頸動脈竇部斑塊壁面剪應力的定量分析及其影響因素

劉秋云， 陳明， 傅曉紅， 江梅， 夏紅衛

頸動脈粥樣硬化是急性缺血性腦卒中(acute ischemic stroke,AIS)的重要病理基礎，急性心腦血管事件發生與否主要取決于粥樣斑塊的穩定性[1]。斑塊穩定性是由斑塊內因和外因共同作用的結果，斑塊周圍的生物力學環境是重要的外因，壁面剪應力(wall shear stress,WSS)被認為是與斑塊破裂最為相關的力學因素[2]。目前WSS的計算主要依靠Hagen-Poiseuille公式，但其僅能估算血管的平均WSS，且由于斑塊附近的管腔幾何構造不規則，Hagen-Poiseuille公式無法應用于計算斑塊附近的WSS。近年來本課題組研制了能獲取沿血管壁走行各點上WSS數值分布的定量分析軟件，并且已運用該軟件分析了健康人群頸總動脈WSS的空間分布規律[3]。目前有關頸動脈斑塊WSS分布的定量分析研究較少，本研究利用剪應力分布圖繪制軟件定量分析頸動脈斑塊附近的WSS分布情況，為了解WSS在斑塊的破裂、脫落中的變化提供新的研究方法和基礎數據。

材料與方法

1.研究對象

選取本院2012年9月-2018年1月間的AIS住院患者30例，全部病例經頭部CT或MRI檢查證實,符合1995年全國第四屆腦血管病會議制定的診斷標準。AIS患者發病72 h內行頸動脈超聲檢查，超聲提示為頸動脈單個斑塊，斑塊根據衛生部相關標準定義為局部病變凸入管腔厚度≥1.5 mm，納入斑塊所致面積狹窄率≤50%的患者為研究對象。納入的30例患者均未行分流手術，無甲狀腺功能紊亂引起的血流動力學改變。納入患者均簽署知情同意書，本研究通過醫院倫理委員會批準并經中國臨床試驗注冊中心注冊(ChiCTR-OON-14005359)。

2.檢查方法

采用Philips IU22彩超儀行超聲檢查，采用L9-3線陣探頭，探頭頻率為3～9 MHz。受檢者檢查前2 d忌食油膩食品，檢查前休息10 min。超聲檢查由同一醫師操作完成，以保證頸動脈竇部彩色多普勒血流成像(color Doppler flow imaging，CDFI)圖像采集的一致性。檢查時受檢者取仰臥位，檢查側肩膀盡可能下垂，以最大限度暴露頸部，頭部向對側傾斜。發現頸動脈竇部斑塊后測量并記錄斑塊凸入管腔厚度。保持多普勒幀頻為20～30幀/s；在縱切面掃查血管時，確保超聲切面通過血管中軸；調整Scale鍵讓血流充滿血管腔而不出現混迭與溢出。采集并保存1～3個心動周期頸動脈斑塊CDFI動態圖像并進行后處理分析。

3.血流WSS計算方法

根據WSS的定義，采用公式1計算血流WSS：

(1)

其中τW是WSS，單位為dyne/cm2；μ是血液粘度，單位為cp(常規取3.0cp)； γW是壁面剪應率，du/dr是速度梯度，單位均為s-1。在超聲多普勒血流成像中，剪應率du/dr可以變形為公式2：

(2)

其中，Vslow是垂直于多普勒血流流動方向上靠近血管壁的血流速度，Vfast是垂直于血流流動方向上靠近Vslow的血流速度[3]，其計算原理見圖1。

4.剪應力分布圖繪制軟件功能

利用剪應力分布圖繪制軟件(登記號：2011SR089671，證書號：軟著登字第0353345)可自動生成頸動脈斑塊附近WSS的二維、三維剪應力空間分布圖及動態的剪應力分布視頻，自動分析得到舒張末期WSS均值。剪應力分布圖繪制軟件用色彩亮度代表WSS值的高低，色彩越亮，WSS值越高；色彩越暗，WSS值越低。剪應力三維空間分布圖的X、Y坐標分別以像素為單位，每個像素的長度為0.085 mm，Z坐標以dyne/cm2為單位。X軸表示血管的長度，Y軸表示血管的直徑，Z軸表示剪應力的大小。斑塊周圍的WSS以波幅形式得以在三維剪應力空間分布圖上顯示。

5.斑塊附近WSS空間分布及定量分析

對儲存的頸動脈竇部斑塊周圍彩色多普勒血流圖像進行脫機分析，相關研究表明63%的斑塊破裂發生在斑塊肩部，多見于斑塊近心端[4]。所以本研究將斑塊肩部作為WSS的觀察區域(圖2)，包括斑塊肩部(斑塊與正常頸動脈血管內膜交界處)近心端和斑塊肩部遠心端，繪制頸動脈斑塊肩部近心端和遠心端的WSS分布圖并記錄該區域的WSS平均值。

