快速傅里葉變換分析冠狀動脈旁路移植術中不同橋血管的血流波形特征及其意義

賈彥雄 ,高 杰 ,蘇丕雄

（1.首都醫科大學第三臨床醫學院,北京 100069；2.首都醫科大學附屬北京朝陽醫院心臟外科，北京 100020）

冠狀動脈旁路移植術（coronary artery bypass grafting，CABG）是有效治療冠心病的手術方式，在處理較復雜的冠脈病變中較經皮冠狀動脈介入治療（percutaneous coronary intervention，PCI）更有優勢［1-2］。CABG 術中一般將左側乳內動脈（left internal mammary artery，LIMA）吻合至前降支（left anterior descending branch，LAD），選取大隱靜脈橋（saphenous vein graft，SVG）和橈動脈（radial artery，RA）等處理右冠狀動脈（right coronary artery，RCA）和回旋支（left circumflex branch，LCX）系統病變。研究［3-6］表明：LIMA橋血管的術后通暢率較高，是CABG 術后患者主要的獲益來源，而SVG 橋血管術后遠期通暢率偏低，RA 通暢率接近LIMA。通過力學分析也有助于評價橋血管的質量［7-9］，但由于交叉學科研究較少，認可度不高，國際上關于血管力學特征的研究相對較少。術中橋血管血流測量（transit-time flow measurement，TTFM）已成為目前CABG 術中常規評價吻合質量的方式［10-11］。TTFM 采用超聲探頭描記橋血管血流波形，通過相應流體力學公式計算平均血流量（mean graft flow，MGF）和搏動指數（pulsatility index，PI）等指標。波信號是承載信息的一種方式，橋血管血流的波形則體現了血液流動情況，可以反映血管順應性和內皮光滑程度等信息。本研究通過分析不同種類橋血管血流波形，將靜態的血管結構特征與動態力學信號相互印證，探討不同種類橋血管遠期通暢率差異的影響因素。快速傅里葉變換（fast Fourier transformation，FFT）是量化TTFM 波形的方式，既往一些研究［11-12］也驗證了該方法的價值。所有周期信號均可分解為多個正弦波的疊加，這些正弦波具有不同的頻率與波幅，FFT 的作用就是將時域中的TTFM 波形轉化為在以頻率為橫坐標的頻域內。FFT 圖像由主波及一系列諧波組成，本研究中主波（H0）幅度等效于橋血管血流量。主波以外的波峰稱為諧波（Ha，a=1、2、3、…、n），較低的諧波頻率和較低的高頻諧波幅度值提示TTFM 波形較為規律，反之則說明在橋血管內某些因素導致了異常波形的出現，預示橋血管病變概率增加。本研究通過探討不同種類橋血管FFT 結果差異，闡明其臨床意義，為CABG 術中橋血管選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象本研究共納入132 例首都醫科大學附屬北京朝陽醫院心臟外科2017年1月—2018 年12 月行不停跳冠狀動脈旁路移植術（off-pump coronary artery bypass grafting，OPCABG）患者，進行術后隨訪。所有患者術前均經冠脈造影檢查診斷為冠狀動脈病變，藥物或PCI 治療效果不佳，術前血管超聲檢查LIMA、RA 和SVG 等血管無病變，既往無心臟手術史，無其他心臟病變，無其他嚴重并發癥，無明確手術禁忌證，無急診及亞急診手術，無體外循環輔助，所有手術均由同一術者團隊完成，術后均行至少1 年的雙聯抗血小板治療，完成后持續抗血小板治療及降脂治療。納入患者均預約行 CT 冠狀動脈成像（CT coronary angiography，CTCA）檢 查，根 據Fitzgibbon 標準［13］進行血管質量評價：A 組，橋血管無狹窄或吻合口狹窄＜50%；B 組，橋血管或吻合口狹窄≥50%；O 組：完全閉塞；符合A 組定義為橋血管正常，B+O 組定義為橋血管病變。僅保留A 組數據，根據橋血管類型分為LAD 組、LAD+SVG 組、RA 組 和SVG 組。

1.2 手術策略術中獲取LIMA、SVG 或RA。其中LIMA 吻合至LAD，SVG 和RA 近端吻合至升主動脈根部，遠端吻合于靶血管。當LIMA 近端或全長質量欠佳時，采用SVG 吻合至升主動脈根部及LAD，當LIMA 獲取長度不足或遠端質量欠佳時，采取LIMA 與SVG 端端吻合，再吻合至LAD。

