超聲評估動脈彈性的研究進展

徐秋曉, 劉麗娟

廣東醫科大學附屬醫院超聲醫學科, 廣東 湛江 524001

心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)患病率和死亡率處于持續上升階段,是我國城鄉居民疾病死亡的首要原因,嚴重威脅人類健康[1]。動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是多種缺血性或出血性心腦血管疾病的病理基礎。AS早期主要表現為動脈彈性減弱、僵硬度增加等血管功能改變,其病理基礎是動脈管壁膠原纖維增加和彈力纖維蛋白斷裂;隨著病情進展,血管結構發生不可逆改變,主要表現為動脈內中膜增厚,斑塊形成,管腔狹窄甚至閉塞,從而引發一系列心腦血管事件,嚴重危及生命。研究證實,主動脈僵硬度增加是CVD發病和死亡的獨立危險因子,未來心血管事件和全因死亡率的預測因子[2]。早期發現AS,延緩其進展,對遏制心腦血管疾病發病率和死亡率的增長具有重要的意義。因此,基于對疾病早期防治的意義,動脈彈性功能改變已成為當今心腦血管疾病防治領域的研究熱點之一。超聲成像技術能獲取動脈擴張性、順應性、脈搏波傳導速度(pulse wave velocity,PWV)或彈性模量等動脈彈性功能參數,是臨床上判斷早期AS的主要方法。本文就不同超聲技術評估動脈彈性的研究進展進行綜述。

1 超聲檢測動脈彈性的方法

1.1 脈搏波傳導速度測量方法

心臟周期性收縮射血,擴張主動脈壁產生壓力波,并以一定的速度沿著動脈壁向前傳播至整個動脈系統,這種壓力波稱為脈搏波,其向前傳導的速度稱為脈搏波傳導速度,常用于評估動脈彈性。在增齡、高血壓等因素的影響下,血管壁纖維組織不斷增生,動脈彈性減弱,順應性降低,僵硬度增加,PWV增快。目前大多研究是通過壓力傳感器測量PWV,僅限于體表可觸及的動脈且結果只能獲得PWV值?；诔暢上駵y量PWV,不僅可以觀察到深部動脈,還能獲取血管結構及血流動力學參數,評估AS病變更直觀、全面。

1.1.1PWV經典測量方法

經典方法通過測量脈搏波在動脈系統兩點間的傳播時間差(ΔT)和體表直線距離(L),利用公式PWV(m/s)=L/ΔT,可獲得頸-股動脈PWV(cf-PWV)、肱-踝動脈PWV(ba-PWV)、頸-橈動脈PWV(cr-PWV)等。其中cf-PWV被視為評估動脈僵硬度的“金標準”,cf-PWV增加是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)患者未來不良心血管事件發生和死亡的獨立危險因子[3,4]。我國和歐洲的ESC/ESH高血壓管理指南均把cf-PWV作為靶器官損害指標,輔助高血壓患者心血管風險分層[5,6]。

近年推出的全身動脈僵硬度自動測量系統(automatic measurement of arterial stiffness,AMAS)采用心電圖門控的方法,基于右頸總動脈和右股總動脈超聲頻譜多普勒成像自動測量ΔT,輸入L后,系統會自動計算cf-PWV,從而反映整體動脈僵硬度。有研究已證明,AMAS系統測量cf-PWV準確性高,與傳統手動法相比,具有可行性高和簡便省時的優點,為臨床提供一種安全無創、快速可靠的動脈僵硬度評估方法[7]。該方法能發現高血壓、骨關節炎患者的cf-PWV顯著增快,提示患者早期動脈功能損害[8,9]。此外,梁瀟等[10]應用AMAS系統測量糖尿病前期人群不同節段PWV,認為在糖尿病發展過程中,主動脈相對于外周動脈優先硬化,提示該人群的CVD高發風險以及早期干預的必要性。

綜上,AMAS系統是一項自動測量cf-PWV的新興技術,在檢測早期AS具有很大的潛能,但是目前尚未建立cf-PWV的超聲正常參考值和診斷AS的臨界值,限制了臨床推廣應用。此外,經典方法中L的測量忽略了血管曲折性,不能代表血管的真實長度,而且該方法無法反映血管局部生物力學特性,具有一定的局限性。

