快速傅里叶变换分析冠状动脉旁路移植术中不同桥血管的血流波形特征及其意义

贾彦雄 ,高 杰 ,苏丕雄

（1.首都医科大学第三临床医学院,北京 100069；2.首都医科大学附属北京朝阳医院心脏外科，北京 100020）

冠状动脉旁路移植术（coronary artery bypass grafting，CABG）是有效治疗冠心病的手术方式，在处理较复杂的冠脉病变中较经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention，PCI）更有优势［1-2］。CABG 术中一般将左侧乳内动脉（left internal mammary artery，LIMA）吻合至前降支（left anterior descending branch，LAD），选取大隐静脉桥（saphenous vein graft，SVG）和桡动脉（radial artery，RA）等处理右冠状动脉（right coronary artery，RCA）和回旋支（left circumflex branch，LCX）系统病变。研究［3-6］表明：LIMA桥血管的术后通畅率较高，是CABG 术后患者主要的获益来源，而SVG 桥血管术后远期通畅率偏低，RA 通畅率接近LIMA。通过力学分析也有助于评价桥血管的质量［7-9］，但由于交叉学科研究较少，认可度不高，国际上关于血管力学特征的研究相对较少。术中桥血管血流测量（transit-time flow measurement，TTFM）已成为目前CABG 术中常规评价吻合质量的方式［10-11］。TTFM 采用超声探头描记桥血管血流波形，通过相应流体力学公式计算平均血流量（mean graft flow，MGF）和搏动指数（pulsatility index，PI）等指标。波信号是承载信息的一种方式，桥血管血流的波形则体现了血液流动情况，可以反映血管顺应性和内皮光滑程度等信息。本研究通过分析不同种类桥血管血流波形，将静态的血管结构特征与动态力学信号相互印证，探讨不同种类桥血管远期通畅率差异的影响因素。快速傅里叶变换（fast Fourier transformation，FFT）是量化TTFM 波形的方式，既往一些研究［11-12］也验证了该方法的价值。所有周期信号均可分解为多个正弦波的叠加，这些正弦波具有不同的频率与波幅，FFT 的作用就是将时域中的TTFM 波形转化为在以频率为横坐标的频域内。FFT 图像由主波及一系列谐波组成，本研究中主波（H0）幅度等效于桥血管血流量。主波以外的波峰称为谐波（Ha，a=1、2、3、…、n），较低的谐波频率和较低的高频谐波幅度值提示TTFM 波形较为规律，反之则说明在桥血管内某些因素导致了异常波形的出现，预示桥血管病变概率增加。本研究通过探讨不同种类桥血管FFT 结果差异，阐明其临床意义，为CABG 术中桥血管选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象本研究共纳入132 例首都医科大学附属北京朝阳医院心脏外科2017年1月—2018 年12 月行不停跳冠状动脉旁路移植术（off-pump coronary artery bypass grafting，OPCABG）患者，进行术后随访。所有患者术前均经冠脉造影检查诊断为冠状动脉病变，药物或PCI 治疗效果不佳，术前血管超声检查LIMA、RA 和SVG 等血管无病变，既往无心脏手术史，无其他心脏病变，无其他严重并发症，无明确手术禁忌证，无急诊及亚急诊手术，无体外循环辅助，所有手术均由同一术者团队完成，术后均行至少1 年的双联抗血小板治疗，完成后持续抗血小板治疗及降脂治疗。纳入患者均预约行 CT 冠状动脉成像（CT coronary angiography，CTCA）检 查，根 据Fitzgibbon 标准［13］进行血管质量评价：A 组，桥血管无狭窄或吻合口狭窄＜50%；B 组，桥血管或吻合口狭窄≥50%；O 组：完全闭塞；符合A 组定义为桥血管正常，B+O 组定义为桥血管病变。仅保留A 组数据，根据桥血管类型分为LAD 组、LAD+SVG 组、RA 组 和SVG 组。

1.2 手术策略术中获取LIMA、SVG 或RA。其中LIMA 吻合至LAD，SVG 和RA 近端吻合至升主动脉根部，远端吻合于靶血管。当LIMA 近端或全长质量欠佳时，采用SVG 吻合至升主动脉根部及LAD，当LIMA 获取长度不足或远端质量欠佳时，采取LIMA 与SVG 端端吻合，再吻合至LAD。

