超聲血流向量成像技術(shù)探討頸動(dòng)脈球部壁面剪切應(yīng)力的影響因素

胡 敏，康 彧，蔣 劍，張 嬿，王 渠，韓志芬

(成都中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，四川成都 610075)

0 引言

頸動(dòng)脈粥樣斑塊脫落、破裂及出血是缺血性腦卒中常見的原因之一，提早預(yù)防有助于減少不良事件的發(fā)生[1]。目前研究表明，血管壁面剪切應(yīng)力(Wall Shear Stress,WSS)在血管內(nèi)皮功能障礙和動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[2]，其影響因素包括局部血流速度和管徑，而不同個(gè)體頸動(dòng)脈分叉部幾何形狀差異，可能對(duì)WSS產(chǎn)生不同程度的影響。超聲血流向量成像(Vector Flow Imaging,V Flow)是一種可視化評(píng)價(jià)血液流場(chǎng)的新技術(shù)，克服了脈沖多普勒對(duì)角度及層流的依賴，可獲取感興趣區(qū)流場(chǎng)形態(tài)并測(cè)量流速、流量和WSS。本研究旨在應(yīng)用超聲V Flow技術(shù)探討頸動(dòng)脈分叉部自體解剖與血流動(dòng)力學(xué)因素對(duì)WSS的影響，對(duì)不同個(gè)體動(dòng)脈粥樣硬化的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以期為臨床通過改善局部血流動(dòng)力學(xué)延緩特定部位動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生與發(fā)展提供一定的客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇2019年9月～2020年6月于我院行頸動(dòng)脈超聲檢查的住院患者70例，男、女各35例，年齡40～60歲，平均(47.4±6.2)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)同一切面清晰顯示左側(cè)頸總動(dòng)脈分叉部三支血管“Y”型結(jié)構(gòu)；(2)頸動(dòng)脈管壁光滑，無內(nèi)-中膜增厚、粥樣硬化斑塊形成及其他病變。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)患有高血壓、糖尿病及高膽固醇血癥者；(2)患有已知心血管疾病、甲亢、貧血以及心律不齊者；(3)主動(dòng)脈瓣狹窄、反流及升主動(dòng)脈、主動(dòng)脈弓病變者；(4)頭頸部血管手術(shù)史者；(5)因頸部短小或過度肥胖導(dǎo)致圖像質(zhì)量差者。

納入人群基線資料：左側(cè)頸總動(dòng)脈內(nèi)-中膜厚度為(0.6±0.2)mm；血壓為(109.8±13.8)/(77.6±8.2)mmHg；血糖(4.9±0.7)mmol·L-1；膽固醇(4.2±0.8)mmol·L-1；左室射血分?jǐn)?shù)(65±4)%；心率(74±13)次·min-1。

1.2 儀器與方法

(1)儀器：采用邁瑞Resona 7彩色多普勒超聲診斷儀，L9-3U線陣探頭，頻率為3～9 MHz，內(nèi)置V Flow技術(shù)及相關(guān)定量分析軟件。

(2)方法：患者于平靜狀態(tài)，頭部略偏向右側(cè)，左側(cè)頸部呈自然放松狀態(tài)?？v切掃查，調(diào)節(jié)探頭角度及位置顯示頸總動(dòng)脈分叉部“Y”型分支結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)V Flow并調(diào)整感興趣區(qū)，包括頸總動(dòng)脈(Common Carotid Artery,CCA)末段、頸動(dòng)脈球部(Carotid Bulb,CB)以及頸外動(dòng)脈(External Carotid Artery,ECA)起始段。獲取如下參數(shù)：①測(cè)量頸總動(dòng)脈中線與頸動(dòng)脈球部中線之間的角度，如圖1(a)兩條虛線之間的角度為θ；②測(cè)量收縮末期頸動(dòng)脈球部膨大最明顯處內(nèi)徑(DCB)與頸總動(dòng)脈末段距分叉部約1.0 cm處內(nèi)徑(DCCA)，如圖1(a)兩條實(shí)線為DCB與DCCA測(cè)量位點(diǎn)，并計(jì)算二者的比值(DCB/DCCA)；③測(cè)量經(jīng)頸動(dòng)脈球部分流入頸內(nèi)動(dòng)脈血流量(QCB)與頸總動(dòng)脈末段距分叉部約1.0cm處血流量(QCCA)，如圖1(b)兩條實(shí)線為QCB與QCCA測(cè)量位點(diǎn)，并計(jì)算二者的比值(QCB/QCCA)；④描記頸動(dòng)脈球部血流紊亂區(qū)可視化面積(ACB)，如圖1(b)虛線勾劃范圍為ACB；⑤檢測(cè)整個(gè)心動(dòng)周期中頸動(dòng)脈球部起始段內(nèi)側(cè)平均壁面剪切應(yīng)力(WSSI-CB)和外側(cè)平均壁面剪切應(yīng)力(WSSE-CB)，內(nèi)、外側(cè)壁均連續(xù)放置五個(gè)位點(diǎn)如圖1(b)中5個(gè)藍(lán)色點(diǎn)，并計(jì)算平均值；⑥隨機(jī)選取20例患者由不同操作醫(yī)生獨(dú)立進(jìn)行圖像采集并測(cè)量頸動(dòng)脈球部?jī)?nèi)、外側(cè)WSS值，用于檢驗(yàn)同一操作者及不同操作者的組內(nèi)及組間一致性。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)WSSI-CB、WSSE-CB計(jì)量數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述，兩組間差異用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；對(duì)DCB/DCCA、θ、QCB/QCCA、ACB與WSSE-CB之間關(guān)系采用Pearson直線相關(guān)分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。操作者自身與操作者間的一致性評(píng)估采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(Intraclass Correlation Coefficients,ICC)，ICC＞0.75表示可重復(fù)性較好。

