颈动脉窦部斑块壁面剪应力的定量分析及其影响因素

刘秋云， 陈明， 傅晓红， 江梅， 夏红卫

颈动脉粥样硬化是急性缺血性脑卒中(acute ischemic stroke,AIS)的重要病理基础，急性心脑血管事件发生与否主要取决于粥样斑块的稳定性[1]。斑块稳定性是由斑块内因和外因共同作用的结果，斑块周围的生物力学环境是重要的外因，壁面剪应力(wall shear stress,WSS)被认为是与斑块破裂最为相关的力学因素[2]。目前WSS的计算主要依靠Hagen-Poiseuille公式，但其仅能估算血管的平均WSS，且由于斑块附近的管腔几何构造不规则，Hagen-Poiseuille公式无法应用于计算斑块附近的WSS。近年来本课题组研制了能获取沿血管壁走行各点上WSS数值分布的定量分析软件，并且已运用该软件分析了健康人群颈总动脉WSS的空间分布规律[3]。目前有关颈动脉斑块WSS分布的定量分析研究较少，本研究利用剪应力分布图绘制软件定量分析颈动脉斑块附近的WSS分布情况，为了解WSS在斑块的破裂、脱落中的变化提供新的研究方法和基础数据。

材料与方法

1.研究对象

选取本院2012年9月-2018年1月间的AIS住院患者30例，全部病例经头部CT或MRI检查证实,符合1995年全国第四届脑血管病会议制定的诊断标准。AIS患者发病72 h内行颈动脉超声检查，超声提示为颈动脉单个斑块，斑块根据卫生部相关标准定义为局部病变凸入管腔厚度≥1.5 mm，纳入斑块所致面积狭窄率≤50%的患者为研究对象。纳入的30例患者均未行分流手术，无甲状腺功能紊乱引起的血流动力学改变。纳入患者均签署知情同意书，本研究通过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)。

2.检查方法

采用Philips IU22彩超仪行超声检查，采用L9-3线阵探头，探头频率为3～9 MHz。受检者检查前2 d忌食油腻食品，检查前休息10 min。超声检查由同一医师操作完成，以保证颈动脉窦部彩色多普勒血流成像(color Doppler flow imaging，CDFI)图像采集的一致性。检查时受检者取仰卧位，检查侧肩膀尽可能下垂，以最大限度暴露颈部，头部向对侧倾斜。发现颈动脉窦部斑块后测量并记录斑块凸入管腔厚度。保持多普勒帧频为20～30帧/s；在纵切面扫查血管时，确保超声切面通过血管中轴；调整Scale键让血流充满血管腔而不出现混迭与溢出。采集并保存1～3个心动周期颈动脉斑块CDFI动态图像并进行后处理分析。

3.血流WSS计算方法

根据WSS的定义，采用公式1计算血流WSS：

(1)

其中τW是WSS，单位为dyne/cm2；μ是血液粘度，单位为cp(常规取3.0cp)； γW是壁面剪应率，du/dr是速度梯度，单位均为s-1。在超声多普勒血流成像中，剪应率du/dr可以变形为公式2：

(2)

其中，Vslow是垂直于多普勒血流流动方向上靠近血管壁的血流速度，Vfast是垂直于血流流动方向上靠近Vslow的血流速度[3]，其计算原理见图1。

4.剪应力分布图绘制软件功能

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)可自动生成颈动脉斑块附近WSS的二维、三维剪应力空间分布图及动态的剪应力分布视频，自动分析得到舒张末期WSS均值。剪应力分布图绘制软件用色彩亮度代表WSS值的高低，色彩越亮，WSS值越高；色彩越暗，WSS值越低。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轴表示血管的长度，Y轴表示血管的直径，Z轴表示剪应力的大小。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。

5.斑块附近WSS空间分布及定量分析

对储存的颈动脉窦部斑块周围彩色多普勒血流图像进行脱机分析，相关研究表明63%的斑块破裂发生在斑块肩部，多见于斑块近心端[4]。所以本研究将斑块肩部作为WSS的观察区域(图2)，包括斑块肩部(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，绘制颈动脉斑块肩部近心端和远心端的WSS分布图并记录该区域的WSS平均值。

