超聲剪切波頻散成像評估頸動脈黏彈性

羅向紅，張健慧，邵思惠，閆 敏，吳 蓉，杜聯(lián)芳，李朝軍*

(1.上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院超聲心動圖室，2.超聲科，上海 200080；3.阜陽市腫瘤醫(yī)院超聲科，安徽 阜陽 236018)

圖1 剪切波頻散技術(shù)評估頸動脈黏彈性顯示圖 A.頸動脈剪切波彈性圖，ROI內(nèi)顏色由深藍逐漸變?yōu)樯罴t色，標示組織彈性模量為0～40 kPa； B.剪切波傳播圖，彩色曲線標示剪切波等時到達線，呈等間隔平行排列，剪切波傳播速度快則間隔寬，傳播速度慢則間隔窄； C.二維聲像圖； D.剪切波頻散彩色圖，剪切波頻散值為0～100 (m/s)/kHz，由深藍逐漸變?yōu)樯罴t色

頸動脈是黏彈性組織，具有彈性和黏性兩種特性[1]，既往對其黏性特性及其生理意義研究較少[2]。超聲剪切波頻散技術(shù)通過產(chǎn)生脈沖輻射聲能引起軟組織震動，可獲取不同頻率脈沖波在組織中產(chǎn)生的剪切波傳播速度。在黏彈性組織中，剪切波速度隨激勵波頻率呈曲線變化，曲線斜率即剪切波頻散，可間接評估組織黏性[3]?；A(chǔ)研究[4]表明，組織黏性與剪切波頻散呈正相關(guān)，具有重要生理意義。脈搏波傳播速度(pulse wave velocity， PWV)反映動脈環(huán)向彈性模量，是評價動脈彈性的“金標準”[5]。本研究采用超聲剪切波頻散技術(shù)檢測頸動脈剪切波彈性和黏性模量指標，探討其評估頸動脈黏彈性的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 招募2018年12月—2019年1月于上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院住院的45例患者，男23例，女22例，年齡20～80歲，平均(48.9±9.7)歲。納入標準：①既往無心腦血管事件病史；②接受超聲檢查，獲得PWV和頸動脈剪切波黏彈性指標，且一般資料完整；③同意參加本研究并簽署知情同意書。排除標準：①既往有四肢血管疾病；②罹患免疫性疾病或近期有活動性出血史，或伴惡性腫瘤、血液病及嚴重肝、肺、腎疾病。根據(jù)年齡將其分為≥50歲組(n=23)和<50歲組(n=22)。檢查前24 h內(nèi)禁止吸煙、飲酒或咖啡。收集患者身高、體質(zhì)量，計算體質(zhì)量指數(shù)(body mass index， BMI)。在平靜狀態(tài)下測量肱動脈收縮壓(systolic blood pressure, SBP)和舒張壓(diastolic blood pressure, DBP)3次，取均值。本研究經(jīng)上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院倫理委員會批準(批號：2017KY009)，在中國臨床試驗注冊中心官網(wǎng)注冊(注冊號：ChiCTR1800016590)。

1.2 儀器與方法

1.2.1 頸總動脈PWV評估 采用百勝MyLab Twice彩色多普勒超聲診斷儀，LA523探頭，頻率4～13 MHz。內(nèi)置超聲射頻技術(shù)QAS(quality arterial stiffness)分析軟件。選取雙側(cè)頸總動脈竇部下緣1 cm處為ROI，獲取雙側(cè)頸總動脈PWV，并計算兩側(cè)均值。

