采用血管内超声弹性成像技术分析动脉粥样硬化斑块负荷与面积应变的关系

李赵欢，王 琳，胡晓波，张鹏飞，陈逸飞，刘欣欣，徐铭俊，苏海军，张 梅*

(1.山东大学齐鲁医院 教育部和卫生部心血管重构和功能研究重点实验室 国家和山东省联合转化心血管医学重点实验室，山东 济南 250012；2.四川省医学科学院 四川省人民医院心血管超声及心功能科，四川 成都 610072；3.山东大学数学与系统科学学院，山东 济南 250012)

采用血管内超声弹性成像技术分析动脉粥样硬化斑块负荷与面积应变的关系

李赵欢1,2，王 琳1，胡晓波1，张鹏飞1，陈逸飞1，刘欣欣1，徐铭俊1，苏海军3，张 梅1*

(1.山东大学齐鲁医院 教育部和卫生部心血管重构和功能研究重点实验室 国家和山东省联合转化心血管医学重点实验室，山东 济南 250012；2.四川省医学科学院 四川省人民医院心血管超声及心功能科，四川 成都 610072；3.山东大学数学与系统科学学院，山东 济南 250012)

血管内超声检查；弹性成像技术；斑块，动脉粥样硬化；斑块负荷；面积应变

动脉粥样硬化是急性心脑血管事件的主要病理学基础，其病理机制是动脉粥样硬化斑块破裂或溃疡，继发血栓形成[1]。生物力学研究发现斑块的易损性很大程度由斑块的弹性力学特性决定，而后者可通过斑块在承受一定应力作用下所发生的形变(应变)反映[2]。本实验组研发的虚拟血管内镜(virtual intra-vascular insighter, VIVI)软件是基于图像处理的血管内超声弹性成像(intravascular ultrasonic elastography, IVUSE)软件，可通过对斑块组织变形前后的血管内超声检查(intravascular ultrasonography, IVUS)灰阶图像进行相关性分析，计算组织的面积应变(area strain, AS)。AS可反映斑块的二维形变，是基于IVUS射频信号的面积应变算法，并在体外采用冠状动脉斑块切除术的标本进行了测试[3]。研究[4]发现导致血管狭窄率大于40%的进展期斑块易损性增加，另有研究[5]显示责任斑块并不经常出现于血管最狭窄部位。本研究采用IVUSE技术探讨斑块AS与斑块负荷(plaque burden, PB)的关系，从弹性力学角度揭示易损斑块的部分形态学特征。

1 材料与方法

1.1 动物模型建立 采用40只纯种雄性新西兰兔，购于山东省农业科学院，平均体质量(2.23±0.21)kg。本实验均符合山东大学动物保护与使用的有关规定。对新西兰兔以高脂饲料(1%胆固醇、必需的营养素和维生素)喂养2周后，经耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠(30 mg/kg体质量)至深度麻醉。将实验兔仰卧保定于手术台，分离右侧股动脉，穿刺置入鞘管后，沿导丝将4.0 mm×15 mm球囊导管送至胸主动脉下段，以14个大气压压力充盈球囊，并从上至下将球囊拉至髂总动脉分叉处，重复3次。术后给予 40万U青霉素抗感染。持续高脂饲料喂养至第12周末，处死动物，切取腹主动脉。

1.2 IVUS 采用iLab型血管内超声显像仪(美国波士顿公司)，机械旋转式探头导管(Atlantis SR)，频率40 MHz，帧频30帧/秒。对模型兔于第12周末行腹主动脉IVUS检查。首先在回撤装置辅助下以0.5 mm/s速度自上而下动态扫查腹主动脉。每只实验兔选取2个等回声斑块(相距不少于 1 cm)，采集至少3个心动周期的原位IVUS图像。行IVUS的同时监测实验兔麻醉状态下的心率和血压。

1.2.1 超声弹性图的构建 采用VIVI软件(本实验室与北京集翔多维信息技术有限公司合作研发)，从ROI斑块的原位超声图像中，选取舒张末期连续2帧图像分别作为斑块形变前和形变后的图像[6]。半自动勾画主动脉内膜和外膜的边界，然后采用基于块匹配的搜索算法寻找变形前后2帧图像的最佳匹配点，自动选择匹配相关度>0.9的点，通过Delaunay三角剖分技术构建三角网格模型。计算每个三角网格的形变及其各方向的分量。对计算出的应变值进行伪彩化处理，正应变以红色显示，负应变以绿色显示，构建完成血管内超声弹性图。