图1 WSS在超声中的计算原理，定义Vslow为多普勒血流垂直方向上靠近血管壁的血流速度，Vfast为血流流向垂直方向上靠近Vslow的血流速度，相邻两个像素之间的距离恒定，定义为d，du/dr的计算即简化为(Vfast-Vslow)/d。a) 彩色多普勒血流图； b) 血流速度直方图。

图2 斑块周围区域观察WSS的示意图。 图3 剪应力分布图绘制软件绘制颈动脉斑块附近的剪应力分布。a) 颈动脉斑块CDFI图像； b) 剪应力二维空间分布图； c) 剪应力三维空间分布图。 图4 30例AIS患者斑块肩部近心端和远心端舒张末期的WSS数据分布。 图5 斑块厚度与斑块肩部近心端WSS的相关性分析。

6.统计学分析

结 果

1.患者一般资料

30例AIS患者中，男18例，女12例，年龄54～86岁，平均年龄(70.7±10.9)岁。30例患者均合并高血压史，入院平均血压为(156.0±24.5) mmHg/(91.0±15.9) mmHg，26例血压升高，4例血压正常；17例有糖尿病史，入院平均血糖为(6.97±2.89) mmol，7例血糖异常；入院平均胆固醇为(4.46±1.20) mmol，低密度脂蛋白胆固醇为(3.04±0.95) mmol，24例血脂异常。10例有冠心病病史，16例有长期吸烟史，5例有长期酗酒史。共发现斑块30个，平均斑块厚度为(2.77±0.31) mm ，其中低回声斑块14个，高回声9个，混合回声7个。

2.剪应力分布图绘制软件显示斑块附近的剪应力分布

剪应力分布图绘制软件可绘制颈动脉斑块附近的剪应力分布(图3)，剪应力二维空间分布图去除了与WSS无关的因素，可清晰显示颈动脉壁面、斑块附近以及血管腔内的剪应力。WSS二维空间分布图可分析斑块肩部近心端、斑块肩部远心端的WSS分布情况，可见肩部近心端颜色明亮，肩部远心端颜色暗淡(图3b)。剪应力三维空间分布图以波幅形式表示剪应力的大小，可见斑块肩部近心端代表WSS值的Z轴波幅较斑块肩部远心端明显增高(图3c)。

3.斑块附近剪应力的定量分析

30例AIS患者斑块肩部近心端和远心端舒张末期的WSS数据分布见图4。定量分析结果显示，AIS患者斑块厚度为(2.77±0.31) mm，斑块肩部近心端舒张末期的WSS为(8.15±2.27) dyne/cm2，远心端舒张末期的WSS为(4.82±0.95) dyne/cm2，近心端的WSS显著大于远心端，差异有统计学意义(t=7.440，P=0.000)。

4.斑块厚度与斑块肩部近心端WSS的相关性分析

对所有AIS患者的斑块厚度与斑块肩部近心端舒张末期的WSS进行相关性分析，结果显示，斑块肩部近心端WSS与斑块厚度呈正相关(r=0.496，P=0.005，图5)。

5.斑块肩部近心端WSS影响因素的多元线性回归分析

以斑块肩部近心端舒张末期WSS为因变量，以患者年龄、性别、吸烟、酗酒、合并高血压、糖尿病、血脂异常、斑块厚度为自变量建立拟合多元线性回归模型。统计学分析结果显示，仅斑块厚度是斑块肩部近心端舒张末期WSS的影响因素，差异有统计学意义(P=0.005)，拟合方程为WSS=-1.746+3.574×斑块厚度。拟合优度R2=0.246，回归平方和为36.701，残差平方和为112.521。

讨 论

血流是由无数个极微小的流层组成的，血管内相邻两流层之间单位面积所受的切向摩擦力即为血流剪应力(shear stress,SS)[5]。WSS是单位面积上由血管表面流动的液体产生的接近管壁的切向摩擦力[6]。斑块形态、组成成份及斑块周围的生物力学环境组成了斑块所处的内外环境，影响着斑块的稳定性。WSS等生物力学环境发生改变时可能会触发斑块的破裂。本研究利用剪应力分布图绘制软件观察颈动脉斑块肩部舒张末期WSS的分布情况，旨在进一步探讨WSS对斑块破裂、脱落产生的影响。

