超聲射頻信號(hào)在動(dòng)脈病變中的研究進(jìn)展

田 菊 勇 強(qiáng)

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院綜合超聲科，北京 100029

在通信工程中，“射頻信號(hào)（radio frequency, RF）”被用來表示包含無線電通信的頻率信息的信號(hào)?！吧漕l”一詞已被超聲界所采用，它被用來表示未經(jīng)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其中的相位信息是完整的。超聲射頻信號(hào)是指超聲探頭發(fā)射聲學(xué)脈沖波在生物組織內(nèi)傳播、相互作用后組織反射回來的通過超聲探頭接受到的回波信號(hào)，該信號(hào)保留著不同組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的振幅和相位等全部信息[1]。射頻信號(hào)沒有經(jīng)過任何圖像處理，也稱原始信號(hào)，B型超聲圖像是由射頻信號(hào)解調(diào)得到的，一般經(jīng)過濾波、整流、解調(diào)及對(duì)數(shù)壓縮等步驟，此過程中損失了部分信息，并且不同超聲儀器間存在著差異性，因此相比B型超聲圖像的灰度信息而言，原始射頻信號(hào)保存著更完整更細(xì)致的信息，具有高精度、不依賴于成像質(zhì)量等特點(diǎn)。

基于B型超聲圖像的傳統(tǒng)的分割算法受成像設(shè)備以及成像條件、操作者的個(gè)體認(rèn)知及經(jīng)驗(yàn)等影響嚴(yán)重。隨著部分超聲儀器廠家開放了射頻信號(hào)采集接口后，近年來，在超聲圖像處理領(lǐng)域，有研究者將關(guān)注點(diǎn)從B型超聲圖像的灰度信息轉(zhuǎn)移到原始超聲射頻信號(hào)上。相較于B型超聲圖像的灰度信息，原始超聲射頻信號(hào)保留著更細(xì)致更完整的信息，因而有研究者通過分析處理超聲射頻信號(hào)，從而提取有關(guān)組織紋理和解剖結(jié)構(gòu)等特性。研究者Goossens等提出基于原始超聲射頻信號(hào)的相位分析法來進(jìn)行組織定征，并獲得較好的效果[2]。另有研究結(jié)果表明，用超聲射頻信號(hào)進(jìn)行頸動(dòng)脈管壁位移測(cè)量能夠達(dá)到與B型超聲圖像同樣的精確度，同時(shí)減弱了對(duì)超聲成像設(shè)備的依賴[3]。基于超聲射頻信號(hào)的技術(shù)已被用于血管、肝臟、乳腺等疾病的研究中[4-6]，本文主要介紹基于超聲射頻信號(hào)的新技術(shù)在動(dòng)脈病變中的運(yùn)用。

1 在評(píng)價(jià)動(dòng)脈結(jié)構(gòu)和功能中的運(yùn)用

超聲射頻數(shù)據(jù)處理技術(shù)（radio frequency-data technology,RF-data）是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)定量評(píng)價(jià)動(dòng)脈血管管壁結(jié)構(gòu)及彈性功能的新技術(shù)，由百勝公司推出并在百勝的超聲診斷儀上使用，主要機(jī)型包括Esaote Mylab 90、Esaote Mylab Twice，該技術(shù)的原理是通過對(duì)獲得的原始超聲射頻信號(hào)進(jìn)行分析、自動(dòng)計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)從而評(píng)估血管的結(jié)構(gòu)和功能，由于超聲射頻信號(hào)是原始信號(hào)，因此通過該方法獲得的數(shù)據(jù)對(duì)圖像的成像質(zhì)量要求較低，測(cè)量結(jié)果的精確度可達(dá)微米級(jí)。該技術(shù)配有血管內(nèi)-中膜精準(zhǔn)測(cè)量（QIMT）和血管硬度定量分析（QAS）軟件。