圖1 WSS在超聲中的計算原理，定義Vslow為多普勒血流垂直方向上靠近血管壁的血流速度，Vfast為血流流向垂直方向上靠近Vslow的血流速度，相鄰兩個像素之間的距離恒定，定義為d，du/dr的計算即簡化為(Vfast-Vslow)/d。a) 彩色多普勒血流圖； b) 血流速度直方圖。

圖2 斑塊周圍區域觀察WSS的示意圖。 圖3 剪應力分布圖繪制軟件繪制頸動脈斑塊附近的剪應力分布。a) 頸動脈斑塊CDFI圖像； b) 剪應力二維空間分布圖； c) 剪應力三維空間分布圖。 圖4 30例AIS患者斑塊肩部近心端和遠心端舒張末期的WSS數據分布。 圖5 斑塊厚度與斑塊肩部近心端WSS的相關性分析。

6.統計學分析

結 果

1.患者一般資料

30例AIS患者中，男18例，女12例，年齡54～86歲，平均年齡(70.7±10.9)歲。30例患者均合并高血壓史，入院平均血壓為(156.0±24.5) mmHg/(91.0±15.9) mmHg，26例血壓升高，4例血壓正常；17例有糖尿病史，入院平均血糖為(6.97±2.89) mmol，7例血糖異常；入院平均膽固醇為(4.46±1.20) mmol，低密度脂蛋白膽固醇為(3.04±0.95) mmol，24例血脂異常。10例有冠心病病史，16例有長期吸煙史，5例有長期酗酒史。共發現斑塊30個，平均斑塊厚度為(2.77±0.31) mm ，其中低回聲斑塊14個，高回聲9個，混合回聲7個。

2.剪應力分布圖繪制軟件顯示斑塊附近的剪應力分布

剪應力分布圖繪制軟件可繪制頸動脈斑塊附近的剪應力分布(圖3)，剪應力二維空間分布圖去除了與WSS無關的因素，可清晰顯示頸動脈壁面、斑塊附近以及血管腔內的剪應力。WSS二維空間分布圖可分析斑塊肩部近心端、斑塊肩部遠心端的WSS分布情況，可見肩部近心端顏色明亮，肩部遠心端顏色暗淡(圖3b)。剪應力三維空間分布圖以波幅形式表示剪應力的大小，可見斑塊肩部近心端代表WSS值的Z軸波幅較斑塊肩部遠心端明顯增高(圖3c)。

3.斑塊附近剪應力的定量分析

30例AIS患者斑塊肩部近心端和遠心端舒張末期的WSS數據分布見圖4。定量分析結果顯示，AIS患者斑塊厚度為(2.77±0.31) mm，斑塊肩部近心端舒張末期的WSS為(8.15±2.27) dyne/cm2，遠心端舒張末期的WSS為(4.82±0.95) dyne/cm2，近心端的WSS顯著大于遠心端，差異有統計學意義(t=7.440，P=0.000)。

4.斑塊厚度與斑塊肩部近心端WSS的相關性分析

對所有AIS患者的斑塊厚度與斑塊肩部近心端舒張末期的WSS進行相關性分析，結果顯示，斑塊肩部近心端WSS與斑塊厚度呈正相關(r=0.496，P=0.005，圖5)。

5.斑塊肩部近心端WSS影響因素的多元線性回歸分析

以斑塊肩部近心端舒張末期WSS為因變量，以患者年齡、性別、吸煙、酗酒、合并高血壓、糖尿病、血脂異常、斑塊厚度為自變量建立擬合多元線性回歸模型。統計學分析結果顯示，僅斑塊厚度是斑塊肩部近心端舒張末期WSS的影響因素，差異有統計學意義(P=0.005)，擬合方程為WSS=-1.746+3.574×斑塊厚度。擬合優度R2=0.246，回歸平方和為36.701，殘差平方和為112.521。

討 論

血流是由無數個極微小的流層組成的，血管內相鄰兩流層之間單位面積所受的切向摩擦力即為血流剪應力(shear stress,SS)[5]。WSS是單位面積上由血管表面流動的液體產生的接近管壁的切向摩擦力[6]。斑塊形態、組成成份及斑塊周圍的生物力學環境組成了斑塊所處的內外環境，影響著斑塊的穩定性。WSS等生物力學環境發生改變時可能會觸發斑塊的破裂。本研究利用剪應力分布圖繪制軟件觀察頸動脈斑塊肩部舒張末期WSS的分布情況，旨在進一步探討WSS對斑塊破裂、脫落產生的影響。

