2020, Vol. 27
2. 上海市影像医学研究所, 上海 200032
2. Shanghai Institute of Medical Imaging, Shanghai 200032, China
动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)是心脑血管疾病的重要病理基础[1-2]。其病程包括4个阶段：脂纹期、纤维斑块期、粥样斑块期和继发改变期，其中脂纹期为早期阶段[3]。早期、准确地评估AS斑块及其引起的相应血流动力学改变，对临床决策及干预具有重要意义。目前的影像学技术尚不能有效预测或评估早期AS改变[4]。高帧率动态向量血流成像技术(vector flow imaging technique，V Flow)是一种全新的超声向量血流技术[5]，于2015年首次发布[6]。有研究[7]显示，V Flow在评估正常人颈动脉分叉处的血流动力学方面有一定的应用潜力。本研究旨在建立兔腹主动脉硬化模型的基础上，应用V Flow深入研究早期AS血流动力学的动态改变，并将V Flow测得的腹主动脉壁应力(wall shear stress，WSS)与传统的彩色多普勒血流图(color Doppler flow imaging，CDFI)测得的血流量(blood flow volume，BFV)和收缩期峰值流速(peak systolic velocity，PSV)的变化作对照，评估V Flow在早期AS血流动力学改变中的应用价值。
1 材料与方法 1.1 兔腹主动脉硬化模型的建立新西兰兔7只，体质量2 kg左右，健康，雄性，由复旦大学附属中山医院实验动物中心提供。采用高脂饮食喂养的方法建立兔腹主动脉硬化模型。高脂饮食配方为1%胆固醇+10%猪油+15%蛋黄粉+74%普通饲料。上、下午各喂食1次，每天高脂饲料喂食量约150 g/只，自由摄水。对每只兔子进行单独编号，单笼饲养。本研究经复旦大学附属中山医院动物伦理委员会批准。
1.2 超声仪器采用Resona 7 s型彩色多普勒超声诊断仪(L9-3U线阵探头，频率3~9 MH；深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，中国)，配备最新的V Flow技术。
1.3 兔腹主动脉超声检查流程室温26℃恒温条件下，对每只兔肌内注射速眠新(0.15 mL/kg)麻醉，腹部脱毛后取左侧卧位。喂养前，采用V Flow及CDFI评估兔血流动力学状况的基线值。高脂饮食喂养14周后，用V Flow及CDFI技术动态观察兔腹主动脉血流动力学改变，每周1次。超声检查时，从剑突下腹主动脉起始部至髂总动脉分叉处，进行连续纵、横断面扫查。首先用常规灰阶超声观察血管管壁内膜厚度、有无斑块形成。随后选择腹主动脉中段(肠系膜上动脉起始段至肾动脉水平)纵切面，首先用CDFI测量腹主动脉PSV和BFV值(图 1A)，进而将检查状态设置为“V Flow”模式(深度为4 cm、血流向量箭头生命周期为25 ms、血流向量箭头密度为10%)，点击“Update”键，获得1.5 s动态图像并保存。点击“WSS”键测量收缩期峰值时腹主动脉后壁和前壁的WSS最大值(WSSmax)和WSS平均值(WSSmean)(图 1B、C)。
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| 图 1 VFI与CDFI测量兔腹主动脉血流动力学参数 A：CDFI测量兔腹主动脉BFV和PSV结果; B、C:VFI测量兔腹主动脉后壁和前壁WSS结果 |
因麻醉意外死亡24周兔1只。第34周开始每周采用耳缘静脉空气栓塞法随机处死1只兔，取出腹主动脉(从腹主动脉起始部至髂总动脉分叉处)并进行病理检查。首先用体视显微镜(BXT-1204，上海炳宇光学仪器有限公司，中国)观察兔腹主动脉内膜是否有黄白色脂质条纹或灰黄色斑块形成。随后将其放置于10%福尔马林溶液中进行固定。对VFI超声检查的腹主动脉中段进行取材，石蜡包埋切片，进行苏木精-伊红(H-E)染色。显微镜观察兔腹主动脉管壁连续性、内膜厚度、管壁内皮细胞及平滑肌细胞排列、有无斑块形成等。