1.3 资料收集桥血管吻合完毕并给予鱼精蛋白中和残留肝素后常规应用TTFM 测量桥血管血流波形，测量时控制血压至术前生理水平，维持循环稳定，乳内动脉测量位置骨骼化，选用适配的探头，避免挤压测量血管，使血管与探头贴合满意，待血流波形稳定后描记数据，记录血流波形。将各组血流波形录入计算机，应用MATLAB 2017b 软件对血流波形行FFT 处理，获取频率-幅度曲线图像，记录FFT 图像及数据。随访方式主要为门诊随访，内容包括症状、用药及冠状动脉CT 检查，随访时间13～44 个月，平均随访时间（25.74±7.86）个月，因个人原因共失访18 例，无死亡病例。

1.4 统计学分析采用SPSS 26.0 统计软件包进行统计学分析。各组患者基线数据中年龄和体质量指数（body mass index，BMI）均符合正态分布，以表示，多组间样本均数比较采用单因素方差分析，组间两两比较采用SNK-q检验。各组主波幅度值以中位数（M）［四分位间距（IQR）］表示；基线资料中计数资料以人次（n）表示，采用χ2检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各组OPCABG 患者人口学特征和临床特征的基线资料本研究共纳入患者132 例，其中男性98 例，女性34 例，平均年龄（62.02±8.37）岁。共移植桥血管349 支，其中LIMA 113 支，SVG 207 支，LIMA＋SVG 19 支，RA 10 支，CTCA 检查结果符合Fitzgibbon A 级标准的桥血管共278 支，其中LIMA 101 支，SVG 156 支，LIMA+SVG 14 支，RA 7 支。LIMA 组及LIMA+SVG 组桥血管远端均吻合至LAD，RA 组均吻合至回旋支（LCX）。以桥血管为单位，比较各组桥血管基线资料，各组OPCABG 患者人口学特征和临床特征的基线资料比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表1。

表1 各组OPCABG 患者人口学特征和临床特征的基线资料Tab.1 Baseline data of demographic characteristics and clinical characteristics of patients underwent OPCABG in various groups

2.2 各组患者FFTLIMA 组患者H0幅度值为34.52，H1、H2和H3对应频率分别为2.500、3.750和6.250 Hz，对应幅度值分别为2.11、1.14 和0.88，见图1。SVG 组患者H0幅度值为50.66，H1、H2和H3对应频率分别为2.500、5.625 和8.125 Hz，对应幅度值为4.54、3.88 和2.12，见图2。LIMA+SVG 组患者H0幅度值为36.75，H1、H2、H3和H4对应频率分别为3.125、4.375、5.625 和8.750 Hz，对应幅度值为2.57、2.18、0.80 和1.60，见图3。RA 组患者H0幅度值为33.55，H1和H2对应频率分别为3.125 和6.250 Hz，观察范围内无H3，对应幅度值分别为2.64 和1.98，见图4。各组曲线汇总见图5，数据汇总见表2。

表2 各组患者桥血管FFT 处理后数据Tab.2 Data of grafts of patients in various groups after FFT

图1 LIMA 组患者FFT 结果Fig.1 FFT results of patients in LIMA group

图2 SVG 组患者FFT 结果Fig.2 FFT results of patients in SVG group

图3 LIMA+SVG 组患者FFT 结果Fig.3 FFT results of patients in LIMA+SVG group

图4 RA 组患者FFT 结果Fig.4 FFT results of patients in RA group

图5 各组患者FFT 结果对比Fig.5 Comparison of FFT results of patients between various groups