1.1 在評(píng)價(jià)動(dòng)脈內(nèi)-中膜厚度中的運(yùn)用

QIMT在清晰顯示血管二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于對(duì)超聲原始射頻信號(hào)的直接分析，能高精度、自動(dòng)測(cè)量血管（Intima-Media Thickness, IMT）厚度，連續(xù)、實(shí)時(shí)定量檢測(cè)6個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)、在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)（≥1 cm）的血管IMT的平均值。傳統(tǒng)頸總動(dòng)脈IMT通過手工單點(diǎn)測(cè)量，精確度較低，嚴(yán)重依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，測(cè)量結(jié)果誤差較大、可重復(fù)性較差。QIMT憑借高空間分辨率實(shí)時(shí)追蹤因動(dòng)脈搏動(dòng)引起的血管各壁層厚度變化，能夠得到更加真實(shí)、準(zhǔn)確的結(jié)果，其測(cè)量精確度可達(dá)10 μm，與操作者手工測(cè)量相比，QIMT在測(cè)量的精確度上有數(shù)量級(jí)的提高[7]。金曄等[8]通過對(duì)徒手測(cè)量法和QIMT測(cè)量法進(jìn)行比較研究，兩名超聲醫(yī)生分別使用QIMT技術(shù)及徒手測(cè)量法測(cè)量受檢者雙側(cè)頸動(dòng)脈IMT，結(jié)果顯示QIMT測(cè)量法具有較好的一致性，QIMT測(cè)量結(jié)果重復(fù)性優(yōu)于徒手測(cè)量法。然而需要注意的是使用QIMT功能尚不能對(duì)斑塊處進(jìn)行測(cè)量。

檢查范圍內(nèi)血管IMT的均勻度、血管管徑離散度及肉眼不能分辨的IMT改變均可通過QIMT技術(shù)反映出來。金曄等[9]采用QIMT技術(shù)測(cè)量肥胖兒童的頸動(dòng)脈IMT厚度，探討肥胖兒童代謝異常狀況與頸動(dòng)脈間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)肥胖組兒童的頸動(dòng)脈IMT明顯高于對(duì)照組，得出肥胖兒童的頸動(dòng)脈IMT已開始明顯增厚，動(dòng)脈硬化可在兒童時(shí)期得病、成人時(shí)期發(fā)病的結(jié)論。丹?？〉萚10]應(yīng)用QIMT技術(shù)對(duì)160例健康人根據(jù)年齡分組，定量檢測(cè)健康人頸總動(dòng)脈IMT厚度和確定相關(guān)參數(shù)的正常值范圍，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加IMT有增厚的趨勢(shì)。

1.2 在評(píng)價(jià)動(dòng)脈彈性中的運(yùn)用

QAS技術(shù)是利用原始射頻信號(hào)原理分析動(dòng)脈彈性功能的技術(shù)，通過測(cè)量血管脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV）、順應(yīng)性系數(shù)（CC）、擴(kuò)張系數(shù)（DC）、彈性參數(shù)（β）、動(dòng)脈反射波增強(qiáng)指數(shù)（AIx）等多個(gè)參數(shù)來評(píng)估動(dòng)脈血管的彈性功能。CC是反映隨動(dòng)脈壓力增加動(dòng)脈內(nèi)徑反應(yīng)性增加幅度的參數(shù)，DC是反映隨動(dòng)脈壓力增加動(dòng)脈內(nèi)徑變化分?jǐn)?shù)值的參數(shù)，當(dāng)動(dòng)脈彈性減低時(shí)，CC和DC值均減低；β是反映動(dòng)脈硬化程度的參數(shù)，當(dāng)動(dòng)脈彈性減低時(shí)，β值升高；PWV是心臟的搏動(dòng)波沿動(dòng)脈和血流向外周傳播而成的，當(dāng)動(dòng)脈彈性減低、內(nèi)中膜增厚時(shí)，PWV值增高。

丹?？〉萚11]將QAS技術(shù)用于早期評(píng)價(jià)高甘油三脂血癥患者頸總動(dòng)脈血管彈性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高甘油三脂血癥組患者的頸總動(dòng)脈PWV、β值均顯著高于正常對(duì)照組；DC顯著低于對(duì)照組（P＜0.05）。歐志紅等[12]應(yīng)用QIMT及QAS技術(shù)對(duì)118例經(jīng)立普妥治療的高脂血癥患者的頸動(dòng)脈進(jìn)行定量檢測(cè)，比較治療前后彈性參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)治療后患者頸動(dòng)脈血管僵硬度參數(shù)β及PWV明顯減低，CC明顯增高。徐進(jìn)[13]應(yīng)用QAS技術(shù)對(duì)65例2型糖尿病患者下肢動(dòng)脈彈性功能的檢查和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖尿病組股總動(dòng)脈、腘動(dòng)脈β、PWV較對(duì)照組高，CC較對(duì)照組低（P＜0.05）；糖尿病組腘動(dòng)脈與股總動(dòng)脈β、PWV、CC比較均有顯著差異，提示腘動(dòng)脈與股總動(dòng)脈有良好的相關(guān)性，且腘動(dòng)脈較股總動(dòng)脈僵硬度改變明顯。

