同，將斑塊分為低負荷斑塊組(PB≤40%)和高負荷斑塊組(PB>40%)。

1.3 組織病理學檢查 處死動物后，根據(jù)IVUS檢查過程中記錄的位置截取腹主動脈，并用10%林格甲醛溶液浸泡48 h，然后將其脫水、透明、浸蠟、包埋，以4 μm厚連續(xù)切片，進行HE染色。觀察斑塊表面纖維帽的完整性及有無血栓形成。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件。正態(tài)性分析采用Kolmogorov-Smirnov檢驗，方差齊性分析采用Levene檢驗，因數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，采用中位數(shù)(四分位數(shù)間距)表示；低負荷斑塊與高負荷斑塊組間各參數(shù)比較采用Mann-WhitneyU檢驗。將斑塊的所有形態(tài)學參數(shù)作為自變量，彈性力學參數(shù)AS作為因變量，進行逐步多元線性回歸分析。在控制影響AS的形態(tài)學參數(shù)后，采用協(xié)方差分析比較低負荷與高負荷斑塊AS的差異。計數(shù)資料比較采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

40只新西蘭兔在喂養(yǎng)過程中死亡9只，2只未形成明顯斑塊，余29只新西蘭兔中有1個斑塊因超聲圖像質量較差無法準確分析而排除，最終獲得57個動脈粥樣硬化斑塊的清晰IVUS圖像。低負荷斑塊組、高負荷斑塊組分別有30個和27個斑塊。

2.1 形態(tài)學參數(shù)和AS的特點 低負荷斑塊組的PA、PV、PB、PVB、Tmin和Tmax明顯小于高負荷斑塊組(P均<0.01)，Lumenarea、Lumenvolume、EI明顯大于高負荷斑塊組(P均<0.01)；2組的AS差異無統(tǒng)計學意義(P=0.655)，見表1。

2.2 影響PA的形態(tài)學因素 經逐步多元線性回歸分析，最后進入回歸模型的為PB和EI。

2.3 矯正后低負荷斑塊組與高負荷斑塊組AS的差異 因EI和AS不符合正態(tài)分布，進行秩變換；方差齊性檢驗差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。將EI的秩次作為協(xié)變量，PB分組作為自變量，AS的秩次作為因變量擬合協(xié)方差模型。EI的秩次和按PB分組間無交互作用(P=0.712)。協(xié)方差模型差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。矯正后，低負荷斑塊(秩次：23.57±3.07)與高負荷斑塊(秩次：35.98±3.47)組間AS差異有統(tǒng)計學意義(P=0.010)，見圖1。

2.4 低負荷與高負荷斑塊破裂情況 57個斑塊組織切片中，8個斑塊發(fā)生破裂(圖2)，其中2個為低負荷斑塊，6個為高負荷斑塊，差異無統(tǒng)計學意義(χ2=2.850,P=0.091)。

3 討論

隨著心臟搏動，動脈內血流會對管壁產生周期性的壓力，從而引起動脈管壁發(fā)生周期性的形變。隨著年齡的增加或疾病的發(fā)展，動脈管壁的成分和結構會發(fā)生改變，最終引起動脈管壁彈性力學的改變。分析動脈管壁彈性力學特性可為認識動脈粥樣硬化病理提供新的手段。

表1 低負荷斑塊組與高負荷斑塊組的形態(tài)學指標和面積應變比較[中位數(shù)(四分位數(shù)間距)]

表2 回歸模型的參數(shù)估計(：AS)

圖1 相似EI條件下，低負荷斑塊(A)的AS小于高負荷斑塊(B) 圖2 腹主動脈粥樣硬化斑塊破裂病理圖 A.腹主動脈管腔內血栓形成(HE，×4)； B.斑塊表面纖維帽不連續(xù)，大量紅細胞附著于斑塊表面，并可見紅細胞經破口處進入斑塊內(箭，HE，×40)

研究[7-8]證實IVUSE技術可用于動脈粥樣硬化斑塊易損性的評價。本課題組前期研究[6,9-10]采用VIVI軟件成功構建了IVUS彈力圖，并證實斑塊組織成分與斑塊彈性力學特性間的關系。但組織的彈性力學特性不僅受其成分的影響，還受組織幾何形態(tài)、負荷以及邊緣條件等影響[11]。斑塊的形態(tài)學特征，如斑塊負荷對斑塊的彈性力學屬性是否有影響尚不明確。