2 結(jié)果

2.1 頸動(dòng)脈球部平均WSS值比較

頸動(dòng)脈球部起始段WSSI-CB值為(0.88±0.30)Pa，WSSE-CB值為(0.32±0.15)Pa，外側(cè)壁明顯小于內(nèi)側(cè)壁，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)。

2.2 頸總動(dòng)脈分叉部解剖與WSSE-CB值的關(guān)系

頸動(dòng)脈球部與頸總動(dòng)脈夾角θ值為(24.5±12.1)°，與WSSE-CB相關(guān)系數(shù)為r=-0.171，二者無相關(guān)性且差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)；頸動(dòng)脈球部膨大最明顯處內(nèi)徑與頸總動(dòng)脈末段內(nèi)徑比值DCB/DCCA為(0.66±0.09)，與頸動(dòng)脈球部 WSSE-CB值呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.312，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

2.3 頸總動(dòng)脈分叉部學(xué)流動(dòng)力學(xué)與WSSE-CB值的關(guān)系

頸動(dòng)脈球部與頸總動(dòng)脈末段流量比值QCB/QCCA為(0.69±0.15)，與頸動(dòng)脈球部WSSE-CB值呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為r=0.428，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)；頸動(dòng)脈球部血流紊亂區(qū)表現(xiàn)為渦流、逆流和復(fù)雜混合流，可視化面積ACB為(0.27±0.17)cm2，與頸動(dòng)脈球部WSSE-CB值呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.545，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)，如表1和圖2所示。

表1 WSSE-CB與DCB/DCCA、θ、QCB/QCC、ACB相關(guān)性分析Table 1 The correlation analysis of WSSE-CBwith DCB/DCCA,θ,QCB/QCCand ACB

圖2 頸動(dòng)脈球部血流紊亂區(qū)的超聲波圖像Fig.2 Ultrasonic images of carotid bulb areas

2.4 操作者組內(nèi)及組間的一致性評(píng)價(jià)

同一操作者測(cè)量WSSI-CB、WSSE-CB的ICC分別為 0.873、0.854，不同操作者測(cè)量 WSSI-CB、WSSE-CB的ICC分別為0.833、0.829，ICC均大于0.75，表明WSS測(cè)量在組內(nèi)及組間可重復(fù)性較好。

3 討論

WSS是血液在血管中流動(dòng)形成的作用于血管內(nèi)膜單位面積上的摩擦力，其大小與血流速度成正比，與血管腔半徑的立方成反比，也與血黏度相關(guān)，但對(duì)于無血液疾病者，血黏度導(dǎo)致的WSS變化往往可以忽略不計(jì)[3]。正常的血管內(nèi)皮細(xì)胞是維持心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的前提條件，其功能異常是心血管疾病早期的重要特征，與動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓及心衰等疾病的發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切[4]。既往研究已表明動(dòng)脈粥樣硬化與WSS改變有關(guān)，正常動(dòng)脈最大WSS值通常在1.0～7.0 Pa之間[5]，反映整個(gè)心動(dòng)周期的平均WSS值低于0.4 Pa可使血管壁發(fā)生形態(tài)改變，導(dǎo)致動(dòng)脈內(nèi)膜增厚[6]。其可能的機(jī)制是低WSS可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，加速血管內(nèi)皮的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)及細(xì)胞凋亡等病理過程，誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成[7-8]。因此，測(cè)量WSS對(duì)于頸動(dòng)脈粥樣硬化的早期評(píng)估具有重要意義，有助于發(fā)現(xiàn)潛在斑塊形成高風(fēng)險(xiǎn)患者，盡早開展針對(duì)局部血流動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的高級(jí)臨床管理[9]。