1.2.2 参数测量 IVUS常规测量参数及IVUSE测量参数包括：血管外弹力膜面积(external elastic membrane area, EEMarea)、血管腔面积(lumen area, Lumenarea)、斑块面积(plaque area, PA)、PB、血管外弹力膜体积(external elastic membrane volume, EEMvolume)、血管腔体积(lumen volume, Lumenvolume)、斑块体积(plaque volume, PV)、斑块体积负荷(plaque volume burden, PVB)、斑块最大厚度(maximal plaque thickness, Tmax)、斑块最小厚度(minimal plaque thickness, Tmin)、斑块偏心指数(eccentric index, EI)、血管重构指数(remodelling index, RI)及AS。

计算公式：PB=PA/EEMarea×100%；PVB=PV/EEMvolume×100%；EI=(Tmax-Tmin)/Tmax；AS=(S-S0)/S0×100%(S和S0分别为三角形网格形变后和形变前的面积)。RI为斑块处血管外弹力膜面积与参考血管外弹力膜面积之比(参考血管外弹力膜面积为ROI斑块远端和近端0.5 cm处，相对正常的血管横截面外弹力膜面积的平均值)。

根据PB不同，将斑块分为低负荷斑块组(PB≤40%)和高负荷斑块组(PB>40%)。

1.3 组织病理学检查 处死动物后，根据IVUS检查过程中记录的位置截取腹主动脉，并用10%林格甲醛溶液浸泡48 h，然后将其脱水、透明、浸蜡、包埋，以4 μm厚连续切片，进行HE染色。观察斑块表面纤维帽的完整性及有无血栓形成。

1.4 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。正态性分析采用Kolmogorov-Smirnov检验，方差齐性分析采用Levene检验，因数据不符合正态分布，采用中位数(四分位数间距)表示；低负荷斑块与高负荷斑块组间各参数比较采用Mann-WhitneyU检验。将斑块的所有形态学参数作为自变量，弹性力学参数AS作为因变量，进行逐步多元线性回归分析。在控制影响AS的形态学参数后，采用协方差分析比较低负荷与高负荷斑块AS的差异。计数资料比较采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

40只新西兰兔在喂养过程中死亡9只，2只未形成明显斑块，余29只新西兰兔中有1个斑块因超声图像质量较差无法准确分析而排除，最终获得57个动脉粥样硬化斑块的清晰IVUS图像。低负荷斑块组、高负荷斑块组分别有30个和27个斑块。

2.1 形态学参数和AS的特点 低负荷斑块组的PA、PV、PB、PVB、Tmin和Tmax明显小于高负荷斑块组(P均<0.01)，Lumenarea、Lumenvolume、EI明显大于高负荷斑块组(P均<0.01)；2组的AS差异无统计学意义(P=0.655)，见表1。

2.2 影响PA的形态学因素 经逐步多元线性回归分析，最后进入回归模型的为PB和EI。

2.3 矫正后低负荷斑块组与高负荷斑块组AS的差异 因EI和AS不符合正态分布，进行秩变换；方差齐性检验差异无统计学意义(P>0.05)。将EI的秩次作为协变量，PB分组作为自变量，AS的秩次作为因变量拟合协方差模型。EI的秩次和按PB分组间无交互作用(P=0.712)。协方差模型差异有统计学意义(P<0.001)。矫正后，低负荷斑块(秩次：23.57±3.07)与高负荷斑块(秩次：35.98±3.47)组间AS差异有统计学意义(P=0.010)，见图1。

2.4 低负荷与高负荷斑块破裂情况 57个斑块组织切片中，8个斑块发生破裂(图2)，其中2个为低负荷斑块，6个为高负荷斑块，差异无统计学意义(χ2=2.850,P=0.091)。

3 讨论

随着心脏搏动，动脉内血流会对管壁产生周期性的压力，从而引起动脉管壁发生周期性的形变。随着年龄的增加或疾病的发展，动脉管壁的成分和结构会发生改变，最终引起动脉管壁弹性力学的改变。分析动脉管壁弹性力学特性可为认识动脉粥样硬化病理提供新的手段。

表1 低负荷斑块组与高负荷斑块组的形态学指标和面积应变比较[中位数(四分位数间距)]

表2 回归模型的参数估计(：AS)

图1 相似EI条件下，低负荷斑块(A)的AS小于高负荷斑块(B) 图2 腹主动脉粥样硬化斑块破裂病理图 A.腹主动脉管腔内血栓形成(HE，×4)； B.斑块表面纤维帽不连续，大量红细胞附着于斑块表面，并可见红细胞经破口处进入斑块内(箭，HE，×40)