有研究[12]將負荷大于40%的斑塊定義為進展期斑塊，小于40%的斑塊定義為早期斑塊。本研究以40%為界將所有斑塊劃分為低負荷斑塊與高負荷斑塊，結果顯示低負荷組斑塊PA、PV、PB、PVB、Tmin和Tmax明顯小于高負荷斑塊組，Lumenarea、Lumenvolume、EI明顯大于高負荷斑塊組，2組間AS差異無統(tǒng)計學意義；經逐步多元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)斑塊的EI和PB是AS的影響因素。當EI和PB增大時，斑塊的AS增大。EI和PB對斑塊AS的聯(lián)合解釋程度約30%，且斑塊的偏心性對其穩(wěn)定性的影響大于PB對其穩(wěn)定性的作用，可能解釋臨床出現(xiàn)的“小斑塊，大血栓”事件。本研究在矯正EI后，發(fā)現(xiàn)低負荷斑塊組的AS小于高負荷斑塊組，提示在斑塊偏心程度相似的情況下，PB較大的進展期斑塊較PB較小的早期斑塊更易受損。可能的原因一方面考慮與負荷較大時，斑塊多伴血管腔的明顯狹窄和形態(tài)失常，血管腔明顯狹窄可導致局部血流壓力顯著增大，而血管腔形態(tài)明顯失常可能引起該處血流紊亂；另一方面，高負荷斑塊通常斑塊厚度較厚，從力學杠桿原理來講，斑塊的厚度可作為力臂，在血流沖擊作用下，斑塊越厚，力臂越長，該斑塊破裂所需的力會越小，因此在血流壓力一定的條件下，斑塊越厚越易破裂。對斑塊的病理學研究雖然未發(fā)現(xiàn)低負荷斑塊與高負荷斑塊破裂的概率存在差異，但低負荷斑塊組破裂的2個斑塊的PB值分別為38%和39%，均接近低負荷斑塊的閾值高限，提示PB與斑塊易損性可能存在一定聯(lián)系。但在體條件下，斑塊破裂的影響因素非常復雜[13]，斑塊本身的特性和循環(huán)狀態(tài)均可影響斑塊的穩(wěn)定性。本研究顯示PB聯(lián)合EI對斑塊穩(wěn)定性的影響不足30%，因此本研究雖盡可能減少斑塊成分、形態(tài)對其穩(wěn)定性的影響，但仍無法直接觀察到破裂斑塊與其負荷間的聯(lián)系。

斑塊破裂可能同時受多種因素影響，不同的因素在斑塊破裂過程中的作用也不同。本研究僅對斑塊負荷進行探討，發(fā)現(xiàn)高負荷斑塊較低負荷斑塊AS更大，提示其力學穩(wěn)定性較差。

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由南京軍區(qū)南京總醫(yī)院王駿主編的《CT/MR/DSA/乳腺技師業(yè)務能力考評全真模擬與精解》一書出版發(fā)行。該書針對全國醫(yī)用設備使用人員(CT/MR/DSA/乳腺技師)業(yè)務能力考評專門編寫了近3000道題的全真模擬及精解，根據(jù)全國統(tǒng)考的特點，采用標準化五選一的格式作為最佳選擇題，以及選擇二個答案以上的多選題。旨在通過一定量的試題自測衡量使用人員對本專業(yè)知識掌握的程度，從中找出自己的薄弱環(huán)節(jié)。在每一套試卷之后均備有答案及解析，以提供給使用人員更多的知識點。該書不僅是全國醫(yī)用設備使用人員(CT/MR/DSA/乳腺技師)業(yè)務能力考評的專用書，同時也是職稱考試、入院前準入制考試、三基考試及在校學生考試的必備考試類用書。

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Relationshipbetweenplaqueburdenandareastrainofatherosclerosiswithintravascularultrasoundelastography

LIZhaohuan1,2,WANGLin1,HUXiaobo1,ZHANGPengfei1,CHENYifei1,LIUXinxin1,XUMingjun1,SUHaijun3,ZHANGMei1*
(1.QiluHospitalofShandongUniversity,theKeyLaboratoryofCardiovascularRemodelingandFunctionResearch,ChineseMinistryofEducationandChineseMinistryofHealth,theStateandShandongProvinceJointKeyLaboratoryofTranslationalCardiovascularMedicine,Ji'nan250012,China; 2.DepartmentofCardiovascularUltrasoundandNon-invasiveCardiology,SichuanAcademyofMedicalSciences&SichuanProvincialPeople'sHospital,Chengdu610072,China; 3.SchoolofMathematics,ShandongUniversity,Ji'nan250012,China)

Intravascular ultrasonography; Elasticity imaging techniques; Plaque, atherosclerotic; Plaque burden; Area strain

10.13929/j.1003-3289.201612007

R541.4; R445.1

A

1003-3289(2017)10-1479-05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB503906)、國家自然科學基金項目(81470559)、國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1300302)。

李趙歡(1982—)，女，四川南部人，博士，主治醫(yī)師。研究方向：超聲新技術在心血管疾病中應用。E-mail: lzhhx2006@126.com

張梅，山東大學齊魯醫(yī)院 教育部和衛(wèi)生部心血管重構和功能研究重點實驗室 國家和山東省聯(lián)合轉化心血管醫(yī)學重點實驗室，250012。E-mail: daixh@vip.sina.com

2016-12-04

2017-07-21