頸動脈竇部斑塊壁面剪應(yīng)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(wèi)

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(chǔ)，急性心腦血管事件發(fā)生與否主要取決于粥樣斑塊的穩(wěn)定性[1]。斑塊穩(wěn)定性是由斑塊內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果，斑塊周圍的生物力學(xué)環(huán)境是重要的外因，壁面剪應(yīng)力(wall shear stress,WSS)被認(rèn)為是與斑塊破裂最為相關(guān)的力學(xué)因素[2]。目前WSS的計(jì)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(gòu)造不規(guī)則，Hagen-Poiseuille公式無法應(yīng)用于計(jì)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(diǎn)上WSS數(shù)值分布的定量分析軟件，并且已運(yùn)用該軟件分析了健康人群頸總動脈WSS的空間分布規(guī)律[3]。目前有關(guān)頸動脈斑塊WSS分布的定量分析研究較少，本研究利用剪應(yīng)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

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(jīng)頭部CT或MRI檢查證實(shí),符合1995年全國第四屆腦血管病會議制定的診斷標(biāo)準(zhǔn)。AIS患者發(fā)病72 h內(nèi)行頸動脈超聲檢查，超聲提示為頸動脈單個(gè)斑塊，斑塊根據(jù)衛(wèi)生部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，無甲狀腺功能紊亂引起的血流動力學(xué)改變。納入患者均簽署知情同意書，本研究通過醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)并經(jīng)中國臨床試驗(yàn)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(yī)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(shí)受檢者取仰臥位，檢查側(cè)肩膀盡可能下垂，以最大限度暴露頸部，頭部向?qū)?cè)傾斜。發(fā)現(xiàn)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(shí)，確保超聲切面通過血管中軸；調(diào)整Scale鍵讓血流充滿血管腔而不出現(xiàn)混迭與溢出。采集并保存1～3個(gè)心動周期頸動脈斑塊CDFI動態(tài)圖像并進(jìn)行后處理分析。

3.血流WSS計(jì)算方法

根據(jù)WSS的定義，采用公式1計(jì)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(guī)取3.0cp)； γW是壁面剪應(yīng)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(yīng)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(jì)算原理見圖1。

4.剪應(yīng)力分布圖繪制軟件功能

利用剪應(yīng)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(yīng)力空間分布圖及動態(tài)的剪應(yīng)力分布視頻，自動分析得到舒張末期WSS均值。剪應(yīng)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(yīng)力三維空間分布圖的X、Y坐標(biāo)分別以像素為單位，每個(gè)像素的長度為0.085 mm，Z坐標(biāo)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(yīng)力的大小。斑塊周圍的WSS以波幅形式得以在三維剪應(yīng)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(jìn)行脫機(jī)分析，相關(guān)研究表明63%的斑塊破裂發(fā)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(qū)域(圖2)，包括斑塊肩部(斑塊與正常頸動脈血管內(nèi)膜交界處)近心端和斑塊肩部遠(yuǎn)心端，繪制頸動脈斑塊肩部近心端和遠(yuǎn)心端的WSS分布圖并記錄該區(qū)域的WSS平均值。

圖1 WSS在超聲中的計(jì)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(gè)像素之間的距離恒定，定義為d，du/dr的計(jì)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(qū)域觀察WSS的示意圖。 圖3 剪應(yīng)力分布圖繪制軟件繪制頸動脈斑塊附近的剪應(yīng)力分布。a) 頸動脈斑塊CDFI圖像； b) 剪應(yīng)力二維空間分布圖； c) 剪應(yīng)力三維空間分布圖。 圖4 30例AIS患者斑塊肩部近心端和遠(yuǎn)心端舒張末期的WSS數(shù)據(jù)分布。 圖5 斑塊厚度與斑塊肩部近心端WSS的相關(guān)性分析。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 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(fā)現(xiàn)斑塊30個(gè)，平均斑塊厚度為(2.77±0.31) mm ，其中低回聲斑塊14個(gè)，高回聲9個(gè)，混合回聲7個(gè)。