1.3 資料收集橋血管吻合完畢并給予魚精蛋白中和殘留肝素后常規應用TTFM 測量橋血管血流波形，測量時控制血壓至術前生理水平，維持循環穩定，乳內動脈測量位置骨骼化，選用適配的探頭，避免擠壓測量血管，使血管與探頭貼合滿意，待血流波形穩定后描記數據，記錄血流波形。將各組血流波形錄入計算機，應用MATLAB 2017b 軟件對血流波形行FFT 處理，獲取頻率-幅度曲線圖像，記錄FFT 圖像及數據。隨訪方式主要為門診隨訪，內容包括癥狀、用藥及冠狀動脈CT 檢查，隨訪時間13～44 個月，平均隨訪時間（25.74±7.86）個月，因個人原因共失訪18 例，無死亡病例。

1.4 統計學分析采用SPSS 26.0 統計軟件包進行統計學分析。各組患者基線數據中年齡和體質量指數（body mass index，BMI）均符合正態分布，以表示，多組間樣本均數比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用SNK-q檢驗。各組主波幅度值以中位數（M）［四分位間距（IQR）］表示；基線資料中計數資料以人次（n）表示，采用χ2檢驗。以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組OPCABG 患者人口學特征和臨床特征的基線資料本研究共納入患者132 例，其中男性98 例，女性34 例，平均年齡（62.02±8.37）歲。共移植橋血管349 支，其中LIMA 113 支，SVG 207 支，LIMA＋SVG 19 支，RA 10 支，CTCA 檢查結果符合Fitzgibbon A 級標準的橋血管共278 支，其中LIMA 101 支，SVG 156 支，LIMA+SVG 14 支，RA 7 支。LIMA 組及LIMA+SVG 組橋血管遠端均吻合至LAD，RA 組均吻合至回旋支（LCX）。以橋血管為單位，比較各組橋血管基線資料，各組OPCABG 患者人口學特征和臨床特征的基線資料比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表1。

表1 各組OPCABG 患者人口學特征和臨床特征的基線資料Tab.1 Baseline data of demographic characteristics and clinical characteristics of patients underwent OPCABG in various groups

2.2 各組患者FFTLIMA 組患者H0幅度值為34.52，H1、H2和H3對應頻率分別為2.500、3.750和6.250 Hz，對應幅度值分別為2.11、1.14 和0.88，見圖1。SVG 組患者H0幅度值為50.66，H1、H2和H3對應頻率分別為2.500、5.625 和8.125 Hz，對應幅度值為4.54、3.88 和2.12，見圖2。LIMA+SVG 組患者H0幅度值為36.75，H1、H2、H3和H4對應頻率分別為3.125、4.375、5.625 和8.750 Hz，對應幅度值為2.57、2.18、0.80 和1.60，見圖3。RA 組患者H0幅度值為33.55，H1和H2對應頻率分別為3.125 和6.250 Hz，觀察范圍內無H3，對應幅度值分別為2.64 和1.98，見圖4。各組曲線匯總見圖5，數據匯總見表2。

表2 各組患者橋血管FFT 處理后數據Tab.2 Data of grafts of patients in various groups after FFT

圖1 LIMA 組患者FFT 結果Fig.1 FFT results of patients in LIMA group

圖2 SVG 組患者FFT 結果Fig.2 FFT results of patients in SVG group

圖3 LIMA+SVG 組患者FFT 結果Fig.3 FFT results of patients in LIMA+SVG group

圖4 RA 組患者FFT 結果Fig.4 FFT results of patients in RA group

圖5 各組患者FFT 結果對比Fig.5 Comparison of FFT results of patients between various groups

