实时剪切波弹性成像技术检测颈动脉斑块弹性参数的对照研究

高振洋，孙正辉，罗渝昆，薛 哲，薛立娟，张海钟

(1.中国人民解放军医学院外科临床部口腔外科，北京 100853；2.中国人民解放军总医院外科临床部神经外科，北京 100853；3.中国人民解放军总医院超声科，北京 100853；4.中国人民解放军总医院外科临床部口腔外科，北京 100853)

实时剪切波弹性成像技术检测颈动脉斑块弹性参数的对照研究

高振洋1，孙正辉2，罗渝昆3，薛 哲2，薛立娟3，张海钟4

(1.中国人民解放军医学院外科临床部口腔外科，北京 100853；2.中国人民解放军总医院外科临床部神经外科，北京 100853；3.中国人民解放军总医院超声科，北京 100853；4.中国人民解放军总医院外科临床部口腔外科，北京 100853)

目的 量化分析体内、外不同环境对颈动脉粥样硬化斑块弹性参数检测的影响。方法应用SWE技术对3例拟行颈动脉内膜剥脱术患者在术前、术后分别对粥样硬化斑块相同取样区域进行测量，获得810个弹性参数的平均值，量化分析比较在体和离体条件下斑块弹性模量的差异性和相关性。结果在体组帧间变异系数(CVA)变化范围为0.043~0.432，离体组帧间变异系数(CVB)变化范围为0.005~0.093。在体组组内相关系数(CCA)变化范围为0.678~0.815，离体组组内相关系数(CCB)变化范围为0.755~0.999(P均小于0.01)。两组间剪切波速度的平均值差异有统计学意义(P=0.005 2)，两组结果呈直线正相关关系，相关系数r为0.880，决定系数R2=0.775(P= 0.002)。结论实时剪切波弹性成像技术检测人体颈动脉粥样硬化斑块的弹性参数，结果稳定、可靠。人体内的复杂环境对剪切波弹性成像技术检测颈动脉斑块的弹性参数结果存在一定的影响，该影响遵循一定的规律。

颈动脉斑块；实时剪切波弹性成像；弹性参数

颈动脉粥样硬化(Atherosclerosis，AS)病变是引起缺血性脑病的重要致病因素，颈动脉粥样硬化斑块的破裂则可引起脑梗死，因此斑块的稳定性与脑梗死密切相关[1]。血管形变和血流动力学参数变化均可能引起异常高的管壁切应力，从而导致斑块破裂甚至脱落。目前对斑块的稳定性的研究愈加受到临床医生和学者们的重视，或以动物为检测对象，或以人工合成材料模拟人体被检测组织，或以不同的方法对人体目标组织进行检测。有很多学者使用拉伸和压缩的方法检测离体组织的弹性参数。

在以成像技术为基础的检测方法中，实时剪切波弹性成像技术(Real time shear wave elastrography，SWE)已经受到广泛的认可。与同类检测技术核磁共振成像技术和腔内超声技术相比较，它具有成本低、无损害等优点。它是以马赫锥(Mach Cone)效应为基础，以超快速成像系统追踪、捕获剪切波在目标组织内的传播速度为方法，得到实时的弹性成像图。以剪切波传播速度通过换算得到被检测组织的弹性参数[2]。目前该项技术已被广泛应用于临床对生物软组织进行检测，以指导疾病的诊断和治疗。

人体内组织的结构和组成的复杂性，导致剪切波在组织内传播的复杂性[3]，也使剪切波在传播过程中产生了不同程度的衰减[4]。组织复杂的生理性活动也使被检测组织产生了一定的形态学改变，进一步影响了其力学特性。这些因素是否影响了其检测结果的准确性却未曾得到过证实。本研究以同一标本分别以在体和离体两种方式应用实时剪切波弹性成像技术进行同位检测，量化分析生物体组织在体与离体两种环境中的弹性参数的差异性，从而证实该问题。

1 资料与方法

1.1 实验对象 选取2014年6月至12月中国人民解放军总医院经常规彩色多普勒超声检查确诊为颈动脉粥样硬化收住入院且拟行颈动脉内膜剥脱术的男性患者3例，年龄分别为54岁、57岁、62岁。手术标准指征为无症状且颈动脉狭窄＞70%或者有症状且颈动脉狭窄＞50%。排除颈动脉搏动过大、呼吸运动过大、弹性图像不能稳定显示或显示不清者。

1.2 方法

1.2.1 实时剪切波弹性成像技术 应用剪切波弹性成像技术对同一斑块进行在体与离体两种条件下的同位检测。SWE是采用探头发射安全的声辐射脉冲，在组织不同深度上连续聚焦，产生马赫锥效应，被聚焦部位组织粒子高效的振动产生剪切波，用超快速成像系统捕获、追踪剪切波，可得到实时的弹性成像图[5]。获取组织的剪切波传播速度即经换算得到被检测组织的杨氏模量值。近年来该技术广泛被应用于生物软组织检测[6]，定量评价其弹性模量值以指导疾病的诊断、预防和治疗。

