超声射频信号在动脉病变中的研究进展

田 菊 勇 强

首都医科大学附属北京安贞医院综合超声科，北京 100029

在通信工程中，“射频信号（radio frequency, RF）”被用来表示包含无线电通信的频率信息的信号。“射频”一词已被超声界所采用，它被用来表示未经数据处理的标准信号，其中的相位信息是完整的。超声射频信号是指超声探头发射声学脉冲波在生物组织内传播、相互作用后组织反射回来的通过超声探头接受到的回波信号，该信号保留着不同组织细微结构的振幅和相位等全部信息[1]。射频信号没有经过任何图像处理，也称原始信号，B型超声图像是由射频信号解调得到的，一般经过滤波、整流、解调及对数压缩等步骤，此过程中损失了部分信息，并且不同超声仪器间存在着差异性，因此相比B型超声图像的灰度信息而言，原始射频信号保存着更完整更细致的信息，具有高精度、不依赖于成像质量等特点。

基于B型超声图像的传统的分割算法受成像设备以及成像条件、操作者的个体认知及经验等影响严重。随着部分超声仪器厂家开放了射频信号采集接口后，近年来，在超声图像处理领域，有研究者将关注点从B型超声图像的灰度信息转移到原始超声射频信号上。相较于B型超声图像的灰度信息，原始超声射频信号保留着更细致更完整的信息，因而有研究者通过分析处理超声射频信号，从而提取有关组织纹理和解剖结构等特性。研究者Goossens等提出基于原始超声射频信号的相位分析法来进行组织定征，并获得较好的效果[2]。另有研究结果表明，用超声射频信号进行颈动脉管壁位移测量能够达到与B型超声图像同样的精确度，同时减弱了对超声成像设备的依赖[3]。基于超声射频信号的技术已被用于血管、肝脏、乳腺等疾病的研究中[4-6]，本文主要介绍基于超声射频信号的新技术在动脉病变中的运用。

1 在评价动脉结构和功能中的运用

超声射频数据处理技术（radio frequency-data technology,RF-data）是近年来发展起来的一项定量评价动脉血管管壁结构及弹性功能的新技术，由百胜公司推出并在百胜的超声诊断仪上使用，主要机型包括Esaote Mylab 90、Esaote Mylab Twice，该技术的原理是通过对获得的原始超声射频信号进行分析、自动计算得到相关参数从而评估血管的结构和功能，由于超声射频信号是原始信号，因此通过该方法获得的数据对图像的成像质量要求较低，测量结果的精确度可达微米级。该技术配有血管内-中膜精准测量（QIMT）和血管硬度定量分析（QAS）软件。

1.1 在评价动脉内-中膜厚度中的运用

QIMT在清晰显示血管二维结构的基础上，基于对超声原始射频信号的直接分析，能高精度、自动测量血管（Intima-Media Thickness, IMT）厚度，连续、实时定量检测6个心动周期内、在一定长度范围内（≥1 cm）的血管IMT的平均值。传统颈总动脉IMT通过手工单点测量，精确度较低，严重依赖于操作者的经验和主观判断，测量结果误差较大、可重复性较差。QIMT凭借高空间分辨率实时追踪因动脉搏动引起的血管各壁层厚度变化，能够得到更加真实、准确的结果，其测量精确度可达10 μm，与操作者手工测量相比，QIMT在测量的精确度上有数量级的提高[7]。金晔等[8]通过对徒手测量法和QIMT测量法进行比较研究，两名超声医生分别使用QIMT技术及徒手测量法测量受检者双侧颈动脉IMT，结果显示QIMT测量法具有较好的一致性，QIMT测量结果重复性优于徒手测量法。然而需要注意的是使用QIMT功能尚不能对斑块处进行测量。

检查范围内血管IMT的均匀度、血管管径离散度及肉眼不能分辨的IMT改变均可通过QIMT技术反映出来。金晔等[9]采用QIMT技术测量肥胖儿童的颈动脉IMT厚度，探讨肥胖儿童代谢异常状况与颈动脉间的关系，发现肥胖组儿童的颈动脉IMT明显高于对照组，得出肥胖儿童的颈动脉IMT已开始明显增厚，动脉硬化可在儿童时期得病、成人时期发病的结论。丹海俊等[10]应用QIMT技术对160例健康人根据年龄分组，定量检测健康人颈总动脉IMT厚度和确定相关参数的正常值范围，结果发现随着年龄的增加IMT有增厚的趋势。

