超声评估动脉弹性的研究进展

徐秋晓, 刘丽娟

广东医科大学附属医院超声医学科, 广东 湛江 524001

心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)患病率和死亡率处于持续上升阶段,是我国城乡居民疾病死亡的首要原因,严重威胁人类健康[1]。动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是多种缺血性或出血性心脑血管疾病的病理基础。AS早期主要表现为动脉弹性减弱、僵硬度增加等血管功能改变,其病理基础是动脉管壁胶原纤维增加和弹力纤维蛋白断裂;随着病情进展,血管结构发生不可逆改变,主要表现为动脉内中膜增厚,斑块形成,管腔狭窄甚至闭塞,从而引发一系列心脑血管事件,严重危及生命。研究证实,主动脉僵硬度增加是CVD发病和死亡的独立危险因子,未来心血管事件和全因死亡率的预测因子[2]。早期发现AS,延缓其进展,对遏制心脑血管疾病发病率和死亡率的增长具有重要的意义。因此,基于对疾病早期防治的意义,动脉弹性功能改变已成为当今心脑血管疾病防治领域的研究热点之一。超声成像技术能获取动脉扩张性、顺应性、脉搏波传导速度(pulse wave velocity,PWV)或弹性模量等动脉弹性功能参数,是临床上判断早期AS的主要方法。本文就不同超声技术评估动脉弹性的研究进展进行综述。

1 超声检测动脉弹性的方法

1.1 脉搏波传导速度测量方法

心脏周期性收缩射血,扩张主动脉壁产生压力波,并以一定的速度沿着动脉壁向前传播至整个动脉系统,这种压力波称为脉搏波,其向前传导的速度称为脉搏波传导速度,常用于评估动脉弹性。在增龄、高血压等因素的影响下,血管壁纤维组织不断增生,动脉弹性减弱,顺应性降低,僵硬度增加,PWV增快。目前大多研究是通过压力传感器测量PWV,仅限于体表可触及的动脉且结果只能获得PWV值。基于超声成像测量PWV,不仅可以观察到深部动脉,还能获取血管结构及血流动力学参数,评估AS病变更直观、全面。

1.1.1PWV经典测量方法

经典方法通过测量脉搏波在动脉系统两点间的传播时间差(ΔT)和体表直线距离(L),利用公式PWV(m/s)=L/ΔT,可获得颈-股动脉PWV(cf-PWV)、肱-踝动脉PWV(ba-PWV)、颈-桡动脉PWV(cr-PWV)等。其中cf-PWV被视为评估动脉僵硬度的“金标准”,cf-PWV增加是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)患者未来不良心血管事件发生和死亡的独立危险因子[3,4]。我国和欧洲的ESC/ESH高血压管理指南均把cf-PWV作为靶器官损害指标,辅助高血压患者心血管风险分层[5,6]。

近年推出的全身动脉僵硬度自动测量系统(automatic measurement of arterial stiffness,AMAS)采用心电图门控的方法,基于右颈总动脉和右股总动脉超声频谱多普勒成像自动测量ΔT,输入L后,系统会自动计算cf-PWV,从而反映整体动脉僵硬度。有研究已证明,AMAS系统测量cf-PWV准确性高,与传统手动法相比,具有可行性高和简便省时的优点,为临床提供一种安全无创、快速可靠的动脉僵硬度评估方法[7]。该方法能发现高血压、骨关节炎患者的cf-PWV显著增快,提示患者早期动脉功能损害[8,9]。此外,梁潇等[10]应用AMAS系统测量糖尿病前期人群不同节段PWV,认为在糖尿病发展过程中,主动脉相对于外周动脉优先硬化,提示该人群的CVD高发风险以及早期干预的必要性。

综上,AMAS系统是一项自动测量cf-PWV的新兴技术,在检测早期AS具有很大的潜能,但是目前尚未建立cf-PWV的超声正常参考值和诊断AS的临界值,限制了临床推广应用。此外,经典方法中L的测量忽略了血管曲折性,不能代表血管的真实长度,而且该方法无法反映血管局部生物力学特性,具有一定的局限性。