1.2.2 頸總動脈黏彈性指標檢測 采用Canon Aplio i900實時剪切波彈性超聲診斷儀，腹部探頭，頻率1～8 MHz(中心頻率5 MHz)。雙側(cè)頸總動脈黏彈性ROI與上述PWV評估位置相同。啟用黏彈性評估模式的四屏同步顯示，顯示器左上為剪切波彈性圖，右上為剪切波傳播圖，左下為二維參考圖，右下為剪切波頻散圖(圖1)。同步記錄心電圖，囑受檢者屏氣，存儲10～20個心動周期的動態(tài)圖像。依據(jù)心電圖QRS波頂點，確定頸總動脈處于心臟收縮期。啟動測量鍵，ROI為直徑1 mm的圓形，于兩側(cè)頸總動脈淺壁和深壁(依據(jù)距離探頭的遠近)分別取5個ROI(每個ROI間隔1～2 mm)，分析頸總動脈淺壁剪切波彈性模量值(shear wave elastic modulus values of the superficial walls, SWES)、深壁剪切波彈性模量值(shear wave elastic modulus values of the deep walls, SWED)、淺壁剪切波頻散值(shear wave dispersion values of superficial walls, SWDS)和深壁剪切波頻散值(shear wave dispersion values of deep walls, SWDD)，計算雙側(cè)頸動脈淺、深壁各ROI的平均值，并計算雙側(cè)頸動脈淺壁和深壁的平均剪切波彈性模量值(SWE)和平均剪切波頻散值(SWD)用于相關(guān)性分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件。符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，2組間比較采用兩獨立樣本t檢驗；為消除BMI、SBP和DBP對頸動脈黏彈性參數(shù)的影響，對頸動脈黏彈性參數(shù)進行基于BMI、SBP和DBP的校正，然后再次比較。采用配對t檢驗比較頸動脈淺壁與深壁間黏彈性指標。以χ2檢驗比較2組間性別構(gòu)成差異。采用Pearson相關(guān)分析觀察黏彈性指標(SWE和SWD)與血壓、PWV的相關(guān)性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 <50歲組SBP和DBP均低于≥50歲組，身高高于≥50歲組(P均<0.05)，2組間性別、體質(zhì)量和BMI差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)，見表1。

2.2 頸總動脈黏彈性指標 與<50歲組比較，≥50歲組頸總動脈PWV增高，經(jīng)BMI、SBP和DBP校正后，2組間PWV差異仍有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)，見表2。<50歲組頸總動脈SWES、SWED、SWDS和SWDD均大于≥50歲組(P均<0.05)，經(jīng)BMI、SBP和DBP校正后，差異亦有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.05)，見表2。所有受檢者中，頸總動脈SWES為(19.41±19.04)kPa，SWED為(7.95±4.49)kPa，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=2.269，P=0.035)；SWDS為(13.33±3.48)(m/s)/kHz，SWDD為(12.56±3.74)(m/s)/kHz，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=1.982，P=0.075)。

2.3 相關(guān)性分析 頸總動脈SWE與年齡、SBP、DBP和PWV呈負相關(guān)(r=-0.282、-0.374、-0.321、-0.256，P均<0.05)?！?0歲組中，SWE僅與SBP呈負相關(guān)(r=-0.357，P=0.046)；頸總動脈SWD在≥50歲組中與PWV呈負相關(guān)(r=-0.393，P=0.038)，在<50歲組中與SBP呈正相關(guān)(r=0.366，P=0.048)。

圖2 Voigt剪切波黏彈性理論模型示意圖

3 討論

人體內(nèi)血液通過動脈樹輸送基于兩個主要機制：傳導(dǎo)運輸，促進向微循環(huán)運輸血液；緩沖脈動，緩沖脈動波從大動脈傳播到小血管。大動脈的順應(yīng)性好，主

表1 ≥50歲組與<50歲組受檢者一般資料比較(±s)

表1 ≥50歲組與<50歲組受檢者一般資料比較(±s)

組別男/女(例)年齡(歲)身高(cm)體質(zhì)量(kg)BMI(kg/m2)SBP(mmHg)DBP(mmHg)≥50歲組(n=23)12/1165.9±9.5162.91±7.1268.32±17.3125.82±7.42139.62±11.1187.89±7.22<50歲組(n=22)11/1131.1±9.8167.48±7.8566.68±15.4723.47±4.09125.68±9.1279.67±6.13χ2值/t0.02313.673-2.3010.3481.4445.1024.607P值0.879<0.0010.0250.7290.154<0.001<0.001

表2 ≥50歲組與<50歲組頸動脈PWV和黏彈性指標比較(±s)