1.1.2局部血管PWV測量方法

血管回聲跟蹤(echo tracking,ET)技術:ET技術能實時跟蹤并描記血管前后壁的運動軌跡并以曲線形式顯示,自動計算血管內徑在心動周期內的變化,并結合即時血壓,從而推導出多個反映局部動脈彈性的參數,包括:壓力-應變彈性系數(Ep)、硬化參數(β)、順應性(AC)、單點脈搏波傳導速度(PWVβ)、膨大指數(AI)。該方法需要輸入血壓值,而即時血壓會受多種不穩定因素影響而波動,影響了準確性和可重復性。

超聲射頻數據處理技術:該技術配有血管內-中膜精準測量(quality intima-media thickness,QIMT)和血管硬度定量分析(quality artificial stiffness,QAS)軟件,通過對采集到的超聲原始射頻信號(radio frequency,RF)進行分析、自動計算動脈內中膜厚度(intima-media thickness,IMT)、PWV、硬化參數(β)、順應性系數(CC)、擴張系數(DC)等相關參數,從而定量評估血管的結構和功能。該方法基于RF信號直接進行分析計算,與成像無關,手法依賴性低,結果精確度可達微米級,但需要特定的儀器來完成。Xiao等[11]提出了深度學習方法來處理RF信號,充分利用了振幅和相位信息,達到精準追蹤分析血管壁運動的目的。

超聲極速成像脈搏波(ultrafast ultrasound imaging pulse wave velocity,UF-PWV)技術:以超高幀頻實時跟蹤并記錄動脈特定節段的運動軌跡,據此自動計算局部血管收縮早期PWV(PWV-BS)及收縮末期PWV(PWV-ES)。PWV-ES敏感性高于PWV-BS,可能是由于左心室快速射血驅動的收縮期早期擴張阻礙了對血管壁僵硬度微小差異的檢測,收縮晚期測量精度優于收縮早期[12-14]。一項國內UF-PWV多中心研究首次報道了不同年齡段的正常參考值,同時驗證了UF-PWV技術的可重復性和穩定性,為今后的臨床應用研究提供了高質量的參考指標[12]。UF-PWV技術只能計算單個心動周期的數據,不適用于心動過緩患者。

脈搏波成像(pulse wave imaging,PWI)技術:通過對超聲RF信號的處理,顯示不同位置血管壁的運動曲線,檢測出曲線之間的延遲(脈搏波傳播時間),以及超聲圖像上測量的傳播距離,從而估算出區域PWV,并且采用彩色編碼技術實時可視化脈搏波的傳播模式,有助于診斷動脈瘤等局部血管病變[15]。自適應方法學進一步優化了PWI技術,能有效監測動脈壁重塑導致的AS不均勻變化過程以及識別動脈瘤的累及范圍[16]。此外,四維PWI技術能提供全面的、與角度無關的血管視圖,彌補了迂曲血管錯誤跟蹤的不足[17]。以上優化模式均提高了PWV測量的準確性和穩定性。

PWV的臨床意義主要體現為以下3個方面:一是發現IMT尚未增厚的早期AS。除了糖尿病、高血壓等常見慢性病,近年也有研究[18,19]指出尿毒癥、煙霧病患者血管功能減退發生于結構改變之前。Sanz-Miralles等[20]采用PWI技術檢測出牙周炎患者脈搏波沿頸動脈不均勻傳播,證明牙周炎引起了動脈損傷。二是判斷疾病的進展情況,輔助CVD風險分層,篩選和管理高風險人群。Zhu等[13]研究發現,相對于頸動脈內中膜厚度(carotid intima-media thickness,c-IMT)和PWV-BS,PWV-ES與SCORE模型的心血管風險類別相關性更強,且PWV-ES預測心血管風險的作用獨立于性別、收縮壓、總膽固醇和吸煙,是評估心血管風險分層的有希望的指標。姬永浩等[21]發現隨著原發性高血壓危險分層升高,c-IMT、β及PWV增大,DC及CC減小(均P<0.001),QIMT及QAS技術可為高血壓患者的危險性分層提供參考依據。三是評估臨床治療療效。Zhang等[22]指出ET技術能評估成功戒煙后頸動脈彈性的改善情況,改善程度具有時間累積效應,合并有高血壓、高血糖或高血脂的受試者改善慢。孫雪婷等[23]研究發現,阻塞性睡眠呼吸暫?；颊叱掷m氣道正壓通氣(continuous positive airway pressure,CPAP)治療前后,c-IMT差異無統計學意義,而PWV-BS、PWV-ES顯著降低(P<0.05),說明了UF-PWV技術評價CPAP逆轉AS的療效更敏感。黃春旺等[24]研究表明QIMT及QAS技術能監測高血脂患者治療前后的頸動脈結構和彈性功能的變化,輔助臨床評估他汀類降脂藥的療效。除了應用于頸動脈,ET、QIMT及QAS技術也可以應用于股動脈彈性研究[25,26]。