1.1.2局部血管PWV测量方法

血管回声跟踪(echo tracking,ET)技术:ET技术能实时跟踪并描记血管前后壁的运动轨迹并以曲线形式显示,自动计算血管内径在心动周期内的变化,并结合即时血压,从而推导出多个反映局部动脉弹性的参数,包括:压力-应变弹性系数(Ep)、硬化参数(β)、顺应性(AC)、单点脉搏波传导速度(PWVβ)、膨大指数(AI)。该方法需要输入血压值,而即时血压会受多种不稳定因素影响而波动,影响了准确性和可重复性。

超声射频数据处理技术:该技术配有血管内-中膜精准测量(quality intima-media thickness,QIMT)和血管硬度定量分析(quality artificial stiffness,QAS)软件,通过对采集到的超声原始射频信号(radio frequency,RF)进行分析、自动计算动脉内中膜厚度(intima-media thickness,IMT)、PWV、硬化参数(β)、顺应性系数(CC)、扩张系数(DC)等相关参数,从而定量评估血管的结构和功能。该方法基于RF信号直接进行分析计算,与成像无关,手法依赖性低,结果精确度可达微米级,但需要特定的仪器来完成。Xiao等[11]提出了深度学习方法来处理RF信号,充分利用了振幅和相位信息,达到精准追踪分析血管壁运动的目的。

超声极速成像脉搏波(ultrafast ultrasound imaging pulse wave velocity,UF-PWV)技术:以超高帧频实时跟踪并记录动脉特定节段的运动轨迹,据此自动计算局部血管收缩早期PWV(PWV-BS)及收缩末期PWV(PWV-ES)。PWV-ES敏感性高于PWV-BS,可能是由于左心室快速射血驱动的收缩期早期扩张阻碍了对血管壁僵硬度微小差异的检测,收缩晚期测量精度优于收缩早期[12-14]。一项国内UF-PWV多中心研究首次报道了不同年龄段的正常参考值,同时验证了UF-PWV技术的可重复性和稳定性,为今后的临床应用研究提供了高质量的参考指标[12]。UF-PWV技术只能计算单个心动周期的数据,不适用于心动过缓患者。

脉搏波成像(pulse wave imaging,PWI)技术:通过对超声RF信号的处理,显示不同位置血管壁的运动曲线,检测出曲线之间的延迟(脉搏波传播时间),以及超声图像上测量的传播距离,从而估算出区域PWV,并且采用彩色编码技术实时可视化脉搏波的传播模式,有助于诊断动脉瘤等局部血管病变[15]。自适应方法学进一步优化了PWI技术,能有效监测动脉壁重塑导致的AS不均匀变化过程以及识别动脉瘤的累及范围[16]。此外,四维PWI技术能提供全面的、与角度无关的血管视图,弥补了迂曲血管错误跟踪的不足[17]。以上优化模式均提高了PWV测量的准确性和稳定性。

PWV的临床意义主要体现为以下3个方面:一是发现IMT尚未增厚的早期AS。除了糖尿病、高血压等常见慢性病,近年也有研究[18,19]指出尿毒症、烟雾病患者血管功能减退发生于结构改变之前。Sanz-Miralles等[20]采用PWI技术检测出牙周炎患者脉搏波沿颈动脉不均匀传播,证明牙周炎引起了动脉损伤。二是判断疾病的进展情况,辅助CVD风险分层,筛选和管理高风险人群。Zhu等[13]研究发现,相对于颈动脉内中膜厚度(carotid intima-media thickness,c-IMT)和PWV-BS,PWV-ES与SCORE模型的心血管风险类别相关性更强,且PWV-ES预测心血管风险的作用独立于性别、收缩压、总胆固醇和吸烟,是评估心血管风险分层的有希望的指标。姬永浩等[21]发现随着原发性高血压危险分层升高,c-IMT、β及PWV增大,DC及CC减小(均P<0.001),QIMT及QAS技术可为高血压患者的危险性分层提供参考依据。三是评估临床治疗疗效。Zhang等[22]指出ET技术能评估成功戒烟后颈动脉弹性的改善情况,改善程度具有时间累积效应,合并有高血压、高血糖或高血脂的受试者改善慢。孙雪婷等[23]研究发现,阻塞性睡眠呼吸暂停患者持续气道正压通气(continuous positive airway pressure,CPAP)治疗前后,c-IMT差异无统计学意义,而PWV-BS、PWV-ES显著降低(P<0.05),说明了UF-PWV技术评价CPAP逆转AS的疗效更敏感。黄春旺等[24]研究表明QIMT及QAS技术能监测高血脂患者治疗前后的颈动脉结构和弹性功能的变化,辅助临床评估他汀类降脂药的疗效。除了应用于颈动脉,ET、QIMT及QAS技术也可以应用于股动脉弹性研究[25,26]。