表2 ≥50歲組與<50歲組頸動脈PWV和黏彈性指標比較(±s)

組別PWV(m/s)SWES(kPa)SWED(kPa)SWDS[(m/s)/kHz]SWDD[(m/s)/kHz]≥50歲組(n=23)8.67±2.1313.82±14.546.75±4.6012.45±3.9011.52±3.12<50歲組(n=22)5.47±0.7025.26±23.749.21±4.3914.26±3.0413.68±4.38t值2.901-2.132-2.021-2.015-2.121P值<0.0010.0340.0450.0480.038BMI校正后P值<0.0010.0320.0280.0240.022SBP校正后P值<0.0010.0220.0060.0020.002DBP校正后P值<0.0010.0200.0070.0020.002

圖3 脈沖波頻率與組織剪切波關(guān)系示意圖

圖4 剪切波彈性模量測量示意圖

圖5 剪切波頻散檢測示意圖

要表現(xiàn)為彈性或黏彈性膨脹，而較小動脈則更加剛性，動脈壁以黏彈性的特性行機械舒縮[6]；但單純以剛性或彈性管道理論均不能完全正確地反映血管的“黏彈性”問題。本研究采用剪切波頻散技術(shù)評估頸總動脈的黏彈性，結(jié)果表明，高齡者(≥50歲)頸總動脈壁淺、深壁SWE和SWD均較低齡者(<50歲)減低，且與年齡、血壓和PWV密切相關(guān)，提示高齡者頸總動脈黏彈性減弱，可能存在動脈硬化。

3.1 頸總動脈的黏彈性 頸動脈壁主要由膠原纖維、彈性纖維和少量平滑肌細胞組成，生物力學(xué)特征主要表現(xiàn)為彈性，其次是黏性[7]。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是鑒別組織彈性或黏彈性的主要力學(xué)特性[8]。彈性組織的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線性，二者比值是定值即彈性模量，是反映組織軟硬度的重要指標[8]。黏性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性，二者比值是非定值，表現(xiàn)為應(yīng)力松弛和蠕變[8]。應(yīng)力松弛是指應(yīng)變一定時，應(yīng)力隨時間延長而減小，動脈壁擴張程度一定時，動脈壁張力會隨時間延長而減小。蠕變是指應(yīng)力一定時，應(yīng)變會隨時間延長而增大；換言之，動脈壁張力一定時，即血壓恒定，血管壁應(yīng)變隨時間延長而增大，表現(xiàn)為動脈管徑增大和延長[9]。因此，動脈黏彈性可以理解為是動脈的儲備功能和重構(gòu)能力。本研究中高齡受檢者頸總動脈淺、深壁黏彈性指標低于低齡者，提示高齡者頸動脈黏彈性特性減弱，動脈儲備功能減低和適應(yīng)性減弱，可能與動脈壁的膠原纖維、彈性纖維和平滑肌細胞的含量、比例和空間構(gòu)型改變有關(guān)[10]。彈性纖維主要表現(xiàn)為彈性特性，并使膠原組織在載荷作用下具有一定延伸能力。膠原纖維具有一定強度和剛度，主要表現(xiàn)為黏性特性，存在應(yīng)變滯后和應(yīng)力松弛現(xiàn)象。老年人頸動脈應(yīng)力松弛慢于青年人，而蠕變程度同樣低于青年人[10]；對應(yīng)組織學(xué)，老年人頸動脈中層平滑肌細胞增生活躍、排列紊亂，致部分彈力層斷裂、崩解，彈力纖維含量降低而膠原纖維增生、排列紊亂。老年人頸總動脈最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、彈性限度應(yīng)變大[11]，頸總動脈壁肌細胞排列紊亂、肌細胞增生活躍，中層部分彈力膜斷裂，而青年組頸動脈彈力膜完好，肌細胞排列整齊，提示頸動脈黏彈性改變可能與年齡或動脈硬化有關(guān)。