2.剪應(yīng)力分布圖繪制軟件顯示斑塊附近的剪應(yīng)力分布

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

3.斑塊附近剪應(yīng)力的定量分析

30例AIS患者斑塊肩部近心端和遠(yuǎn)心端舒張末期的WSS數(shù)據(jù)分布見圖4。定量分析結(jié)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(yuǎn)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(yuǎn)心端，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(guān)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(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，斑塊肩部近心端WSS與斑塊厚度呈正相關(guān)(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(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.005)，擬合方程為WSS=-1.746+3.574×斑塊厚度。擬合優(yōu)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(shù)個(gè)極微小的流層組成的，血管內(nèi)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(yīng)力(shear stress,SS)[5]。WSS是單位面積上由血管表面流動的液體產(chǎn)生的接近管壁的切向摩擦力[6]。斑塊形態(tài)、組成成份及斑塊周圍的生物力學(xué)環(huán)境組成了斑塊所處的內(nèi)外環(huán)境，影響著斑塊的穩(wěn)定性。WSS等生物力學(xué)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)可能會觸發(fā)斑塊的破裂。本研究利用剪應(yīng)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(jìn)一步探討WSS對斑塊破裂、脫落產(chǎn)生的影響。

相關(guān)研究表明急性心腦血管事件的發(fā)生主要取決于斑塊的穩(wěn)定性[7]，而斑塊破裂是最重要的始動環(huán)節(jié)之一，所以WSS與斑塊破裂間的關(guān)系越來越受到研究者的關(guān)注。相關(guān)研究表明高WSS可能與斑塊破裂緊密相關(guān)[8-9]。從機(jī)械力學(xué)的觀點(diǎn)來看，斑塊破裂是由于斑塊某個(gè)位置的纖維帽承受的機(jī)械力超過了其最終承受的機(jī)械力強(qiáng)度而導(dǎo)致的，高WSS的區(qū)域提示高機(jī)械應(yīng)變力，會導(dǎo)致斑塊纖維帽變薄，引導(dǎo)平滑肌細(xì)胞凋亡，增強(qiáng)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(fā)生在斑塊肩部，且多見于斑塊肩部近心端[13-14]。 因此相關(guān)學(xué)者認(rèn)為斑塊肩部近心端WSS對預(yù)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(nèi)超聲作為WSS的檢測工具，但MRI的圖像分辨力有限，血管內(nèi)超聲普及率較低，較難在臨床中大范圍應(yīng)用，所以剪應(yīng)力的研究進(jìn)展緩慢。超聲具有操作簡便、可重復(fù)測量、普及率高的特點(diǎn)，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(nèi)徑和血流速度，并根據(jù)Hagen-Poiseuille公式計(jì)算WSS，但該公式是基于理想狀態(tài)流體的簡化公式，無法觀察頸動脈斑塊這類管腔幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的WSS。而本研究的剪應(yīng)力分布圖繪制軟件是基于WSS的定義公式(1)而設(shè)計(jì)，可以定量計(jì)算頸動脈竇部斑塊周圍的WSS，彌補(bǔ)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(jié)果顯示，AIS患者頸動脈斑塊肩部近心端、遠(yuǎn)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(yuǎn)心端，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，這與Eshtehardi等[16]的研究結(jié)論近似，該研究發(fā)現(xiàn)斑塊肩部遠(yuǎn)心端盡管與近心端有相似的幾何結(jié)構(gòu)，但遠(yuǎn)心端WSS低于近心端。為了進(jìn)一步分析斑塊肩部近心端舒張末期WSS與斑塊之間的關(guān)系，本研究對近心端WSS與斑塊厚度進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)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(guān)(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(jī)械力也越大，其破裂的風(fēng)險(xiǎn)越高。多元線性回歸分析結(jié)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(fā)現(xiàn)頸動脈斑塊的患者需格外注意斑塊肩部附近的生物力學(xué)環(huán)境，因?yàn)榘邏K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(xué)變化，相應(yīng)的斑塊周圍包括肩部的WSS變化會更加復(fù)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(xué)較簡單條件下斑塊肩部近心端與遠(yuǎn)心端區(qū)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(xué)復(fù)雜多變情況下斑塊肩部WSS的變化情況提供了經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。其次通過本研究回歸方程的擬合優(yōu)度(R2=0.246)可以發(fā)現(xiàn)，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(xù)研究還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，盡可能采集更豐富的指標(biāo)，探討影響WSS的潛在因素。

綜上所述，本研究采用剪應(yīng)力分布圖繪制軟件進(jìn)行定量分析，結(jié)果顯示斑塊肩部近心端WSS大于遠(yuǎn)心端，同時(shí)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(jìn)一步探討WSS在斑塊破裂中的作用奠定了一定基礎(chǔ)，從而可為提出預(yù)測斑塊破裂的新手段提供依據(jù)，也對預(yù)防斑塊的破裂，減少心腦血管急性事件的發(fā)生具有重要意義。