國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究表明[14-24]，QIMT和QAS技術(shù)是早期診斷動(dòng)脈粥樣硬化的有效方法，具有早期發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈內(nèi)中膜厚度和管壁彈性變化的潛力，已被用于評(píng)估高血壓、高血脂、糖尿病、吸煙、肥胖、冠心病、甲亢、腦梗死、維持性血液透析、強(qiáng)直性脊柱炎、睡眠呼吸暫停綜合征等疾病所致的頸動(dòng)脈結(jié)構(gòu)和功能變化，大多數(shù)研究結(jié)果顯示CC、DC值減低，IMT、PWV、β值增高，QIMT測(cè)量值、QAS所測(cè)的動(dòng)脈彈性參數(shù)值、年齡、血脂、糖化血紅蛋白等指標(biāo)間存在良好的相關(guān)性。QAS和QIMT技術(shù)在正常成年人、兒童及妊娠人群中也取得了較好的效果[10，18，25]。

超聲射頻數(shù)據(jù)處理技術(shù)具有高精度、不依賴于成像質(zhì)量、重復(fù)性高等特點(diǎn)，應(yīng)用前景良好，但因其受血壓、心率、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等因素影響，且必須使用具備特定功能的儀器，從而限制了該技術(shù)在臨床的應(yīng)用。

2 在評(píng)價(jià)動(dòng)脈易損斑塊中的應(yīng)用

虛擬組織學(xué)成像血管內(nèi)超聲（virtual histology intravascular ultrasound, VH-IVUS）是近些年來發(fā)展起來的一種能夠?qū)Π邏K進(jìn)行分析的技術(shù)，是基于IVUS技術(shù)的一種新的方法。Nair A等[26]證實(shí)對(duì)散射的超聲射頻信號(hào)加以利用，通過功率頻譜的處理進(jìn)行比較分析，可以對(duì)冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分進(jìn)行更準(zhǔn)確的分辨，基于體外病理組織學(xué)結(jié)果，將不同的頻率區(qū)信號(hào)特征與不同組織成分對(duì)比分析，采用不同顏色對(duì)不同的組織成分進(jìn)行彩色編碼，虛擬出冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的組織成分圖像，此即為VH-IVUS成像的基本原理。在VH-IVUS圖像上，用深綠色表示纖維斑塊，主要由膠原纖維和巨噬細(xì)胞組成；用淺綠色表示纖維脂肪斑塊，主要由脂質(zhì)、膠原纖維組成；用白色表示鈣化斑塊，主要由鈣鹽沉積而成；用紅色表示壞死核心斑塊，主要由大量的壞死細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、泡沫細(xì)胞的殘留物所形成的脂質(zhì)組成。VH-IVUS與病理檢查結(jié)果比較具有較高的特異性和準(zhǔn)確性，重復(fù)性較好，對(duì)各種斑塊識(shí)別的準(zhǔn)確性分別為：纖維斑塊93.4%，纖維-脂質(zhì)斑塊94.6%，鈣化斑塊96.8%，壞死核心斑塊95.1%[27]。VHIVUS重要的臨床應(yīng)用是識(shí)別冠狀動(dòng)脈易損斑塊，它不僅能靈敏地發(fā)現(xiàn)易損斑塊、識(shí)別其組成成分，而且能發(fā)現(xiàn)壞死成分和纖維成分之間的分層現(xiàn)象，從而評(píng)估因血管壁反復(fù)損傷及修復(fù)導(dǎo)致的斑塊發(fā)展情況。

