超声影像技术在评价颈动脉弹性中的研究进展

张颖综述 叶玉泉，薛红元审校

相关研究表明，心脑血管疾病(cardiovascular and cerebrovascular diseases, CVD)已经成为我国居民死亡的首要原因。动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)是大多数心脑血管疾病的重要病理基础[1]。相关研究表明，动脉硬化常与AS同时发生，动脉硬化的发生主要是由于细胞外基质(extracellular matrix, ECM)中的弹性纤维蛋白断裂及Ⅰ型胶原增加引起的，这与AS的发生发展存在协同作用。ECM蛋白和血管壁力学的变化促进了血管内皮屏障的损伤，从而增加了血管壁的通透性，加速了胆固醇的沉积，这也是AS发生的关键环节[2-3]。同时，弹性纤维蛋白还可对血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)的迁移和增殖起到抑制作用，因此当动脉硬化发生时，大量弹性纤维蛋白的断裂也会促进AS的发生。除此之外，动脉硬化还可能通过激活、参与其他病理生理机制来促进AS的发生发展[4]。另外，有学者认为动脉硬化先于斑块的形成，可作为AS的筛查指标及AS发生的预测因子[5]。动脉硬化即动脉弹性、动脉顺应性、血管的舒张功能减低，研究表明在早期发现动脉弹性减低，及时干预颈动脉斑块的进一步发展，对减少心脑血管事件的发生具有重要意义[4]。颈动脉因其与颅脑、心脏供血动脉联系密切，同时位置表浅、易于观察，许多研究表明，颈动脉粥样硬化(carotid atherosclerosis, CAS)病变程度与冠状动脉硬化性心脏病(coronary artery disease, CAD)及缺血性脑卒中(cerebral ischemic stroke, CIS)的发生有关，因此颈动脉常作为筛查全身动脉病变的观察窗口[6-7]。相关研究表明，动脉弹性的变化可以更敏感地预测AS的早期病变。因此，本文针对无创超声技术在评估颈动脉弹性中的应用进行综述。

1 血管回声跟踪技术

血管回声跟踪(echo-tracking，ET)技术是通过跟踪并实时标记血管壁的运动，再以曲线的形式表现出血管内径在心动周期中的变化，并结合即时血压分析，从而得出动脉弹性变化的相关参数，主要包括：压力应变弹性系数(pressure-strain elastic modulus, Ep)、硬化参数(stiffness parameter, β)、顺应性(arterial compliance, AC)、单点脉搏波传导速度(one-point pulse wave velocity calculated from β value, PWVβ)、增大指数(augmentation index, AI)。通过这5项指标，可以反映血管的弹性功能，当血管的僵硬度增大时，Ep、β、PWVβ、AI增大，AC减小。有学者应用这一检查手段来评价健康人颈动脉僵硬度，发现随着年龄的增加，动脉的Ep、β值均不断增大，而AC呈下降的趋势；不同性别间颈动脉僵硬度存在差异，女性在更年期以前，其颈动脉及腹主动脉硬值均大于男性，但当女性更年期以后，不同性别间动脉的硬度值未见明显差异，这一现象体现出衰老在动脉僵硬度改变中发挥的重要作用，也说明了雌激素的抗动脉粥样硬化作用[8]。Ershova等[9]对家族性高胆固醇血症(familial hypercholesterolemia, FH)患者及其未患病的一级亲属颈动脉僵硬度和主动脉僵硬度进行比较，指出FH患者的动脉硬度明显增高，同时发现与主动脉相比，利用ET技术测量局部颈动脉僵硬度的改变能更好地反映FH患者动脉受损的情况。焦新宇等[10]指出应用ET技术评估颈动脉的僵硬度，发现颈动脉僵硬度的增加发生在内膜中层厚度(intima-media thickness, IMT)增厚之前，对预防AS的发生、发展，减少CVD的发生有重要意义。另外，有学者利用该技术对肥厚型心肌病患者颈动脉僵硬度进行研究发现，颈动脉β值的增加与左心室功能的减低有关，并指出颈动脉的β值有望用于反映疾病的严重程度[11]。ET技术虽然可对局部的动脉僵硬度进行评价，但测量时得到的参数PWVβ、AI均为间接推导得出，用于指导临床仍需要大量数据进一步验证；另外，测量时还需要结合被检者的实时血压才可以评估其颈动脉弹性，而被检者的实时血压影响因素众多，测量结果容易产生偏倚。同时，ET检测结果还会受到性别、年龄等因素影响。因此，利用ET技术检测动脉弹性所得出的正常参考值范围及其对临床的意义值得更深入的探讨。