1.2 斑點追蹤技術和速度向量成像技術

斑點追蹤超聲心動圖(speckle tracking echocardiography,STE)技術和速度向量成像(velocity vector imaging,VVI)技術以斑點追蹤為主要成像原理,實時跟蹤每幀圖像上感興趣組織的像素的運動軌跡,自動分析計算該組織縱向、徑向、環向的速度、應變參數,從而全面評估該組織的生物力學特性及功能變化,具有無角度依賴的優點。

STE和VVI技術較多應用于評估心肌運動,用于評估血管彈性的研究近年來逐漸有報道。Jin等[27]研究發現VVI技術評估頸動脈徑向、周向及縱向的應變、速度、位移參數是可行的,且在T2DM患者中,合并微血管并發癥組的各種VVI參數均明顯低于無合并癥組(P<0.001),說明VVI技術可以反映T2DM患者動脈損傷情況,是預測血管并發癥的有希望的替代方法。高血壓導致動脈彈性減退,引起主動脈不可逆擴張,甚至動脈瘤或夾層形成。Wu等[28]應用二維STE技術測量升主動脈前壁縱向應變(AW-LS)、后壁縱向應變(PW-LS),結果顯示隨著管腔擴張和A型主動脈夾層(AAD)發生,高血壓患者的AW-LS、PW-LS、Mean LS(AW-LS和PW-LS的平均值)顯著降低,Mean LS與脈壓是AAD的獨立預測因子,Mean LS與脈壓聯合明顯提高預測效能(AUC 0.926,敏感性95.0%,特異性82.5%),早期警惕高血壓患者并發AAD。此外,超聲二維應變成像能有效評價T2DM的規范化治療對周圍動脈,尤其中小動脈功能的影響,有效評價規范化治療效果以及監測血管并發癥的進展情況[29]。

頸動脈外膜易受呼吸和周圍組織牽拉等影響,所以傳統應變技術勾畫感興趣區易存在偏差?；赟TE技術的最新的分層應變成像,在頸動脈內膜清晰可辨的前提下,可單獨獲取血管內膜正向收縮環向峰值應變,排除了頸動脈外膜勾畫和追蹤其運動軌跡時存在的誤差,可提高準確性[30]。然而該技術通常用于分析心室壁內、中、外層的心肌應變,尚待更多高質量研究進一步驗證其評估動脈彈性的可行性及臨床價值。另外,動態向量血流成像(V-Flow)技術能實時評估頸總動脈的壁剪切應力,也是一種評估動脈功能的超聲新技術,具有簡便快速,與角度無關的優勢[31]。

1.3 超聲彈性成像技術

超聲彈性成像技術能計算感興趣區組織受激勵后的形變程度,并在灰階圖像上可視化該區域硬度,定性或定量分析正常與病變組織的硬度,達到超聲診斷或鑒別診斷的目的。根據測量的物理量不同和施加激勵的方式不同,可以分為應變彈性成像、聲脈沖輻射力彈性成像(acoustic radiation force impulse imaging,ARFI)、剪切波彈性成像(shear wave elastography,SWE)以及瞬時彈性成像(transient elastography,TE)。