1.2.2 仪器设备 采用具有SWE功能的Supersonic Imagine Aixplorer型全数字化彩色多普勒超声诊断仪(Supersonic Imagine，Aix-en-Provence，France)，SL15-4探头。

1.2.3 操作步骤及要求 (1)术前在体检测：嘱患者仰卧，颈部略垫高，头偏向待检查对侧，充分暴露检查侧颈动脉区域。首先使用SL15-4探头在B型超声模式下扫描并记录斑块位置、大小、灰阶声像图特征。分别在斑块最大周径和长径的切面中切换为SWE模式。弹性测量时，由一名经过培训的医师对选取患者进行检测。超声探头不施加压力，嘱患者屏息5 s。弹性图像稳定后定帧，将计量单位由kPa转换为m/s。放弃前2帧，选取此后的5帧进行测量，保存图像。测量时，ROI取样框直径为2 mm，选取的测量区域为斑块两侧肩部、斑块最厚部分和特殊部位(如钙化处等)，分别记录ROI取样框测量取样区域速度的平均值。每例患者相同部位使用同样的方法进行三次检测。(2)术后离体测量：患者进行颈动脉内膜剥脱术后，将术后所取斑块标本室温下放置于0.9%的生理盐水中于2 h内进行离体测量[7]。盛放生理盐水的容器为10 cm×10 cm×5 cm的立方体，生理盐水液面高度为2~3 cm。调整标本方向与在体测量一致后，使用相同探头、相同参数设置，对标本相同取样区域弹性参数进行离体测量，记录相应的数据结果。要求与在体检测相同。

1.3 统计学方法 采用SPSS18.0(IBM)统计软件，以剪切波在目标组织内传播速度平均值作为统计学分析的基础数据。在体与离体两组分别以帧间变异系数(ICV)和组内相关系数(ICC)作为检测可靠性的评价标准[8-9]。P＜0.05为差异有统计学意义。两组间，以配对t检验分析其差异性，P＜0.05为差异有统计学意义。以相关以散点图及回归模型判断两组数据之间的相关性。

2 结果

2.1 可靠性评价 3例患者中，在体检测结果为A组，离体检测结果为B组。共检测18次，54个ROI，获得270帧，810个速度平均值，取每次测量所得的平均值进行数据分析。A组帧间变异系数(CVA)变化范围为0.043~0.432，B组帧间变异系数(CVB)变化范围为0.005~0.093。A组组内相关系数(CCA)变化范围为0.678~0.815，B组组内相关系数(CCB)变化范围为0.755~0.999(P均＜0.05)。结果表明每次所采集的图像比较稳定，检测结果可靠性好。而CVB略小于CVA(图1)，说明离体检测结果更加稳定。考虑是由于在体复杂的组织环境、动脉搏动、血压变化、周围组织力等因素导致剪切波在体内传播产生复杂的传播方式和衰减，从而影响结果的稳定性(图2)。P值均小于0.05，说明两组中对每例患者进行的三次检测所得的结果之间存在一定的差异。而CCB略大于CCA，表明离体组的检测结果更加可靠(图3)。考虑为离体检测时排除了在体检测中的相关干扰因素的结果。

2.2 两组结果间的差异性和相关性 两组间剪切波速度的平均值配对t检验的结果为t=-3.804，证明两组间剪切波速度的平均值差异有统计学意义(P= 0.005 2)，B组大于A组。组间变异系数(CVAB)变化范围为0.031~0.411，表明体内诸多干扰因素对检测结果影响较小，只对个别检测结果的影响较大。图4显示两组结果呈直线正相关关系。相关系数(r)为0.880，决定系数R2=0.775(P=0.002)。通过直线回归模型分析得出回归方程为B=1.236 8+0.827 7×A，P=0.001 7。

图1 两组帧间变异系数(CV)的比较

图2 右侧颈动脉粥样硬化斑块的剪切波速度弹性图

图3 两组间组内相关系数(CC)的比较

图4 散点图显示A、B两组数据呈直线正相关关系

3 讨论

传统的拉伸和压缩检测离体组织的弹性参数的方法，要求被检测组织为均质性且形状要比较规则。而颈动脉粥样硬化斑块却为非均质性的，形状也不规则。因此该方法不适用于本研究。Chai等[10]曾对颈动脉斑块使用冷冻、切片的方法解决均质和形状的问题，而且使用纳米压痕的检测方法，获得非常精确的检测结果。但是他压痕检测的方向却被局限在了轴向方向(血流方向)，远没有管周方向有价值，也没有解决斑块各向异性的问题。因此，所得结果不能完全代表斑块的弹性参数。