1.5 统计学处理采用R软件(version 3.3.2)处理数据。计量数值以x±s表示。V Flow和CDFI测量值采用基于差分的拐点分析方法，对每周的测量值取均值，并对每周的均值数据采用LOESS(局部加权散点平滑)曲线对取值点进行插值处理，对插值的数据进行一阶差分运算，找出插值数据的局部极值点，作为曲线的拐点。最早出现拐点对应周数V Flow和CDFI的血流动力学参数值作为本研究拐点值。拐点值与基线值采用独立样本t检验进行分析比较。检验水准(α)为0.05。
2 结果 2.1 体视显微镜镜下观察结果随着AS病程进展，脂质逐渐增多并聚集，24周时兔腹主动脉内膜表面黄白色脂质条纹形成，符合AS脂纹期病理改变(图 2A)。
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| 图 2 兔腹主动脉病理表现 A：体视显微镜观察第24周兔腹主动脉内膜(箭头示动脉内膜上的黄白色脂质条纹)；B~D：光镜分别观察第34、35、36周兔腹主动脉病理改变(红圈示泡沫细胞生成)；E：光镜观察第37周兔腹主动脉病理改变(箭头示钙盐沉积)；F：光镜观察第38周兔腹主动脉病理改变(箭头示纤维帽形成). Original magnification: ×25(A)、×400(B~E)、×200(F) |
第34周(图 2B)、35周(图 2C)、36周(图 2D)兔腹主动脉有泡沫细胞形成，符合AS的脂纹期的病理改变。第37周(图 2E)、38周(图 2F)兔腹主动脉有纤维帽形成及钙盐沉积，是高脂饮食造成的继发性改变，符合AS的纤维斑块期的病理改变。
2.3 V Flow测量值的动态变化结果(图 3)显示，腹主动脉后壁WSSmax、WSSmean在第21周出现拐点(图 3A、B)。如图 3B所示，WSSmean在第14周到第21周，表现为逐渐减低的趋势(WSSmean为2.82~0.68 Pa)，在第22周开始呈现逐渐增高趋势(WSSmean为0.68~1.70 Pa)，继而在第27周再次逐渐降低(WSSmean为1.70~0.60 Pa)。腹主动脉前壁WSSmax在第20周出现拐点(图 3C)，前壁WSSmean在第21周出现拐点(图 3D)。
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| 图 3 VFI基于差分的拐点分析曲线 A:兔腹主动脉后壁WSSmax值变化曲线；B:兔腹主动脉后壁WSSmean值变化曲线；C：兔腹主动脉前壁WSSmax值变化曲线；D：兔腹主动脉前壁WSSmean值变化曲线 |
结果(图 4)显示，兔腹主动脉BFVmax和BFVmean均在27周出现拐点；在第14周到第27周，表现为逐渐减低的趋势，在第28周开始呈现逐渐升高趋势，第32周再次呈现降低趋势(图 4A、B)。PSV在27周出现拐点；在第14周到第27周，表现为逐渐减低的趋势，在28周开始呈现逐渐升高趋势，在第33周再次呈现减低趋势(图 4C)。
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| 图 4 CDFI基于差分的拐点分析曲线 A：兔腹主动脉BFVmax值变化曲线；B：兔腹主动脉BFVmean值变化曲线；C：兔腹主动脉PSV值变化曲线 |
结果(表 1、表 2)显示，高脂饮食喂养20/21周后，兔腹主动脉V Flow测量值(前、后壁WSS值)的拐点值较第0周基线值相比均显著减低(P < 0.05)。高脂饮食喂养27周后，CDFI测量值(BFV与PSV值)的拐点值均较第0周基线值明显减低(P < 0.05)。V Flow测量值WSSmax、WSSmean变化曲线出现拐点的时间早于常规CDFI测得的PSV及BFV值。
| 测量值 | 后壁WSSmax(Pa) | 前壁WSSmax(Pa) | 后壁WSSmean(Pa) | 前壁WSSmean(Pa) |
| 基线值 | 9.80± 4.58 | 10.71±1.60 | 2.82±1.84 | 2.63±1.49 |
| 拐点值 | 4.90 ± 1.45 | 4.44 ± 2.32 | 0.68 ± 0.26 | 1.14 ± 0.60 |