2.3 FFT 包络图6 为包络线，即分别做4 组曲线波峰连线，可以更直观地观察波形趋势。由图可见LIMA 组与SVG 组差异最明显，LIMA 组与SVG 组H1频率相等，均为2.500 Hz，其余各谐波频率小于SVG 组：H2（3.750 Hzvs5.625 Hz），H3（6.250 Hzvs8.125 Hz）。LIMA+SVG 组图中可见H4，其H1和H2频率大于LIMA 组（3.125 Hzvs2.500 Hz，4.375 Hzvs3.750 Hz），H3频率小于LIMA 组（5.625 Hzvs6.250 Hz）。与SVG 组 比较，LIMA+SVG 组H1频率更大（3.125 Hzvs2.500 Hz），其 H2和 H3频率小于SVG 组（4.375 Hzvs5.625 Hz，5.625 Hzvs8.125 Hz）。RA 组图中仅可见H1和H22 个谐波，其频率较LIMA 和SVG 组均更大（3.125 Hzvs2.500 Hzvs2.500 Hz，6.250 Hzvs3.750 Hzvs5.625 Hz），但由于高频未观察到谐波，故包络线趋势介于LIMA 组与SVG 组之间。FFT 图像各谐波频率值为数据叠加后体现，故无需进一步行统计学分析。

图6 各组FFT 包络线对比Fig.6 Comparison of envelope images of FFT between various groups

主波幅度值对比见表3，主波幅度值与平均血流量等效，数值上并不相等。SVG 组主波幅度值高 于LIMA 组（P=0.006），LIMA+SVG 组 和RA 组主波幅度值与LIMA 组比较差异无统计学意义（P=0.812，P=0.977）。

表3 各组桥血管经FFT 处理后主波幅度值Tab.3 Main wave amplitude values of grafts in various groups after FFT

3 讨论

CABG 是治疗冠状动脉多支病变、左主干病变和伴有并发症患者的有效手术方式［1］。非动脉桥血管术后远期通畅率较低，LIMA 在大于10 年随访中通畅率为90%［4］。BUXTON 等［5］研究的远期结果显示：RA 吻合至非LAD 冠状动脉10 年通畅率为85%～89%；ACHOUH 等［6］对桡动脉术后20 年随访显示：其通畅率为83%。而在12～18个月随访中SVG 通畅率为75%［3］，大于10 年通畅率仅为55%～61%［14-15］。LIMA+SVG 的吻合方式并不是常规应用，其远期通畅率有待进一步临床试验验证。由此可见，动脉桥血管在术后远期通畅率上较静脉桥血管更有优势，对于非LIMA 血管搭桥远期通畅率偏低的原因研究主要集中在以下几个方面：①血管自身结构特点，体现在弹力纤维数量、平滑肌细胞数量及管壁间隙等方面；②血管内分泌功能特点，主要体现在前列环素和一氧化氮等一系列细胞因子方面；③获取过程中损伤，在SVG 获取中尤为重要［16-18］；④吻合质量等［19］。另外并发糖尿病和高血压等基础疾病以及术后用药的合理性也会影响桥血管，且有研究［20］显示：有PCI 治疗史患者远期桥血管通畅率较低，但上述因素并不单独作用于非乳内动脉桥。研究着重于比较结构方面的差异。血流波信号可以反映血流在血管内流动的情况，当血流受阻或形成湍流时，TTFM 波形均会出现近似特征的波形变化，但该差异由于血流波形在时域上各不相同而难以被有效分析。

桥血管早期（＜30 d）狭窄主要见于术中吻合技术或其他原因导致的桥内血栓形成。桥血管中期（＜1 年）狭窄主要源于血管内膜增生，桥血管晚期（＞1 年）狭窄则与动脉粥样硬化有关［8］。

在血流动力学上，血液作为非牛顿液体，当流速较低时，因为血液黏滞力的作用，可以视为规律的层流运动，当流速增快时，血流惯性力增强，远大于黏滞力作用，从而使层流破坏，产生垂直方向分速度，形成湍流。根据雷诺数（Reynolds，Re）公式：Re=ρvr/η。其中ρ 为血液密度，v 为血液流速，r 为血管半径，η 为血液黏度，Re 称为雷诺数，当Re＞1 500 时，液体成湍流，Re＜1 000 时，液体成层流，1 000≤Re≤1 500 时液体不稳定。

结合本研究结果及上述公式可见，桥血管流速和管径与血流湍流呈正向影响。血流湍流是导致内皮增生和粥样斑块沉积的力学因素，研究［21］表明：动脉粥样斑块更易发生于弯曲、狭窄和分叉等血流流动较复杂的区域。除此之外，血流在紧贴管壁的位置因壁面限制会形成保持层流状态的黏性底层厚度（δ），管壁的粗糙突出部分称为管壁的绝对粗糙度（ε），当ε＜δ 时，血管内部血流不接触粗糙的管壁，近似于在光滑管道内流动，当ε＞δ 时，粗糙管壁暴露于血流中，形成不规律流动，进一步可产生湍流。