盡管動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的發(fā)病機(jī)制異常復(fù)雜，現(xiàn)已提出包括血栓形成學(xué)說、脂質(zhì)浸潤(rùn)學(xué)說、損傷反應(yīng)學(xué)說和單克隆學(xué)說等一系列影響因素[10]，但這些學(xué)說并不能完全解釋斑塊好發(fā)于血管分叉、彎曲及狹窄等部位的原因，表明局部解剖差異和血流動(dòng)力學(xué)與斑塊的分布可能存在某種相關(guān)性[11]。有證據(jù)表明，動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生主要累及血管分叉的外側(cè)壁和低速回流及停滯的位置[6]，故本研究重點(diǎn)關(guān)注了頸動(dòng)脈球部外側(cè)WSS。還有研究認(rèn)為，左側(cè)腦血管病變往往優(yōu)先于右側(cè)發(fā)生，可能與右側(cè)頸總動(dòng)脈起源于頭臂干、左側(cè)頸總動(dòng)脈直接起源于主動(dòng)脈弓這一解剖差異有關(guān)，頭臂干從主動(dòng)脈弓近似直角發(fā)出，而左側(cè)頸總動(dòng)脈從主動(dòng)脈弓發(fā)出較為平直，這種解剖關(guān)系可解釋左側(cè)頸動(dòng)脈對(duì)WSS的變化較右側(cè)更為敏感[12]，故本研究?jī)H對(duì)左側(cè)頸總動(dòng)脈分叉部的解剖及血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，以確保數(shù)據(jù)的可比性。

在頸總動(dòng)脈分叉部及頸內(nèi)動(dòng)脈起始部，其非層流分布的血流特征使傳統(tǒng)多普勒超聲成像無法精確檢測(cè)和顯示血流中的渦流信息。針對(duì)頸動(dòng)脈分叉部的血流參數(shù)和WSS檢測(cè)，既往主要通過磁共振(MRI)、CT血管造影術(shù)(CTAngiography,CTA)或常規(guī)超聲采集血流信息，再借助后處理模擬軟件繪制WSS分布圖。但上述三種手段均存在一定的局限性，MRI受制于圖像空間分辨率，難以得到精確的速度信息；CTA因放射性限制了其在臨床中的廣泛應(yīng)用；常規(guī)多普勒超聲缺點(diǎn)是以層流為假設(shè)、角度依賴性且難以測(cè)及貼近血管壁的低速血流[13]。新近出現(xiàn)基于超聲的V flow技術(shù)，無需角度矯正，可快速、可視化反映非層流血液流動(dòng)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取感興趣區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)血細(xì)胞的速度和方向，尤其適用于血管彎曲或分叉部較為復(fù)雜的直流、渦流和逆流，并實(shí)時(shí)計(jì)算WSS，目前已成為研究頸動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)的重要手段之一[14]。

WSS是影響動(dòng)脈粥樣硬化產(chǎn)生和斑塊形成發(fā)展、破裂的重要生物力學(xué)因素[15]。本研究針對(duì)無動(dòng)脈粥樣硬化誘因、頸動(dòng)脈超聲正常的40～60歲人群，發(fā)現(xiàn)頸動(dòng)脈球部外側(cè)的平均WSS值明顯低于內(nèi)側(cè)，表明頸動(dòng)脈分叉部解剖特點(diǎn)所致血流動(dòng)力學(xué)改變對(duì)頸動(dòng)脈球部外側(cè)壁的影響更為顯著。此外，研究人群中頸動(dòng)脈球部外側(cè)的平均WSS值為(0.32±0.15)Pa，存在部分人群的平均WSS小于正常值0.4 Pa的情況，表明盡管頸動(dòng)脈超聲檢查未發(fā)現(xiàn)形態(tài)學(xué)異常，但較低的WSS可能正在影響頸動(dòng)脈球部外側(cè)壁局部?jī)?nèi)皮細(xì)胞的功能，有可能成為動(dòng)脈粥樣硬化的潛在好發(fā)人群。