超聲彈性成像技術在淺表、腹部器官等研究中應用廣泛且較為成熟,其可行性也得到國內外學者的認可,但用于評估動脈彈性仍處于研究階段。Alyami等[32]驗證了SWE技術評估動脈僵硬度的可行性,并且提供了健康人頸總動脈的楊氏模量估計值為58 kPa。Alan等[33]應用ARFI技術評估冠心病組和健康對照組的頸動脈彈性,結果發現冠心病組頸動脈平均剪切波速度明顯高于健康對照組(P<0.001),說明頸動脈彈性指標能間接反映冠狀動脈的病變。楊寒凝等[34]運用SWE及UF-PWV技術分別在縱向和環向評價了不同級別高血壓患者頸總動脈壁彈性,發現隨著高血壓級別升高,頸總動脈壁的縱向及環向僵硬度均呈增高趨勢,且兩者具有一致性,這對高血壓的分級診斷及風險分層具有參考價值。郭巖等[35]研究初步肯定了頸動脈超聲彈性成像在評估頭頸部腫瘤放療療效以及監測放療對心血管健康影響的臨床價值。

大多數研究只是基于血管的縱向截面上,忽略了周向變化,因此不能準確全面地評估動脈彈性。He等[36]提出一種能實現血管橫截面剪切波成像的新方法,并通過體外模型實驗、體內研究,初步驗證了該方法的可行性。三維成像彌補了二維成像的不足,更客觀顯示血管的立體結構和形態,為臨床提供更豐富的信息,因此,三維彈性成像評估血管病變可能是一種有前途的模式。

2 血管結構與彈性功能參數的相關性

c-IMT增厚被廣泛視為早期AS的標志。IMT能否改善心血管危險分層或預測未來心血管事件尚存在爭議[37,38],仍需要在測量規范化的前提下進一步研究。自動化識別測量IMT,如上述的QIMT技術,有效解決了人為手動操作的主觀性問題,為標準化測量IMT提供了一個可靠的方案。

AS始于且主要累及動脈內膜,檢測內膜厚度(intima thickness,IT)更貼切AS的病理改變。有研究證明,24 MHz高分辨率超聲探頭能清晰顯示并準確測量IT,IT較IMT對傳統因素診斷CVD的增量作用更顯著[39,40]。

血管內皮功能障礙通常表現為一氧化氮介導的內皮細胞依賴性舒張受損,是AS的始動因素以及早期AS的標志[41]。肱動脈血流介導的血管舒張(flow-mediated dilation,FMD)是超聲常用的無創檢測血管內皮功能的方法。Jin等[27]研究發現VVI參數與FMD值均顯著相關,認為頸動脈彈性減退導致了血管內皮功能受損,但仍需更多研究證明。

血管結構和彈性功能參數之間的相關性尚未定論。Pan等[42]認為T2DM患者頸動脈功能改變與IMT增厚可能不平行。朱敏等[43]研究表明隨著T2DM患者c-IMT的逐漸增厚,彈性功能隨之減低。這些相互矛盾的結果可能是因為測量方案不同。AS是功能與結構損害共存的病變,而且在臨床工作中確實會遇到雖存在CVD高危因素但頸動脈超聲結構參數尚處于正常范圍內的人群,此時聯合評估動脈彈性更有意義。因此,聯合血管結構與功能參數能綜合反映心血管的病理生理學變化,更有效識別AS高風險人群。

3 總結與展望

心腦血管疾病防控形勢仍非常嚴峻,超聲監測動脈彈性為心腦血管疾病防治工作提供了新視角和臨床思路,主要體現在以下方面:(1)發現早期AS,延緩AS進展;(2)篩選和管理AS高危人群,降低CVD的發生率和死亡率;(3)判斷病情的進展或控制情況;(4)評估心腦血管疾病發生風險及預后;(5)指導臨床個體化診療策略及評價療效。近年來研究表明[44,45],股動脈超聲也能預測心血管事件甚至可能優于頸動脈。因此,股動脈在動脈粥樣硬化性心血管疾病中的臨床價值值得關注并繼續深入探討。目前各項超聲新技術尚缺乏統一的測量及診斷標準,需進一步研究來制定相關指南,促進動脈彈性功能臨床推廣應用。不同部位動脈及不同超聲彈性參數改善傳統心血管風險評估模型對個體風險分類的能力,仍需基于大數據的多中心、前瞻性研究來進一步驗證。