1.2 斑点追踪技术和速度向量成像技术

斑点追踪超声心动图(speckle tracking echocardiography,STE)技术和速度向量成像(velocity vector imaging,VVI)技术以斑点追踪为主要成像原理,实时跟踪每帧图像上感兴趣组织的像素的运动轨迹,自动分析计算该组织纵向、径向、环向的速度、应变参数,从而全面评估该组织的生物力学特性及功能变化,具有无角度依赖的优点。

STE和VVI技术较多应用于评估心肌运动,用于评估血管弹性的研究近年来逐渐有报道。Jin等[27]研究发现VVI技术评估颈动脉径向、周向及纵向的应变、速度、位移参数是可行的,且在T2DM患者中,合并微血管并发症组的各种VVI参数均明显低于无合并症组(P<0.001),说明VVI技术可以反映T2DM患者动脉损伤情况,是预测血管并发症的有希望的替代方法。高血压导致动脉弹性减退,引起主动脉不可逆扩张,甚至动脉瘤或夹层形成。Wu等[28]应用二维STE技术测量升主动脉前壁纵向应变(AW-LS)、后壁纵向应变(PW-LS),结果显示随着管腔扩张和A型主动脉夹层(AAD)发生,高血压患者的AW-LS、PW-LS、Mean LS(AW-LS和PW-LS的平均值)显著降低,Mean LS与脉压是AAD的独立预测因子,Mean LS与脉压联合明显提高预测效能(AUC 0.926,敏感性95.0%,特异性82.5%),早期警惕高血压患者并发AAD。此外,超声二维应变成像能有效评价T2DM的规范化治疗对周围动脉,尤其中小动脉功能的影响,有效评价规范化治疗效果以及监测血管并发症的进展情况[29]。

颈动脉外膜易受呼吸和周围组织牵拉等影响,所以传统应变技术勾画感兴趣区易存在偏差。基于STE技术的最新的分层应变成像,在颈动脉内膜清晰可辨的前提下,可单独获取血管内膜正向收缩环向峰值应变,排除了颈动脉外膜勾画和追踪其运动轨迹时存在的误差,可提高准确性[30]。然而该技术通常用于分析心室壁内、中、外层的心肌应变,尚待更多高质量研究进一步验证其评估动脉弹性的可行性及临床价值。另外,动态向量血流成像(V-Flow)技术能实时评估颈总动脉的壁剪切应力,也是一种评估动脉功能的超声新技术,具有简便快速,与角度无关的优势[31]。

1.3 超声弹性成像技术

超声弹性成像技术能计算感兴趣区组织受激励后的形变程度,并在灰阶图像上可视化该区域硬度,定性或定量分析正常与病变组织的硬度,达到超声诊断或鉴别诊断的目的。根据测量的物理量不同和施加激励的方式不同,可以分为应变弹性成像、声脉冲辐射力弹性成像(acoustic radiation force impulse imaging,ARFI)、剪切波弹性成像(shear wave elastography,SWE)以及瞬时弹性成像(transient elastography,TE)。