相關研究表明急性心腦血管事件的發生主要取決于斑塊的穩定性[7]，而斑塊破裂是最重要的始動環節之一，所以WSS與斑塊破裂間的關系越來越受到研究者的關注。相關研究表明高WSS可能與斑塊破裂緊密相關[8-9]。從機械力學的觀點來看，斑塊破裂是由于斑塊某個位置的纖維帽承受的機械力超過了其最終承受的機械力強度而導致的，高WSS的區域提示高機械應變力，會導致斑塊纖維帽變薄，引導平滑肌細胞凋亡，增強了斑塊的易損性[10-11]，從而可能加速斑塊的破裂[12]。斑塊肩部往往是纖維帽最薄弱的部位，近年來的研究表明斑塊肩部是斑塊附近最高WSS的常見位置，63%的斑塊破裂發生在斑塊肩部，且多見于斑塊肩部近心端[13-14]。 因此相關學者認為斑塊肩部近心端WSS對預測斑塊破裂具有重要意義[15]。

然而上述研究多利用MRI或血管內超聲作為WSS的檢測工具，但MRI的圖像分辨力有限，血管內超聲普及率較低，較難在臨床中大范圍應用，所以剪應力的研究進展緩慢。超聲具有操作簡便、可重復測量、普及率高的特點，因此超聲檢查有望成為評估斑塊附近WSS的有力工具。目前研究者多利用超聲檢測血管內徑和血流速度，并根據Hagen-Poiseuille公式計算WSS，但該公式是基于理想狀態流體的簡化公式，無法觀察頸動脈斑塊這類管腔幾何結構復雜的WSS。而本研究的剪應力分布圖繪制軟件是基于WSS的定義公式(1)而設計，可以定量計算頸動脈竇部斑塊周圍的WSS，彌補了以往超聲不能觀察頸動脈竇部斑塊周圍WSS的不足。

本研究結果顯示，AIS患者頸動脈斑塊肩部近心端、遠心端的WSS分布不同，舒張末期斑塊肩部近心端的WSS均值顯著高于遠心端，差異有統計學意義(P<0.05)，這與Eshtehardi等[16]的研究結論近似，該研究發現斑塊肩部遠心端盡管與近心端有相似的幾何結構，但遠心端WSS低于近心端。為了進一步分析斑塊肩部近心端舒張末期WSS與斑塊之間的關系，本研究對近心端WSS與斑塊厚度進行了相關性分析，結果顯示隨著斑塊厚度的逐漸增厚，近心端WSS逐漸升高，兩者呈正相關(r=0.496，P=0.005)；提示斑塊突入血管管腔程度越高，其肩部近心端WSS就越大，承受的機械力也越大，其破裂的風險越高。多元線性回歸分析結果顯示，斑塊厚度是斑塊肩部近心端舒張末期WSS唯一的影響因素，其擬合方程為WSS=-1.746+3.574×斑塊厚度。提示對于發現頸動脈斑塊的患者需格外注意斑塊肩部附近的生物力學環境，因為斑塊肩部近心端WSS會隨著斑塊厚度的增長而變化，增加斑塊的易損性。

本研究存在一定不足，首先考慮到斑塊所致狹窄面積程度會影響血流動力學變化，相應的斑塊周圍包括肩部的WSS變化會更加復雜，為排除干擾因素本研究只納入了面積狹窄率≤50%的AIS患者，分析血流動力學較簡單條件下斑塊肩部近心端與遠心端區域的WSS分布情況。為下一步研究斑塊狹窄程度不一、血流動力學復雜多變情況下斑塊肩部WSS的變化情況提供了經驗和基礎。其次通過本研究回歸方程的擬合優度(R2=0.246)可以發現，線性回歸模型存在著較大的誤差，這可能是由于斑塊肩部WSS還受到其他因素的影響，但該因素并沒有被納入到本研究的檢測范圍所致。所以后續研究還需進一步擴大樣本量，盡可能采集更豐富的指標，探討影響WSS的潛在因素。

綜上所述，本研究采用剪應力分布圖繪制軟件進行定量分析，結果顯示斑塊肩部近心端WSS大于遠心端，同時斑塊厚度是影響斑塊WSS的主要因素，有力支持了高WSS對斑塊破裂起重要作用的理論，為進一步探討WSS在斑塊破裂中的作用奠定了一定基礎，從而可為提出預測斑塊破裂的新手段提供依據，也對預防斑塊的破裂，減少心腦血管急性事件的發生具有重要意義。