2 速度向量成像技术

VVI(velocity vector imaging，VVI)技术是应用斑点追踪技术、空间相干技术等，通过实时跟踪算法计算并以矢量方式在二维灰阶动态图上显示组织运动方向、运动速度、位移及时相，对组织进行生物力学量化分析的新技术。该技术在评价心肌结构力学，定性、定量评价局部心肌功能方面较为成熟。VVI技术可通过定量测定向量大小和方向计算出血管壁的移动速率(Vmax)、应变(Smax)、应变率(SRmax)等物理弹性相关的量化参数及组织形变特性，从而用于评估动脉弹性的变化。有研究者对DM模型鼠的颈动脉弹性进行研究，并将结果与模型鼠的动脉IMT及组织病理学结果相比较，发现随着模型鼠患病时程的增加，其动脉Smax、SRmax逐渐减小，且早于动脉IMT的增厚，此时其组织病理学可观察到脂滴的沉积、泡沫细胞的形成及胶原纤维的增多等AS早期病理表现，说明VVI技术测量动脉弹性可以在IMT增厚前识别出动脉受损，有助于早期发现DM患者动脉功能的减低、控制DM患者动脉并发症的发生发展[12]。Kim等[13]也利用该技术探究高血压对颈动脉管壁的影响，发现颈动脉弹性的减低早于IMT的增厚，VVI技术可在早期识别出颈动脉管壁的重塑，并指出高血压病通过增加患者颈动脉的周向血管壁面剪切应力(wall shear stress，WSS)刺激胶原纤维的分泌，促进动脉硬化的发生。这与曹丽等[14]对代谢综合征患者的颈动脉弹性研究相一致，说明VVI技术测量动脉壁弹性可以为AS的早期预防及诊断提供理论依据。和传统多普勒超声相比，VVI技术可避免角度的影响，可以更加准确的反映血管壁的运动。此外VVI技术还有以下优点：第一，能够获得各方向血管壁的移动速率和方向；第二，能够自动定位，确定向心运动的中心，可以避免自身动脉搏动对测量结果的影响；第三，可同时监测心电图，从而分析心动周期中管壁的运动情况。VVI技术对二维动态图像有较严格的要求，在体位受限、脂肪层过厚或水肿患者检测中可能会因图像不清晰而影响结果，所以在被检者的选择上受到一定程度的限制。与此同时，现阶段该技术还没有统一的参考标准，故VVI技术应用于血管弹性的测量、诊断动脉弹性的减低，还需大量的研究来确立统一的标准。

3 超声弹性成像技术

1991年，超声弹性成像(ultrasound elastography, UE)的概念被首次提出，该技术主要是利用待检组织在外力作用下产生的形变，通过比较组织压缩前后的射频信号，对形变程度的分析，得到组织的应变分布及弹性系数分布，进而评价组织的硬度。对超声图像进行伪彩色处理后，图像在不同硬度区间内呈现不同颜色，这可以更加直观表现出不同组织间的弹性对比。该技术广泛应用于甲状腺、乳腺、肝脏、前列腺等器官的疾病诊断及鉴别，也有学者应用UE技术评估血管弹性。梁志等[15]对头颈部恶性肿瘤患者放射治疗前、后的颈动脉内膜中层厚度(CIMT)、颈动脉内径变化率(ΔD)及血液与颈动脉血管壁SR比值进行研究，结果显示放射治疗早期患者IMT未见明显变化，但此时ΔD及SR比值已经发生明显变化，ΔD随着放射剂量的增加而减少，SR比值随着放射剂量增加而增大，SR比值与ΔD呈负相关，提示SR比值可在一定程度上反映动脉的收缩与舒张功能，可对动脉弹性的变化进行评价；另外SR比值和ΔD能在动脉结构和形态发生改变之前反映出动脉弹性的变化，为早期发现、干预动脉粥样硬化事件的发生提供参考。有学者利用该技术对HIV患者和健康人群颈动脉壁硬度进行比较，并指出HIV患者的颈动脉壁僵硬度大于健康人群，说明与健康人群相比，HIV患者的动脉壁更容易过早发生硬化[16]。相比于以往的触诊，UE技术能够反映深层组织的弹性，该技术可重复性强、检测结果更加直观更具有客观性。但在应用过程中仍存在一定缺陷，不同病灶组织之间可能存在重叠，导致检测到的弹性值发生偏差；UE技术要求操作者具有较丰富的操作经验及规范的扫查手法；其主要局限还包括该技术会受到探头加压程度不同及脉搏波动的影响，同时不能对组织硬度进行定量的评估。