1.2 在评价动脉弹性中的运用

QAS技术是利用原始射频信号原理分析动脉弹性功能的技术，通过测量血管脉搏波传导速度（PWV）、顺应性系数（CC）、扩张系数（DC）、弹性参数（β）、动脉反射波增强指数（AIx）等多个参数来评估动脉血管的弹性功能。CC是反映随动脉压力增加动脉内径反应性增加幅度的参数，DC是反映随动脉压力增加动脉内径变化分数值的参数，当动脉弹性减低时，CC和DC值均减低；β是反映动脉硬化程度的参数，当动脉弹性减低时，β值升高；PWV是心脏的搏动波沿动脉和血流向外周传播而成的，当动脉弹性减低、内中膜增厚时，PWV值增高。

丹海俊等[11]将QAS技术用于早期评价高甘油三脂血症患者颈总动脉血管弹性，结果发现高甘油三脂血症组患者的颈总动脉PWV、β值均显著高于正常对照组；DC显著低于对照组（P＜0.05）。欧志红等[12]应用QIMT及QAS技术对118例经立普妥治疗的高脂血症患者的颈动脉进行定量检测，比较治疗前后弹性参数的变化，发现治疗后患者颈动脉血管僵硬度参数β及PWV明显减低，CC明显增高。徐进[13]应用QAS技术对65例2型糖尿病患者下肢动脉弹性功能的检查和分析，结果发现糖尿病组股总动脉、腘动脉β、PWV较对照组高，CC较对照组低（P＜0.05）；糖尿病组腘动脉与股总动脉β、PWV、CC比较均有显著差异，提示腘动脉与股总动脉有良好的相关性，且腘动脉较股总动脉僵硬度改变明显。

国内外多项研究表明[14-24]，QIMT和QAS技术是早期诊断动脉粥样硬化的有效方法，具有早期发现动脉内中膜厚度和管壁弹性变化的潜力，已被用于评估高血压、高血脂、糖尿病、吸烟、肥胖、冠心病、甲亢、脑梗死、维持性血液透析、强直性脊柱炎、睡眠呼吸暂停综合征等疾病所致的颈动脉结构和功能变化，大多数研究结果显示CC、DC值减低，IMT、PWV、β值增高，QIMT测量值、QAS所测的动脉弹性参数值、年龄、血脂、糖化血红蛋白等指标间存在良好的相关性。QAS和QIMT技术在正常成年人、儿童及妊娠人群中也取得了较好的效果[10，18，25]。

超声射频数据处理技术具有高精度、不依赖于成像质量、重复性高等特点，应用前景良好，但因其受血压、心率、测量时间长等因素影响，且必须使用具备特定功能的仪器，从而限制了该技术在临床的应用。

2 在评价动脉易损斑块中的应用

虚拟组织学成像血管内超声（virtual histology intravascular ultrasound, VH-IVUS）是近些年来发展起来的一种能够对斑块进行分析的技术，是基于IVUS技术的一种新的方法。Nair A等[26]证实对散射的超声射频信号加以利用，通过功率频谱的处理进行比较分析，可以对冠状动脉粥样硬化斑块成分进行更准确的分辨，基于体外病理组织学结果，将不同的频率区信号特征与不同组织成分对比分析，采用不同颜色对不同的组织成分进行彩色编码，虚拟出冠状动脉粥样硬化斑块的组织成分图像，此即为VH-IVUS成像的基本原理。在VH-IVUS图像上，用深绿色表示纤维斑块，主要由胶原纤维和巨噬细胞组成；用浅绿色表示纤维脂肪斑块，主要由脂质、胶原纤维组成；用白色表示钙化斑块，主要由钙盐沉积而成；用红色表示坏死核心斑块，主要由大量的坏死细胞、淋巴细胞、泡沫细胞的残留物所形成的脂质组成。VH-IVUS与病理检查结果比较具有较高的特异性和准确性，重复性较好，对各种斑块识别的准确性分别为：纤维斑块93.4%，纤维-脂质斑块94.6%，钙化斑块96.8%，坏死核心斑块95.1%[27]。VHIVUS重要的临床应用是识别冠状动脉易损斑块，它不仅能灵敏地发现易损斑块、识别其组成成分，而且能发现坏死成分和纤维成分之间的分层现象，从而评估因血管壁反复损伤及修复导致的斑块发展情况。

