血管壁剪应力预测颈动脉斑块破裂的价值

刘秋云，陈明，傅晓红，江梅，夏红卫

1.上海市浦东新区海军军医大学附属公利医院超声科，上海 200135；2.同济大学附属东方医院心脏医学部，上海 200120；3.上海市浦东新区海军军医大学附属公利医院神经内科，上海 200135； *通讯作者 陈明 mingchen1283@vip.163.com

急性缺血性脑卒中（acute ischemic stroke，AIS）是多发于中老年人的急性心脑血管事件[1-2]。不稳定的颈动脉粥样硬化斑块一旦破裂脱落会栓塞远端脑动脉，导致AIS等严重后果[3]。斑块的稳定性取决于多方面因素的共同作用，包括斑块位置、斑块性质及斑块厚度引起的管腔狭窄[4-6]。另外，斑块表面的血管壁剪应力（wall shear stress，WSS）是影响斑块稳定性的重要因素[7]。WSS与动脉粥样硬化斑块的形成及脱落密切相关。目前主要采用各种影像学技术测量颈动脉血流，并运用 Hagen-Poiseuille公式估算血管的平均WSS，但其不适用于计算斑块表面的 WSS[8]。近年，本课题组研制了可获取沿血管壁走行各点上WSS数值分布的定量分析软件，并运用该软件分析健康人群颈总动脉WSS的空间分布规律[9]。本研究利用剪应力分布图绘制软件定量分析颈动脉粥样硬化患者颈动脉斑块的WSS情况，旨在早期预测颈动脉斑块的破裂脱落。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选择2012年9月—2018年1月于上海市浦东新区公利医院超声科行颈动脉超声检查并发现颈动脉斑块的158例患者，纳入标准：①斑块所致面积狭窄程度≥30%；②年龄>18岁。排除合并引起血流动力学改变疾病的患者。158例患者中，男82例，女76例；年龄51～86岁，平均（67.2±13.9）岁。所有患者均合并高血压，其中51例合并冠心病、110例合并糖尿病、126例血脂异常。所有患者均知情同意，本研究通过上海市浦东新区公利医院伦理委员会批准，并经中国临床试验注册中心注册（ChiCTR-OON-14005359）。

1.2 仪器和方法

1.2.1 超声检查 采用Philips iU22彩色多普勒超声仪，L9-3线阵探头。患者取仰卧位，充分暴露颈部。发现颈动脉斑块后测量并记录斑块所在位置（颈内动脉、颈总动脉、颈动脉窦部），根据回声判断斑块性质（硬斑、软斑、混合斑），测量斑块突入管腔的厚度，并计算颈动脉管腔狭窄程度。观察斑块表面血流情况，保存血流动态图进行后处理分析。

1.2.2 颈动脉斑块WSS分布分析 将存储的颈动脉斑块周围多普勒血流动态图利用剪应力分布图绘制软件（登记号：2011SR089671，证书号：软著登字第0353345）进行脱机分析。绘制颈动脉斑块肩部（斑块与正常颈动脉血管内膜交界处）近心端和斑块肩部远心端WSS分布图，并记录该区域WSS的平均值。剪应力分布图绘制软件可自动生成颈动脉斑块表面WSS的二维、三维剪应力空间分布图，自动计算期WSS均值。软件以色彩亮度代表WSS大小，色彩越亮，WSS越高。剪应力三维空间分布图的X、Y坐标分别以像素为单位，每个像素的长度为0.085 mm，Z坐标以dyne/cm2为单位。X轴表示血管长度，Y轴表示血管直径，Z轴表示 WSS大小。斑块周围的WSS以波幅形式得以在三维剪应力空间分布图上显示[10]。

1.3 统计学方法 采用SPSS 19.0软件，计量资料以表示，采用单因素方差分析比较WSS在不同斑块位置、斑块性质及管腔狭窄程度之间的差异，两两比较采用LSD检验；采用Pearson相关分析斑块肩部WSS与管腔狭窄程度的关系；采用多元线性回归分析WSS与斑块位置、斑块性质及管腔狭窄程度之间的关系。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同斑块表面WSS的分布 158例患者共发现204枚颈动脉斑块，其中51枚位于颈总动脉、124枚位于颈动脉窦部、29枚位于颈内动脉；硬斑块104枚、软斑块54枚、混合斑块46枚；152枚管腔狭窄程度30%～50%，47枚狭窄程度50%～70%，5枚狭窄程度70%～99%。剪应力分布图绘制软件绘制不同颈动脉斑块表面的剪应力分布见图1～3。

图1 男，45岁，颈总动脉混合斑块，管腔狭窄程度52%。颈总动脉WSS二维空间分布图（A）；颈总动脉WSS三维空间分布图（B）。WSS空间分布图显示斑块肩部近心端颜色明亮，肩部远心端颜色暗淡，提示近心端表面的WSS较远心端更高

图2 女，61岁，颈内动脉软斑块，管腔狭窄程度70%。颈内动脉WSS二维空间分布图（A）；颈内动脉WSS三维空间分布图（B）；斑块近心端WSS幅度稍高于远心端，而斑块最狭窄处的WSS幅度明显增高，提示狭窄程度对斑块周围剪应力的影响

图3 女，58岁，颈动脉窦部硬斑块，管腔狭窄程度35%。颈动脉窦部WSS二维空间分布图（A）；颈动脉窦部WSS三维空间分布图（B）；颈动脉窦部斑块肩部近心端WSS相对较暗，与远心端差异最小，提示颈动脉斑块窦部表面WSS相对较小