2.3 FFT 包絡圖6 為包絡線，即分別做4 組曲線波峰連線，可以更直觀地觀察波形趨勢。由圖可見LIMA 組與SVG 組差異最明顯，LIMA 組與SVG 組H1頻率相等，均為2.500 Hz，其余各諧波頻率小于SVG 組：H2（3.750 Hzvs5.625 Hz），H3（6.250 Hzvs8.125 Hz）。LIMA+SVG 組圖中可見H4，其H1和H2頻率大于LIMA 組（3.125 Hzvs2.500 Hz，4.375 Hzvs3.750 Hz），H3頻率小于LIMA 組（5.625 Hzvs6.250 Hz）。與SVG 組 比較，LIMA+SVG 組H1頻率更大（3.125 Hzvs2.500 Hz），其 H2和 H3頻率小于SVG 組（4.375 Hzvs5.625 Hz，5.625 Hzvs8.125 Hz）。RA 組圖中僅可見H1和H22 個諧波，其頻率較LIMA 和SVG 組均更大（3.125 Hzvs2.500 Hzvs2.500 Hz，6.250 Hzvs3.750 Hzvs5.625 Hz），但由于高頻未觀察到諧波，故包絡線趨勢介于LIMA 組與SVG 組之間。FFT 圖像各諧波頻率值為數據疊加后體現，故無需進一步行統計學分析。

圖6 各組FFT 包絡線對比Fig.6 Comparison of envelope images of FFT between various groups

主波幅度值對比見表3，主波幅度值與平均血流量等效，數值上并不相等。SVG 組主波幅度值高 于LIMA 組（P=0.006），LIMA+SVG 組 和RA 組主波幅度值與LIMA 組比較差異無統計學意義（P=0.812，P=0.977）。

表3 各組橋血管經FFT 處理后主波幅度值Tab.3 Main wave amplitude values of grafts in various groups after FFT

3 討論

CABG 是治療冠狀動脈多支病變、左主干病變和伴有并發癥患者的有效手術方式［1］。非動脈橋血管術后遠期通暢率較低，LIMA 在大于10 年隨訪中通暢率為90%［4］。BUXTON 等［5］研究的遠期結果顯示：RA 吻合至非LAD 冠狀動脈10 年通暢率為85%～89%；ACHOUH 等［6］對橈動脈術后20 年隨訪顯示：其通暢率為83%。而在12～18個月隨訪中SVG 通暢率為75%［3］，大于10 年通暢率僅為55%～61%［14-15］。LIMA+SVG 的吻合方式并不是常規應用，其遠期通暢率有待進一步臨床試驗驗證。由此可見，動脈橋血管在術后遠期通暢率上較靜脈橋血管更有優勢，對于非LIMA 血管搭橋遠期通暢率偏低的原因研究主要集中在以下幾個方面：①血管自身結構特點，體現在彈力纖維數量、平滑肌細胞數量及管壁間隙等方面；②血管內分泌功能特點，主要體現在前列環素和一氧化氮等一系列細胞因子方面；③獲取過程中損傷，在SVG 獲取中尤為重要［16-18］；④吻合質量等［19］。另外并發糖尿病和高血壓等基礎疾病以及術后用藥的合理性也會影響橋血管，且有研究［20］顯示：有PCI 治療史患者遠期橋血管通暢率較低，但上述因素并不單獨作用于非乳內動脈橋。研究著重于比較結構方面的差異。血流波信號可以反映血流在血管內流動的情況，當血流受阻或形成湍流時，TTFM 波形均會出現近似特征的波形變化，但該差異由于血流波形在時域上各不相同而難以被有效分析。

橋血管早期（＜30 d）狹窄主要見于術中吻合技術或其他原因導致的橋內血栓形成。橋血管中期（＜1 年）狹窄主要源于血管內膜增生，橋血管晚期（＞1 年）狹窄則與動脈粥樣硬化有關［8］。

在血流動力學上，血液作為非牛頓液體，當流速較低時，因為血液黏滯力的作用，可以視為規律的層流運動，當流速增快時，血流慣性力增強，遠大于黏滯力作用，從而使層流破壞，產生垂直方向分速度，形成湍流。根據雷諾數（Reynolds，Re）公式：Re=ρvr/η。其中ρ 為血液密度，v 為血液流速，r 為血管半徑，η 為血液黏度，Re 稱為雷諾數，當Re＞1 500 時，液體成湍流，Re＜1 000 時，液體成層流，1 000≤Re≤1 500 時液體不穩定。

結合本研究結果及上述公式可見，橋血管流速和管徑與血流湍流呈正向影響。血流湍流是導致內皮增生和粥樣斑塊沉積的力學因素，研究［21］表明：動脈粥樣斑塊更易發生于彎曲、狹窄和分叉等血流流動較復雜的區域。除此之外，血流在緊貼管壁的位置因壁面限制會形成保持層流狀態的黏性底層厚度（δ），管壁的粗糙突出部分稱為管壁的絕對粗糙度（ε），當ε＜δ 時，血管內部血流不接觸粗糙的管壁，近似于在光滑管道內流動，當ε＞δ 時，粗糙管壁暴露于血流中，形成不規律流動，進一步可產生湍流。