不同個(gè)體頸動(dòng)脈分叉角度和頸動(dòng)脈球部膨大程度在解剖形態(tài)上存在差異，本研究分析了頸動(dòng)脈球部從頸總動(dòng)脈發(fā)出的角度以及頸動(dòng)脈球部最寬處與頸總動(dòng)脈末段內(nèi)徑的比值，將上述解剖因素與頸動(dòng)脈球部相對(duì)較低的外側(cè)WSS進(jìn)行相關(guān)性研究。結(jié)果表明，頸動(dòng)脈球部外側(cè)WSS與頸動(dòng)脈球部發(fā)出角度無相關(guān)性，而與內(nèi)徑比值存在相關(guān)性，比值越大，WSS值越小。關(guān)于頸動(dòng)脈球部發(fā)出角度與WSS的相關(guān)性，有些研究認(rèn)為低WSS與血管角度有顯著相關(guān)性[16-17]，但也有研究認(rèn)為二者并無相關(guān)性[18]，上述研究結(jié)果不一致可能與納入人群和分析方法存在差異有關(guān)，亦可能是在一定范圍內(nèi)的角度增加并非導(dǎo)致WSS減低的主要因素。與頸總動(dòng)脈末段內(nèi)徑比較，頸動(dòng)脈球部膨大越明顯，其外側(cè)WSS越低，二者呈負(fù)相關(guān)，該結(jié)果亦與其他研究結(jié)論相似[19]，反映出膨大程度與局部血流動(dòng)力學(xué)紊亂有關(guān)。

對(duì)于影響頸總動(dòng)脈分叉部WSS的血流動(dòng)力學(xué)因素，以前常用的是速度指標(biāo)，鑒于分叉部的非層流特征，單點(diǎn)的速度測(cè)量無法真實(shí)反映流場(chǎng)狀態(tài)。本研究運(yùn)用V flow技術(shù)，將頸內(nèi)動(dòng)脈分流量與頸總動(dòng)脈血流量的比值以及頸動(dòng)脈球部血流紊亂面積作為血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，并與頸動(dòng)脈球部外側(cè)WSS進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，流經(jīng)球部的血流量比例與外側(cè)WSS呈正相關(guān)，揭示較高的血流量可能有助于維持頸動(dòng)脈球部?jī)?nèi)皮細(xì)胞的正常功能，減少動(dòng)脈粥樣硬化不良事件的發(fā)生。此外，V flow技術(shù)可視化呈現(xiàn)了頸動(dòng)脈分叉部的層流、渦流、逆流以及復(fù)雜混合流，后三種均屬血流紊亂狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，頸動(dòng)脈球部血流紊亂區(qū)均分布于外側(cè)，其面積大小與外側(cè)WSS呈負(fù)相關(guān)且二者在位置上相互吻合，較大面積的渦流、逆流和復(fù)雜混合流會(huì)導(dǎo)致較低的WSS值。頸動(dòng)脈分叉部血管幾何形狀的改變，可使層流急劇發(fā)生變化，形成的血流紊亂區(qū)和低WSS主要分布在頸總動(dòng)脈分叉部的外側(cè)壁周圍，成為動(dòng)脈粥樣硬化最常發(fā)生的部位[20]。

本研究的不足之處：(1)納入人群主要考慮了當(dāng)前年齡、常規(guī)超聲頸動(dòng)脈正常及無導(dǎo)致頸動(dòng)脈粥樣硬化的常見因素，鑒于動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，可能還存在其他因素或在某一階段已造成頸動(dòng)脈超聲無法發(fā)現(xiàn)的微觀損害；(2)基于二維超聲的V Flow技術(shù)只能對(duì)感興趣的區(qū)平面以內(nèi)的血流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，尚無法反映頸動(dòng)脈分叉部整體血流動(dòng)力學(xué)的變化。

4 結(jié)論

運(yùn)用V Flow技術(shù)研究正常人群頸動(dòng)脈球部解剖及血流動(dòng)力學(xué)與WSS的關(guān)系，結(jié)果表明頸動(dòng)脈球部血流量、血流紊亂區(qū)面積及膨大程度是影響外側(cè)WSS的主要因素，而與頸動(dòng)脈球部發(fā)出角度的關(guān)系并不密切。