| P值 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.02 |
| 测量值 | BFVmax (cm/s) |
BFVmean (cm/s) |
PSV (cm/s) |
| 基线值 | 302.28±90.64 | 211.53±64.67 | 103.03±23.14 |
| 拐点值 | 91.83±76.29 | 89.10±65.23 | 75.18±9.61 |
| P值 | < 0.01 | 0.01 | 0.01 |
AS是很多心脑血管疾病的独立危险因素[8]，早期、准确评估AS的形成对预防心脑血管疾病具有重要意义。目前临床上诊断AS常用的影像学方法是CDFI。但CDFI测量具有角度依赖性[9-12]，且只能计算血流沿超声波传播方向上的速度测量间接值，不能准确、直接地显示AS引起的复杂血流动力学的改变。AS斑块最常发生在容易出现涡流的位置[13]，但CDFI无法精确检测和显示血流中的涡流信息，对AS早期诊断有局限[7]。
2015年，V Flow首次出现于北美放射学年会，作为一种崭新的血流显示技术，实现了高帧率平面波成像。V Flow采用多角度偏转发射接收的原理，能够分别测量不同角度的血流速度分量，并合成实际速度向量，测量的血流速度和血流量比常规超声更准确[9]，能更真实反映AS进展过程中血流动力学的变化。V Flow成像不依赖于探头扫查角度，超声波入射与血管长轴角度接近90°时仍适用，减少了角度校正对速度测量的误差，并且V Flow不经软件处理即可直接获得血管壁WSS值，测量简单方便。同时，V Flow成像帧率为400~600帧/s，可实时显示感兴趣区内各点的流速大小及方向，显示出更多的血流细节(如流线)，有助于对AS形成过程中血流动力学的变化作出准确评估[14]。
WSS是血液在血管中流动时形成的作用于血管壁表面的剪切力[15]。V Flow不需要软件处理即可获得动脉WSS[6]。有研究[16-20]提出，WSS减低、震荡与AS的形成直接相关，也有研究[21]表明WSS会随着AS病程进展而增大，本研究发现WSS随着AS进展动态变化。动脉WSS值变化对AS的发生可能有一定的预测能力[21]，从而可以及时采取医疗干预措施，对心脑血管疾病有一定的预防作用。
本研究表明，实验24周体视显微镜观察兔腹主动脉内膜有黄白色脂质条纹形成，符合AS早期(脂纹期)病理表现。V Flow测得的腹主动脉前、后壁WSS值在第20/21周(AS早期)WSS值出现拐点，能在AS早期阶段提示血流动力学动态变化。而传统CDFI测得的腹主动脉PSV和BFV的变化趋势与V Flow测量的WSS值一致，但其只能在建模后27周提示。在评估早期AS(脂纹期)时，V Flow较CDFI更早、更敏感地显示早期AS引起的血流动力学参数的变化。
与传统CDFI相比，V Flow能测量多个方向上的血流速度，合成实际速度向量，且没有角度依赖性和软件后处理[22]。V Flow向量箭头可以显示血流的方向、流速及流线的变化，实现取样框内任意点血流速度的显示和动态更新，能够直观反映AS引起的血流动力学变化。同时，V Flow能够获得更多的血流动力学参数，将参考线调整至与血管壁平行就可以直接计算出WSS值，其测量准确且易操作[18]，具有在临床上推广的可行性。
V Flow目前临床应用尚处于起步阶段，其对操作者的手法及经验判断有一定的依赖性。目前V Flow动态成像相关报道较少，仍然需要进一步研究V Flow评估动脉血流动力学变化的标准化应用等。本研究的局限性在于选择超声测量较易的兔腹主动脉作为观察对象，未来我们需要扩大样本量进一步研究，并且直接观察颈动脉AS模型，以验证V Flow早期检测颈动脉粥样硬化斑块形成前期血流动力学变化的能力。
综上所述，WSS值在AS进展过程中的变化对早期诊断及预测AS具有重要意义。V Flow较传统的CDFI可更早预测腹主动脉AS斑块及评估相应血流动力学改变，具有潜在的临床应用价值。
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