FFT 可以體現血流在血管內流動的情況，反映橋血管對心臟搏動的順應性及內壁光滑程度。本研究LIMA 組中H1頻率與SVG 組相同，其余諧波頻率小于SVG 組，包絡線位于4 組血管最下方。SVG 組的H3頻率和幅度值較高，故包絡線位于4 組血管最上方，表明SVG 內的血液流動更混亂，LIMA 內血液流動更穩定。本文作者認為：首先，在結構上LIMA 具有較少的平滑肌細胞數量，管壁彈力纖維較多，彈力層較厚，可以限制平滑肌細胞的移動和血管內膜增生，且對于缺血耐受能力更強。同時，LIMA 管徑更小，但其根據血流調節管徑大小的能力更強，具有對搏動血流的順應性。SVG 內膜存在較多間隙，中膜平滑肌細胞可由間隙進入內膜增生。中膜層較薄，受到自身血壓擴張后自我調節能力較低，力學硬度較高，順應性較低。SVG 在結構上較LIMA 更容易產生管壁狹窄及湍流。同時，SVG 管壁光滑程度低于LIMA，且由于靜脈瓣的存在，管壁ε 較高，血液流經時更易形成縱向分速度，也是形成湍流的影響因素。內皮增生或粥樣斑塊形成后，管壁粗糙度增加，狹窄形成后加速粥樣斑塊沉積，上述因素相互促進，加速SVG 病變。根據幅度值對比，SVG 橋血管平均流量大于LIMA 組，差異有統計學意義，根據Re 公式，流速及管徑與發生湍流呈正向影響，也是可能的影響因素。故本文作者認為在非必要情況下可以避免選擇SVG，采用其他動脈橋或應用支架處理非LAD 血管的雜交技術。當選擇SVG 時，應盡可能選擇無靜脈瓣并且管徑與冠狀動脈相匹配的節段，獲取時，應該選擇盡可能避免損傷的“notouch”技術，減少人為造成的內皮損傷及管壁粗糙［22］。LIMA+SVG 組的包絡線位于LIMA 組 與SVG 組之間，但其在較高頻率（8.750 Hz）產生了幅度值較高的H4，分析其原因可能是由于LIMA與SVG 端端吻合形成的不連續性造成的。H1～H3諧波集中在相對低頻區域，幅度值依次降低明顯，表現為其整體血液流動較為平穩，具有動脈特征，H4可能由于橋血管中段吻合口存在形成。本文作者推斷LIMA+SVG 橋血管的通暢率應優于SVG，但仍需進一步研究證實。RA 組作為動脈橋血管，其遠期通暢率不次于LIMA［5］，但因患者年齡、身高和尺動脈功能等限制導致無法應用于每例患者，RA 平滑肌細胞豐富，依賴滋養血管供血，不易耐受缺血缺氧，并且易痙攣。本研究結果顯示：RA 組諧波頻率較LIMA 稍高，但未見較高頻率的H3，表明無其他的異常波動信號產生，其血管內血流平穩程度較高，自我調節能力較強，且與LIMA 組幅度值比較差異無統計學意義，其可能是RA 具有較高術后通暢率的力學因素。

本研究的局限性在于LIMA+SVG 組和RA 組數據較少，且RA 組全部吻合至LCX 主干，未體現其吻合至其他冠狀動脈的區別。另外，本研究應用FFT 探究了不同類型橋血管內血液的血流動力學差異及可能引起其術后遠期通暢率差異的原因，并未提出實際的改善通暢率的方法，未來仍需進一步觀察及實驗研究。

綜上所述，本研究從血流角度觀察，LIMA 和RA 內血液的流動更平穩，動脈血管對于搏動血流具有調節作用，應作為CABG 手術的優先選擇。LIMA+SVG 作為非常規應用的吻合方法，在其通暢率高于SVG 方面具有一定的生物力學基礎，但仍需進一步研究。SVG 作為最容易獲取的橋血管，由于其本身結構特點的限制，更易產生湍流而加速內膜增生及粥樣硬化，應盡可能減少應用。