2.2 斑块表面 WSS的定量分析 不同斑块肩部近心端与远心端WSS比较见表1。定量分析结果显示，不同斑块位置、斑块性质及狭窄程度中，斑块近心端WSS均高于远心端，差异有统计学意义（P<0.05）。不同位置斑块近心端 WSS中，颈总动脉>颈内动脉>颈动脉窦部，远心端WSS中，颈总动脉>颈动脉窦部和颈内动脉，差异均有统计学意义（P<0.05）。不同性质斑块近心端WSS中，软斑块<硬斑块和混合斑块；远心端WSS中，软斑块<硬斑块，差异有统计学意义（P<0.05）。不同狭窄程度斑块近心端和远心端WSS中，狭窄程度<50%的斑块低于狭窄程度50%～70%和狭窄程度>70%的斑块，差异均有统计学意义（P<0.05）。

表1 不同斑块肩部近心端与远心端WSS比较（dyne/cm2）

2.3 颈动脉管腔狭窄程度与WSS的相关性 本组患者斑块肩部近心端 WSS与管腔狭窄程度呈正相关（r=0.664，P=0.000）。见图4。

2.4 颈动脉斑块肩部近心端 WSS的多元线性回归以颈动脉斑块肩部近心端 WSS为因变量，斑块性质、斑块位置及管腔狭窄程度为自变量建立拟合多元线性回归模型。结果发现，斑块性质（P=0.000）、斑块位置（P=0.000）及管腔狭窄程度（P=0.000）均为斑块肩部近心端WSS的影响因素。拟合方程为：WSS=3.169-1.055×斑块位置-0.671×斑块性质+0.254×管腔狭窄程度，拟合优度R2=0.479。

3 讨论

WSS反映了动脉壁内皮表面所受的切向摩擦力。血流速度的大小和方向变化较大时会导致WSS的异常变化[11]。WSS是冠状动脉粥样硬化进展的既定预测因子[12]，检测WSS对于预测斑块稳定性具有重要意义。本研究应用剪应力分布图绘制软件定量分析不同位置、性质及管腔狭窄程度的颈动脉斑块WSS，旨在对颈动脉粥样硬化斑块的稳定性进行全面评估，从而早期对斑块破裂做出预判和处理。

不稳定性斑块易出血、破裂脱落，进入血流成为血栓，进而导致急性脑血管事件的发生[13]。不稳定性斑块内存在活跃的炎症反应，并且富含脂质核心、表面溃疡，较大的脂质坏死核心被薄的纤维帽覆盖，均是引起不稳定性斑块破裂的原因[14]。在原本斑块不稳定的基础上，高机械力会加快动脉粥样硬化斑块的形成及脱落。因此，高WSS是影响斑块稳定性的一个重要力学因素[15]。斑块肩部是斑块最薄的部位，故大部分破裂发生于斑块肩部，尤其是斑块肩部的近心端[16]。因此，斑块肩部近心端WSS对预测斑块破裂具有重要意义。

本研究结果显示，剪应力分布图绘制软件可以清晰地显示不同位置、不同性质及不同管腔狭窄程度下斑块表面的WSS分布情况。无论斑块位置、斑块性质及不同狭窄程度的差异，斑块近心端WSS均高于斑块远心端，与Eshtehardi等[17]的研究结果相似。通过对不同斑块的定量分析发现，颈总动脉斑块>颈内动脉斑块>颈动脉窦部斑块，这由WSS的定义公式决定。斑块表面血流速度越高，WSS越大。颈总动脉表面的血流速度大于颈内动脉和颈动脉窦部。在斑块性质方面，本研究发现硬斑块>混合斑块>软斑块，推测其原因为斑块越硬，斑块与血流之间形成的压力越大，WSS越大。在管腔狭窄程度方面，本研究结果提示狭窄程度70%以上>狭窄程度50%～70%>狭窄程度50%以下。这是由于随着管腔狭窄程度的提高，斑块突入管腔程度越明显，从而导致斑块表面血流速度加快，对斑块的压力增加，进而导致WSS显著上升。由于管腔狭窄程度与WSS的变化密切相关，本研究进一步对所有患者的颈动脉管腔狭窄程度和斑块肩部近端WSS进行相关性分析，结果发现斑块肩部近心端WSS和管腔狭窄率呈正相关，提示斑块狭窄程度越高，斑块近心端WSS越大，其破裂的风险越高。

为综合分析并准确评估颈动脉斑块肩部近心端WSS的影响因素，多元线性回归分析提示，斑块性质、斑块位置及管腔狭窄程度均为斑块肩部近心端WSS的影响因素。多元线性回归的拟合方程为：WSS=3.169-1.055×斑块位置-0.671×斑块性质+0.254×管腔狭窄程度，拟合优度R2=0.479，提示临床可以根据斑块位置、性质及管腔狭窄程度计算斑块肩部WSS的数据，为临床评估颈动脉斑块肩部WSS、预测斑块破裂提供参考。

本研究存在一定的局限性。本研究在分析 WSS时仅考虑了斑块的内部因素，一切其他可能影响斑块WSS的因素，如年龄、性别、体重指数、合并症等因素并未纳入研究，WSS的拟合方程的准确性尚有待进一步提高。

总之，由于临床难以检测斑块表面的WSS，本研究通过剪应力分布图绘制软件计算获得了斑块表面的WSS分布，证明了斑块性质、斑块位置及管腔狭窄程度均为斑块肩部近心端WSS的影响因素；并计算了斑块肩部近心端WSS的拟合方程，从而为颈动脉粥样硬化斑块破裂脱落的早期预测提供参考。