超声弹性成像技术在浅表、腹部器官等研究中应用广泛且较为成熟,其可行性也得到国内外学者的认可,但用于评估动脉弹性仍处于研究阶段。Alyami等[32]验证了SWE技术评估动脉僵硬度的可行性,并且提供了健康人颈总动脉的杨氏模量估计值为58 kPa。Alan等[33]应用ARFI技术评估冠心病组和健康对照组的颈动脉弹性,结果发现冠心病组颈动脉平均剪切波速度明显高于健康对照组(P<0.001),说明颈动脉弹性指标能间接反映冠状动脉的病变。杨寒凝等[34]运用SWE及UF-PWV技术分别在纵向和环向评价了不同级别高血压患者颈总动脉壁弹性,发现随着高血压级别升高,颈总动脉壁的纵向及环向僵硬度均呈增高趋势,且两者具有一致性,这对高血压的分级诊断及风险分层具有参考价值。郭岩等[35]研究初步肯定了颈动脉超声弹性成像在评估头颈部肿瘤放疗疗效以及监测放疗对心血管健康影响的临床价值。

大多数研究只是基于血管的纵向截面上,忽略了周向变化,因此不能准确全面地评估动脉弹性。He等[36]提出一种能实现血管横截面剪切波成像的新方法,并通过体外模型实验、体内研究,初步验证了该方法的可行性。三维成像弥补了二维成像的不足,更客观显示血管的立体结构和形态,为临床提供更丰富的信息,因此,三维弹性成像评估血管病变可能是一种有前途的模式。

2 血管结构与弹性功能参数的相关性

c-IMT增厚被广泛视为早期AS的标志。IMT能否改善心血管危险分层或预测未来心血管事件尚存在争议[37,38],仍需要在测量规范化的前提下进一步研究。自动化识别测量IMT,如上述的QIMT技术,有效解决了人为手动操作的主观性问题,为标准化测量IMT提供了一个可靠的方案。

AS始于且主要累及动脉内膜,检测内膜厚度(intima thickness,IT)更贴切AS的病理改变。有研究证明,24 MHz高分辨率超声探头能清晰显示并准确测量IT,IT较IMT对传统因素诊断CVD的增量作用更显著[39,40]。

血管内皮功能障碍通常表现为一氧化氮介导的内皮细胞依赖性舒张受损,是AS的始动因素以及早期AS的标志[41]。肱动脉血流介导的血管舒张(flow-mediated dilation,FMD)是超声常用的无创检测血管内皮功能的方法。Jin等[27]研究发现VVI参数与FMD值均显著相关,认为颈动脉弹性减退导致了血管内皮功能受损,但仍需更多研究证明。

血管结构和弹性功能参数之间的相关性尚未定论。Pan等[42]认为T2DM患者颈动脉功能改变与IMT增厚可能不平行。朱敏等[43]研究表明随着T2DM患者c-IMT的逐渐增厚,弹性功能随之减低。这些相互矛盾的结果可能是因为测量方案不同。AS是功能与结构损害共存的病变,而且在临床工作中确实会遇到虽存在CVD高危因素但颈动脉超声结构参数尚处于正常范围内的人群,此时联合评估动脉弹性更有意义。因此,联合血管结构与功能参数能综合反映心血管的病理生理学变化,更有效识别AS高风险人群。

3 总结与展望

心脑血管疾病防控形势仍非常严峻,超声监测动脉弹性为心脑血管疾病防治工作提供了新视角和临床思路,主要体现在以下方面:(1)发现早期AS,延缓AS进展;(2)筛选和管理AS高危人群,降低CVD的发生率和死亡率;(3)判断病情的进展或控制情况;(4)评估心脑血管疾病发生风险及预后;(5)指导临床个体化诊疗策略及评价疗效。近年来研究表明[44,45],股动脉超声也能预测心血管事件甚至可能优于颈动脉。因此,股动脉在动脉粥样硬化性心血管疾病中的临床价值值得关注并继续深入探讨。目前各项超声新技术尚缺乏统一的测量及诊断标准,需进一步研究来制定相关指南,促进动脉弹性功能临床推广应用。不同部位动脉及不同超声弹性参数改善传统心血管风险评估模型对个体风险分类的能力,仍需基于大数据的多中心、前瞻性研究来进一步验证。