4 剪切波弹性成像技术

剪切波弹性成像(shear wave elastography imaging，SWE)技术是一种用于评价活体组织硬度的新技术，其原理是探头发射安全的声辐射脉冲，在组织不同深度上连续聚焦从而对组织施加激励，产生横向剪切波，通过高速成像技术跟踪剪切波传播速度(shear wave velocity，SWV)，系统定量分析后得到组织弹性的绝对值—杨氏模量(E)。SWV与E成正比，E越大，组织越硬，弹性图上显示为红色；E越小，即组织硬度值越小，弹性图上显示为蓝色。SWE技术在甲状腺、乳腺结节的评级及良恶性肿瘤的鉴别、肝纤维化分期等方面的研究已相对成熟[17]。目前利用剪切波成像技术评估动脉的硬度仍处于研究阶段。动脉壁弹性可分为纵向弹性和环向弹性，SWE主要反映动脉的纵向弹性，动脉的纵向弹性越好，越利于向外周传递动脉压力。杨谧等[18]应用SWE技术对常规颈动脉超声检查无异常的患者进行颈动脉弹性检测，结果显示随着被测者年龄的增长，其动脉的纵向弹性减低，杨氏模量随之增加，这与衰老对动脉管壁的影响相一致，表明SWE技术可发现动脉的细微变化，及时识别动脉功能的减退。Wang等[19]收集了61例无颈动脉斑块的CAD患者，并根据冠状动脉狭窄程度是否大于50%，将患者分为阻塞组及非阻塞组，对比2组患者颈动脉的E值，发现阻塞组患者的E值明显大于非阻塞组，通过ROC曲线分析得出，颈动脉的E值可作为阻塞性CAD的预测指标。有学者指出利用该技术评估动脉壁僵硬度的变化可反映高血压引起的血管重构、管腔变大、弹性减低等病理性改变，同时早期发现动脉弹性的减低，对病变进行及时干预，有利于延缓心血管疾病的发生[20]。SWE技术不受探头压力及血管搏动的影响，使直接、实时、无创的评估动脉纵向弹性成为可能。但目前尚处于探索阶段，同时测量时无法勾画感兴趣区(ROI)的范围，且ROI的选择及测量结果还会受到操作者经验的影响[21]。

5 超极速超声成像脉搏波技术

超极速超声成像脉搏波(ultra-fast ultrasonic imaging pulse wave,UFPWV)技术通过快速描记动脉壁的运动方向，测得动脉收缩期开始时的PWV(PWVBS)和收缩期结束时的PWV(PWVES)，从而对局部动脉弹性功能评价。UFPWV技术是针对动脉某点血管壁的顺应性进行测量，增加了检测的准确程度，可以更加准确反映病变部位动脉的弹性功能变化，它具有可重复性强、精准度高、无需额外检测其他指标的优点，因此可作为早期评价动脉弹性功能的新型技术之一。李鑫等[22]收集了239例行冠状动脉造影检查的患者，并按检查结果将患者分为正常对照组、轻度病变组、中重度病变组，比较3组颈动脉的PWVBS、PWVES及CIMT，指出UFPWV技术可在早期识别动脉受损，并且随着病变的加重，颈动脉的PWVBS、PWVES逐渐升高。另外，有学者通过研究指出，高血压患者与健康人相比，颈动脉弹性显著减低，同时，PWVBS、PWVES与高血压级别呈正相关(r=0.466、0.342，P均=0.000)[21]。有学者利用该技术对未暴露在心血管危险因素下的健康人群颈动脉弹性进行测量，发现男性、年龄和体质量指数升高是颈动脉硬化的独立危险因素(年龄：95%CI=1.10～1.11，男性：95%CI=2.65～7.19，体质量指数：95%CI= 1.34～1.62；P均<0.05)，并指出对无心血管危险因素的健康人来说也不能忽视AS发生的可能，UFPWV可在早期识别动脉受损及其功能的减低，有助于AS的早期干预[23]。Zhu等[24]利用UFPWV技术对高脂血症患者与健康人群颈动脉的PWVBS、PWVES及CIMT进行测量，结果PWVES与年龄的相关性较好(r=0.710,P<0.001)；与健康人群比较，高脂血症患者的PWVBS、PWVES及CIMT均明显增高；另外，将高脂血症患者分为CIMT增厚组和非增厚组，发现2组患者的PWVES均高于健康对照组，以上结果说明UFPWV技术可在早期识别动脉硬化的发生并评估动脉硬化的程度。与传统的PWV检测技术相比，UFPWV技术不需测量体表脉搏波传导距离，也无需监测实时血压，大大减小了检测过程中的误差。通过UFPWV技术大样本人群的研究，该技术将有望为AS的早期识别与诊断提供理论依据，对CAD的预防、检测和治疗也有着重要的意义。然而，UFPWV技术只能测量一个心动周期的PWV，对于心率较慢的患者很难捕捉到一个完整的心动周期，在一定程度上限制了其应用范围。

6 小结与展望

动脉弹性可以在AS发生之前反映出动脉受损及功能的减低，有利于对AS病变的早期干预，减少严重心血管事件的发生[25]。同时，有文献表明颈动脉弹性可在一定程度上评估心血管病变的严重程度，对于CIS及CAD患者来说，可以通过超声弹性成像技术初步评估其病变程度，与其他影像学检查比较，在保证安全、无创的同时，还能节约时间、减少费用，为预测和评估心血管疾病的发生发展提供了新的途径。但是，目前上述各项技术在测量和评价颈动脉弹性功能方面，仍缺乏一个较为统一的测量及诊断标准，还需要进行大规模的临床研究，来制定出参考值标准和相关诊断指南。在临床评估患者颈动脉早期改变时，应尽早识别病变的发生，并结合实验室检查和临床症状进行综合分析，为早期进行临床个体化干预治疗提供较为准确的参考依据。