近年來，VH-IVUS已廣泛用于冠狀動(dòng)脈病變，與病理結(jié)果進(jìn)行對(duì)照研究分析，VH-IVUS將冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊分為薄纖維帽粥樣斑塊、厚纖維帽粥樣斑塊、病理性內(nèi)膜增厚、纖維斑塊和纖維鈣化斑塊5種類型。R odriguezGranillo GA等[28]利用VH-IVUS技術(shù)進(jìn)行了基于病理組織學(xué)的在體研究，制定了薄纖維帽粥樣斑塊的VH-IVUS診斷標(biāo)準(zhǔn)：血管內(nèi)橫斷面積狹窄率超過≥40%、壞死核心面積占斑塊比例≥10%且與管腔直接接觸、并至少在3個(gè)連續(xù)的橫斷面出現(xiàn)。趙偉等[29]研究發(fā)現(xiàn)急性冠脈綜合征（acute coronary syndrome, ACS）患者動(dòng)脈粥樣斑塊的VH-IVUS影像學(xué)特點(diǎn)表現(xiàn)為斑塊纖維脂質(zhì)成分和壞死組織明顯多于穩(wěn)定型心絞痛患者，鈣化成分少于穩(wěn)定型心絞痛，特別是兩者壞死/鈣化面積比值更有顯著差異，這與既往的研究相一致[30]。PROSPECT研究率先采用VH-IVUS技術(shù)進(jìn)行前瞻性的、多中心的長(zhǎng)期隨訪臨床研究，該研究在歐洲和美國(guó)40個(gè)中心篩選出700例ACS患者，PCI術(shù)后及患者再次發(fā)生急性心血管事件時(shí)對(duì)所有3支冠狀動(dòng)脈進(jìn)行VH-IVUS檢查，尋找罪犯斑塊，研究結(jié)果顯示ACS靶血管病變PCI術(shù)后，在3支冠狀動(dòng)脈的近段及中段仍然存在薄纖維帽粥樣斑塊的患者約占35%，其中70%的薄纖維帽粥樣斑塊為非嚴(yán)重狹窄。PROSPECT研究結(jié)果還提示VH-IVUS發(fā)現(xiàn)的易損斑塊能夠預(yù)測(cè)不良冠狀動(dòng)脈事件[31]。

已有學(xué)者將VH-IVUS用于頸動(dòng)脈斑塊的分析，國(guó)外學(xué)者Tsurumi A等[32]對(duì)45名頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊狹窄患者進(jìn)行VH-IVUS檢查，探討VH-IVUS分析引起頸動(dòng)脈管腔狹窄的整個(gè)斑塊容積與管腔最細(xì)處斑塊橫切面組成的相關(guān)性，回歸分析顯示每個(gè)斑塊類型的體積比例與最細(xì)管腔處的斑塊類型區(qū)域有明顯相關(guān)性，纖維組織、纖維脂質(zhì)組織、鈣化組織、壞死核心組織調(diào)整后的回歸分析系數(shù)分別為0.782、0.741、0.864、0.918（P均＜0.001），結(jié)果表明最細(xì)管腔部位的斑塊組成代表導(dǎo)致頸動(dòng)脈狹窄的整個(gè)斑塊的組成。González A等[33]對(duì)采用VH-IVUS檢查擬行頸內(nèi)動(dòng)脈支架植入術(shù)的頸動(dòng)脈狹窄患者，分為無癥狀組和有癥狀組，研究結(jié)果表明薄纖維帽纖維粥樣斑伴壞死核心向管腔融合和斑塊伴鈣化融合區(qū)域增加了斑塊的不穩(wěn)定性。Diethrich EB等[34]將30例頸動(dòng)脈粥樣硬化患者隨機(jī)分為2組，分別進(jìn)行頸動(dòng)脈支架植入術(shù)和頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)，且兩組均行VH-IVUS檢查，并對(duì)內(nèi)膜切除術(shù)中切除的內(nèi)膜及支架植入術(shù)中濾出的粥樣硬化斑塊進(jìn)行組織病理學(xué)分型，其研究結(jié)果表明：VH-IVUS在薄帽纖維粥樣斑塊的診斷中幾乎與組織病理一致，準(zhǔn)確性高達(dá)99.4%；對(duì)鈣化薄帽纖維斑塊、纖維斑塊、纖維鈣化斑塊、內(nèi)膜增厚的準(zhǔn)確性則分別為96.1%，85.9%，85.5%和83.4%，該研究還將頸動(dòng)脈斑塊分為：病理性內(nèi)膜增厚、纖維粥樣瘤、鈣化纖維粥樣瘤、薄帽的纖維粥樣瘤以及鈣化薄帽的纖維粥樣瘤。

然而并非所有臨床使用的IVUS成像系統(tǒng)都允許采集原始射頻信號(hào)，VH-IVUS是美國(guó)Volcano公司開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)[35]，目前具有VH-IVUS功能的只有Volcano公司生產(chǎn)IVUS成像系統(tǒng)，VH-IVUS采集RF數(shù)據(jù)需通過ECG門控，因此受檢者需接上ECG信號(hào)，且受檢者ECG信號(hào)的R波波幅不能太低，否者不能作VH-IVUS圖像分析。

超聲射頻信號(hào)是原始的未經(jīng)后處理的信號(hào)，保留原始的信息，通過對(duì)原始射頻信號(hào)的分析，能夠得到更多有關(guān)的組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的信息，但目前并非所有的超聲診斷儀都能允許采集和分析原始射頻信號(hào)，這限制了原始超聲射頻信號(hào)在臨床的運(yùn)用。