近年来，VH-IVUS已广泛用于冠状动脉病变，与病理结果进行对照研究分析，VH-IVUS将冠状动脉粥样硬化斑块分为薄纤维帽粥样斑块、厚纤维帽粥样斑块、病理性内膜增厚、纤维斑块和纤维钙化斑块5种类型。R odriguezGranillo GA等[28]利用VH-IVUS技术进行了基于病理组织学的在体研究，制定了薄纤维帽粥样斑块的VH-IVUS诊断标准：血管内横断面积狭窄率超过≥40%、坏死核心面积占斑块比例≥10%且与管腔直接接触、并至少在3个连续的横断面出现。赵伟等[29]研究发现急性冠脉综合征（acute coronary syndrome, ACS）患者动脉粥样斑块的VH-IVUS影像学特点表现为斑块纤维脂质成分和坏死组织明显多于稳定型心绞痛患者，钙化成分少于稳定型心绞痛，特别是两者坏死/钙化面积比值更有显著差异，这与既往的研究相一致[30]。PROSPECT研究率先采用VH-IVUS技术进行前瞻性的、多中心的长期随访临床研究，该研究在欧洲和美国40个中心筛选出700例ACS患者，PCI术后及患者再次发生急性心血管事件时对所有3支冠状动脉进行VH-IVUS检查，寻找罪犯斑块，研究结果显示ACS靶血管病变PCI术后，在3支冠状动脉的近段及中段仍然存在薄纤维帽粥样斑块的患者约占35%，其中70%的薄纤维帽粥样斑块为非严重狭窄。PROSPECT研究结果还提示VH-IVUS发现的易损斑块能够预测不良冠状动脉事件[31]。

已有学者将VH-IVUS用于颈动脉斑块的分析，国外学者Tsurumi A等[32]对45名颈动脉粥样硬化斑块狭窄患者进行VH-IVUS检查，探讨VH-IVUS分析引起颈动脉管腔狭窄的整个斑块容积与管腔最细处斑块横切面组成的相关性，回归分析显示每个斑块类型的体积比例与最细管腔处的斑块类型区域有明显相关性，纤维组织、纤维脂质组织、钙化组织、坏死核心组织调整后的回归分析系数分别为0.782、0.741、0.864、0.918（P均＜0.001），结果表明最细管腔部位的斑块组成代表导致颈动脉狭窄的整个斑块的组成。González A等[33]对采用VH-IVUS检查拟行颈内动脉支架植入术的颈动脉狭窄患者，分为无症状组和有症状组，研究结果表明薄纤维帽纤维粥样斑伴坏死核心向管腔融合和斑块伴钙化融合区域增加了斑块的不稳定性。Diethrich EB等[34]将30例颈动脉粥样硬化患者随机分为2组，分别进行颈动脉支架植入术和颈动脉内膜切除术，且两组均行VH-IVUS检查，并对内膜切除术中切除的内膜及支架植入术中滤出的粥样硬化斑块进行组织病理学分型，其研究结果表明：VH-IVUS在薄帽纤维粥样斑块的诊断中几乎与组织病理一致，准确性高达99.4%；对钙化薄帽纤维斑块、纤维斑块、纤维钙化斑块、内膜增厚的准确性则分别为96.1%，85.9%，85.5%和83.4%，该研究还将颈动脉斑块分为：病理性内膜增厚、纤维粥样瘤、钙化纤维粥样瘤、薄帽的纤维粥样瘤以及钙化薄帽的纤维粥样瘤。

然而并非所有临床使用的IVUS成像系统都允许采集原始射频信号，VH-IVUS是美国Volcano公司开发的一项新技术[35]，目前具有VH-IVUS功能的只有Volcano公司生产IVUS成像系统，VH-IVUS采集RF数据需通过ECG门控，因此受检者需接上ECG信号，且受检者ECG信号的R波波幅不能太低，否者不能作VH-IVUS图像分析。

超声射频信号是原始的未经后处理的信号，保留原始的信息，通过对原始射频信号的分析，能够得到更多有关的组织细微结构的信息，但目前并非所有的超声诊断仪都能允许采集和分析原始射频信号，这限制了原始超声射频信号在临床的运用。