研究[7-8]证实IVUSE技术可用于动脉粥样硬化斑块易损性的评价。本课题组前期研究[6,9-10]采用VIVI软件成功构建了IVUS弹力图，并证实斑块组织成分与斑块弹性力学特性间的关系。但组织的弹性力学特性不仅受其成分的影响，还受组织几何形态、负荷以及边缘条件等影响[11]。斑块的形态学特征，如斑块负荷对斑块的弹性力学属性是否有影响尚不明确。

有研究[12]将负荷大于40%的斑块定义为进展期斑块，小于40%的斑块定义为早期斑块。本研究以40%为界将所有斑块划分为低负荷斑块与高负荷斑块，结果显示低负荷组斑块PA、PV、PB、PVB、Tmin和Tmax明显小于高负荷斑块组，Lumenarea、Lumenvolume、EI明显大于高负荷斑块组，2组间AS差异无统计学意义；经逐步多元线性回归分析，发现斑块的EI和PB是AS的影响因素。当EI和PB增大时，斑块的AS增大。EI和PB对斑块AS的联合解释程度约30%，且斑块的偏心性对其稳定性的影响大于PB对其稳定性的作用，可能解释临床出现的“小斑块，大血栓”事件。本研究在矫正EI后，发现低负荷斑块组的AS小于高负荷斑块组，提示在斑块偏心程度相似的情况下，PB较大的进展期斑块较PB较小的早期斑块更易受损。可能的原因一方面考虑与负荷较大时，斑块多伴血管腔的明显狭窄和形态失常，血管腔明显狭窄可导致局部血流压力显著增大，而血管腔形态明显失常可能引起该处血流紊乱；另一方面，高负荷斑块通常斑块厚度较厚，从力学杠杆原理来讲，斑块的厚度可作为力臂，在血流冲击作用下，斑块越厚，力臂越长，该斑块破裂所需的力会越小，因此在血流压力一定的条件下，斑块越厚越易破裂。对斑块的病理学研究虽然未发现低负荷斑块与高负荷斑块破裂的概率存在差异，但低负荷斑块组破裂的2个斑块的PB值分别为38%和39%，均接近低负荷斑块的阈值高限，提示PB与斑块易损性可能存在一定联系。但在体条件下，斑块破裂的影响因素非常复杂[13]，斑块本身的特性和循环状态均可影响斑块的稳定性。本研究显示PB联合EI对斑块稳定性的影响不足30%，因此本研究虽尽可能减少斑块成分、形态对其稳定性的影响，但仍无法直接观察到破裂斑块与其负荷间的联系。

斑块破裂可能同时受多种因素影响，不同的因素在斑块破裂过程中的作用也不同。本研究仅对斑块负荷进行探讨，发现高负荷斑块较低负荷斑块AS更大，提示其力学稳定性较差。

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Relationshipbetweenplaqueburdenandareastrainofatherosclerosiswithintravascularultrasoundelastography

LIZhaohuan1,2,WANGLin1,HUXiaobo1,ZHANGPengfei1,CHENYifei1,LIUXinxin1,XUMingjun1,SUHaijun3,ZHANGMei1*
(1.QiluHospitalofShandongUniversity,theKeyLaboratoryofCardiovascularRemodelingandFunctionResearch,ChineseMinistryofEducationandChineseMinistryofHealth,theStateandShandongProvinceJointKeyLaboratoryofTranslationalCardiovascularMedicine,Ji'nan250012,China; 2.DepartmentofCardiovascularUltrasoundandNon-invasiveCardiology,SichuanAcademyofMedicalSciences&SichuanProvincialPeople'sHospital,Chengdu610072,China; 3.SchoolofMathematics,ShandongUniversity,Ji'nan250012,China)

Intravascular ultrasonography; Elasticity imaging techniques; Plaque, atherosclerotic; Plaque burden; Area strain

10.13929/j.1003-3289.201612007

R541.4; R445.1

A

1003-3289(2017)10-1479-05

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB503906)、国家自然科学基金项目(81470559)、国家重点研发计划(2016YFC1300302)。

李赵欢(1982—)，女，四川南部人，博士，主治医师。研究方向：超声新技术在心血管疾病中应用。E-mail: lzhhx2006@126.com

张梅，山东大学齐鲁医院 教育部和卫生部心血管重构和功能研究重点实验室 国家和山东省联合转化心血管医学重点实验室，250012。E-mail: daixh@vip.sina.com

2016-12-04

2017-07-21