3.2 剪切波頻散技術(shù)與黏彈性 剪切波速度是評估組織軟硬度的有效參數(shù)[12]。在彈性組織中，剪切波速度不隨激勵波頻率的變化而變化(圖2)。在黏彈性組織中，剪切波速度隨激勵波頻率呈曲線變化，曲線斜率稱為剪切波頻散(圖2)。剪切波頻散與組織黏彈性密切相關(guān)，可反映材料的黏彈性。Widman等[13]采用剪切波彈性成像檢測5條離體豬動脈的剪切波模量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可有效評估動脈的剪切模量，且提示使用相速度分析剪切模量需要大于1 500 Hz的剪切波帶寬和較高的脈沖重復(fù)頻率。相似研究[14]采用快速剪切波成像獲取動脈壁瞬時剪切波及波頻散，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動脈壁硬度與其幾何形態(tài)相關(guān)；將此技術(shù)用于健康志愿者，發(fā)現(xiàn)在心臟收縮期頸動脈彈性模量為(130±15)kPa，舒張期為(80±10) kPa；這與本研究結(jié)果相似，但正常值范圍存在一定的差異，分析原因可能為動脈為薄壁組織，頻散可能源自組織黏彈性和組織有限厚度[14]。另外也有研究[15]認為，對于血管類薄壁組織，因壁厚度有限導(dǎo)致不能直接根據(jù)群速度測量得到彈性模量，較為認可的方法是Lamb波模型。剪切波頻散技術(shù)容易在已有剪切波彈性技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，方法較多，如快速剪切波成像技術(shù)[16]和慢速剪切波成像技術(shù)[17]。本研究采用的超聲剪切波彈性技術(shù)是采用不同頻率的超聲激勵波使組織震動，通過脈沖回波技術(shù)探測出剪切波速度，根據(jù)Voigt模型[17]定量組織的彈性系數(shù)和黏性系數(shù)(圖3)。本研究2組頸總動脈SWEs均大于SWED，但黏性指標SWD不存在此差異，原因可能是超聲剪切波彈性技術(shù)存在壓力依賴性，頸動脈淺壁受到探頭壓力的影響較深壁更明顯[18]。

目前大多數(shù)商用超聲剪切波技術(shù)是基于彈性組織，假設(shè)人體組織為彈性體[19-20]。在彈性組織中，剪切波的振幅隨傳播距離的增加而減弱，而波形不變(圖4)。在黏彈性組織中，剪切波的波形和振幅隨傳播距離均發(fā)生改變(圖4)。因此，應(yīng)用已有的剪切波彈性技術(shù)評估黏彈性組織會存在一定誤差，或不能真實地反映人體組織的黏彈性。Voigt模型由一個彈簧單元E和一個阻尼單元(黏壺)η并聯(lián)組成(圖5)。在均質(zhì)介質(zhì)中，Voigt的黏彈性模型能夠很好地評估組織黏彈性，應(yīng)用較為廣泛[20]。Kumar等[21]基于Voigt模型，應(yīng)用超聲剪切波頻散技術(shù)評估28例女性患者乳腺可疑腫塊的黏彈性，并與病理組織學(xué)對照，發(fā)現(xiàn)15個良性腫塊的剪切波黏度系數(shù)[(2.83±1.47)Pa·s]明顯小于惡性腫塊的剪切波黏度系數(shù)[(8.22±3.36)Pa·s]，表明剪切波頻散技術(shù)可用于區(qū)別乳腺腫塊的良惡性，同樣提示剪切波頻散技術(shù)有望成為無創(chuàng)評估組織黏彈性的有效手段，但是在評估動脈等薄壁組織時，不同的技術(shù)的檢測結(jié)果差異較大，需要謹慎選擇。

本研究的局限性：樣本量較少，且未觀察心腦血管疾病患者頸動脈壁黏彈性變化；采用凸陣探頭檢測頸動脈，測量精度欠佳。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)高齡者(≥50歲)頸總動脈壁黏彈性指標值均減低。超聲剪切波頻散技術(shù)可無創(chuàng)、定量評估動脈壁黏彈性，有望為臨床研究動脈疾病提供新的視角和手段，但不同技術(shù)的研究結(jié)果存在差異，需謹慎甄別。