实时剪切波弹性成像技术不仅成本低，无损害，还具有不受均质性、形状的限制，检测的方向也可以根据需要进行调整等优点。目前该技术已经被广泛应用于临床对人体软组织的弹性检测[6，8，11-30]。以肝脏为主，还包括甲状腺、乳腺、肾脏、子宫、前列腺、肌肉、颈动脉斑块、血液等。但是临床上一般是通过检测软组织的相对弹性模量值的方法来辅助疾病的诊断和严重程度的判断。考虑可能是由于人体的个体差异性较大，检测所得的绝对数据对诊断无意义，而对于器质性病变来说，与正常组织的相对值更具有临床诊断价值。颈动脉斑块的弹性检测正相反，绝对数据才对它的稳定性研究具有重要意义。剪切波弹性成像技术所获得的弹性模量值是通过方程E=3ρc2计算得出[2，9，31-32](E为弹性模量，ρ为被检测组织的密度，c为剪切波在检测组织中的传播速度)。颈动脉斑块的厚度要远小于剪切波的波长，而且在如此小的体积中它的非均质性造成较大的密度差异。因此，斑块是否适用于此方程尚有待验证。速度值则是设备直接捕获所得的原始数据，具有更为真实、可靠的特点。因此，本研究采集速度值作为数据分析的基础。

检测操作时，我们做到了充分暴露和稳定患者被检测区，减小了患者的活动对被检测部位的影响。放弃不稳定的前2帧选取之后稳定的5帧，这种延迟数据采集的方法，可获得更加稳定的图像，提高测量的精确性。以往很多学者选择较大直径的ROI取样框，以斑块整体为研究对象，降低测量误差。本研究是以斑块的不同部位作为研究对象，使用的是同位检测的方法，考虑到斑块的非均质性，要求测量更加精确，因此我们选取其最小直径进行测量[8]。需要特别注意的是，每次检测时投射的方向、选取的截面、ROI取样框放置的位置均要保持一致。因此，需要放弃图像不清晰者，否则将会对结果产生较大影响。

本研究采用SWE技术首次对颈动脉粥样硬化斑块进行在体与离体同位检测和对照分析，克服了其他检测方法中在均质性和形态方面的限制，对待检测目标的部位和检测方向均可以自由调整，且对患者无损害，是非常适合的检测方法。通过研究结果表明，该方法的结果比较稳定、可靠。在体外环境中，我们使用0.9%的生理盐水模拟体内液体环境的同时，排除了体内复杂组织环境、动脉搏动、血压变化、周围组织力等因素对检测的影响。离体检测组的结果更加稳定、可靠。通过对比分析，成功地证实了这些因素对检测存在影响，同时也证实了两组结果存在高度相关性。间接说明，虽然体内的诸多干扰因素对检测产生了影响，却也有规律可寻。

综上所述，剪切波对人体颈动脉斑块的弹性检测比较稳定、可靠。人体内的复杂环境对剪切波检测目标组织的弹性参数存在一定的影响，且遵循一定的规律。两组数据哪一组更接近真实值，是我们值得关注的问题，对于指导临床预测和治疗颈动脉斑块具有重要的意义。这也是我们下一步研究的方向。

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Detection of mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque using real-time shear wave elastogaphy:a comparative in vivo and in vitro study.

GAO Zhen-yang1,SUN Zheng-hui2,LUO Yu-kun3,XUE Zhe2,XUE Li-juan3,ZHANG Hai-zhong4.1.Department of Oral Surgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA Medical School,Beijing 100853,CHINA;2.Department of Neurosurgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA;3.Department of Diagnostic Ultrasound,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA;4.Department of Oral Surgery,Division of Surgery Clinic,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,CHINA

ObjectiveTo quantitatively analyze the difference,repeatability and correlation of mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque in two kinds of environment,in vivoandin vitro.MethodsShear wave elastography(SWE)was used to detect carotid plaquesin vivoand in saline of 0.9%after excision,and 810 mean values of mechanical properties were acquired.The difference and correlation of the valuesin vivoandin vitrowere analyzed.ResultsInter-frame coefficient of variation values was in the range of 0.043~0.432in vivo(CVA)and 0.005~0.093in vitro(CVB).Intra-class correlation coefficient values(r)was 0.678~0.815in vivo(CCA)and 0.755~0.999in vitro(CCB).The differences were all statistically significant(P＜0.01).The mean velocity values of shear waves acquiredin vitrowere significantly higher than thosein vitro(P=0.005).There was a positive linear correlation between the mean velocity valuesin vivoandin vitro(P=0.002),withr=0.880,R2=0.775.ConclusionReal-time SWE technology can be used to assess the mechanical properties of human carotid atherothrombotic plaque bothin vivoandin vitro, with good stability and reliability.The complex environment in the human body has a certain influence on the results, and the influence follows certain rules.

Carotid plaque;Real-time shear wave elastography;Mechanical properties

R543.5

A

1003—6350（2015）09—1285—05

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.09.0462

2015-01-19)

国家自然科学基金（编号：31271004）

张海钟。E-mail：zhanghz301@aliyun.com