FFT 可以体现血流在血管内流动的情况，反映桥血管对心脏搏动的顺应性及内壁光滑程度。本研究LIMA 组中H1频率与SVG 组相同，其余谐波频率小于SVG 组，包络线位于4 组血管最下方。SVG 组的H3频率和幅度值较高，故包络线位于4 组血管最上方，表明SVG 内的血液流动更混乱，LIMA 内血液流动更稳定。本文作者认为：首先，在结构上LIMA 具有较少的平滑肌细胞数量，管壁弹力纤维较多，弹力层较厚，可以限制平滑肌细胞的移动和血管内膜增生，且对于缺血耐受能力更强。同时，LIMA 管径更小，但其根据血流调节管径大小的能力更强，具有对搏动血流的顺应性。SVG 内膜存在较多间隙，中膜平滑肌细胞可由间隙进入内膜增生。中膜层较薄，受到自身血压扩张后自我调节能力较低，力学硬度较高，顺应性较低。SVG 在结构上较LIMA 更容易产生管壁狭窄及湍流。同时，SVG 管壁光滑程度低于LIMA，且由于静脉瓣的存在，管壁ε 较高，血液流经时更易形成纵向分速度，也是形成湍流的影响因素。内皮增生或粥样斑块形成后，管壁粗糙度增加，狭窄形成后加速粥样斑块沉积，上述因素相互促进，加速SVG 病变。根据幅度值对比，SVG 桥血管平均流量大于LIMA 组，差异有统计学意义，根据Re 公式，流速及管径与发生湍流呈正向影响，也是可能的影响因素。故本文作者认为在非必要情况下可以避免选择SVG，采用其他动脉桥或应用支架处理非LAD 血管的杂交技术。当选择SVG 时，应尽可能选择无静脉瓣并且管径与冠状动脉相匹配的节段，获取时，应该选择尽可能避免损伤的“notouch”技术，减少人为造成的内皮损伤及管壁粗糙［22］。LIMA+SVG 组的包络线位于LIMA 组 与SVG 组之间，但其在较高频率（8.750 Hz）产生了幅度值较高的H4，分析其原因可能是由于LIMA与SVG 端端吻合形成的不连续性造成的。H1～H3谐波集中在相对低频区域，幅度值依次降低明显，表现为其整体血液流动较为平稳，具有动脉特征，H4可能由于桥血管中段吻合口存在形成。本文作者推断LIMA+SVG 桥血管的通畅率应优于SVG，但仍需进一步研究证实。RA 组作为动脉桥血管，其远期通畅率不次于LIMA［5］，但因患者年龄、身高和尺动脉功能等限制导致无法应用于每例患者，RA 平滑肌细胞丰富，依赖滋养血管供血，不易耐受缺血缺氧，并且易痉挛。本研究结果显示：RA 组谐波频率较LIMA 稍高，但未见较高频率的H3，表明无其他的异常波动信号产生，其血管内血流平稳程度较高，自我调节能力较强，且与LIMA 组幅度值比较差异无统计学意义，其可能是RA 具有较高术后通畅率的力学因素。

本研究的局限性在于LIMA+SVG 组和RA 组数据较少，且RA 组全部吻合至LCX 主干，未体现其吻合至其他冠状动脉的区别。另外，本研究应用FFT 探究了不同类型桥血管内血液的血流动力学差异及可能引起其术后远期通畅率差异的原因，并未提出实际的改善通畅率的方法，未来仍需进一步观察及实验研究。

综上所述，本研究从血流角度观察，LIMA 和RA 内血液的流动更平稳，动脉血管对于搏动血流具有调节作用，应作为CABG 手术的优先选择。LIMA+SVG 作为非常规应用的吻合方法，在其通畅率高于SVG 方面具有一定的生物力学基础，但仍需进一步研究。SVG 作为最容易获取的桥血管，由于其本身结构特点的限制，更易产生湍流而加速内膜增生及粥样硬化，应尽可能减少应用。