相关研究表明急性心脑血管事件的发生主要取决于斑块的稳定性[7]，而斑块破裂是最重要的始动环节之一，所以WSS与斑块破裂间的关系越来越受到研究者的关注。相关研究表明高WSS可能与斑块破裂紧密相关[8-9]。从机械力学的观点来看，斑块破裂是由于斑块某个位置的纤维帽承受的机械力超过了其最终承受的机械力强度而导致的，高WSS的区域提示高机械应变力，会导致斑块纤维帽变薄，引导平滑肌细胞凋亡，增强了斑块的易损性[10-11]，从而可能加速斑块的破裂[12]。斑块肩部往往是纤维帽最薄弱的部位，近年来的研究表明斑块肩部是斑块附近最高WSS的常见位置，63%的斑块破裂发生在斑块肩部，且多见于斑块肩部近心端[13-14]。 因此相关学者认为斑块肩部近心端WSS对预测斑块破裂具有重要意义[15]。

然而上述研究多利用MRI或血管内超声作为WSS的检测工具，但MRI的图像分辨力有限，血管内超声普及率较低，较难在临床中大范围应用，所以剪应力的研究进展缓慢。超声具有操作简便、可重复测量、普及率高的特点，因此超声检查有望成为评估斑块附近WSS的有力工具。目前研究者多利用超声检测血管内径和血流速度，并根据Hagen-Poiseuille公式计算WSS，但该公式是基于理想状态流体的简化公式，无法观察颈动脉斑块这类管腔几何结构复杂的WSS。而本研究的剪应力分布图绘制软件是基于WSS的定义公式(1)而设计，可以定量计算颈动脉窦部斑块周围的WSS，弥补了以往超声不能观察颈动脉窦部斑块周围WSS的不足。

本研究结果显示，AIS患者颈动脉斑块肩部近心端、远心端的WSS分布不同，舒张末期斑块肩部近心端的WSS均值显著高于远心端，差异有统计学意义(P<0.05)，这与Eshtehardi等[16]的研究结论近似，该研究发现斑块肩部远心端尽管与近心端有相似的几何结构，但远心端WSS低于近心端。为了进一步分析斑块肩部近心端舒张末期WSS与斑块之间的关系，本研究对近心端WSS与斑块厚度进行了相关性分析，结果显示随着斑块厚度的逐渐增厚，近心端WSS逐渐升高，两者呈正相关(r=0.496，P=0.005)；提示斑块突入血管管腔程度越高，其肩部近心端WSS就越大，承受的机械力也越大，其破裂的风险越高。多元线性回归分析结果显示，斑块厚度是斑块肩部近心端舒张末期WSS唯一的影响因素，其拟合方程为WSS=-1.746+3.574×斑块厚度。提示对于发现颈动脉斑块的患者需格外注意斑块肩部附近的生物力学环境，因为斑块肩部近心端WSS会随着斑块厚度的增长而变化，增加斑块的易损性。

本研究存在一定不足，首先考虑到斑块所致狭窄面积程度会影响血流动力学变化，相应的斑块周围包括肩部的WSS变化会更加复杂，为排除干扰因素本研究只纳入了面积狭窄率≤50%的AIS患者，分析血流动力学较简单条件下斑块肩部近心端与远心端区域的WSS分布情况。为下一步研究斑块狭窄程度不一、血流动力学复杂多变情况下斑块肩部WSS的变化情况提供了经验和基础。其次通过本研究回归方程的拟合优度(R2=0.246)可以发现，线性回归模型存在着较大的误差，这可能是由于斑块肩部WSS还受到其他因素的影响，但该因素并没有被纳入到本研究的检测范围所致。所以后续研究还需进一步扩大样本量，尽可能采集更丰富的指标，探讨影响WSS的潜在因素。

综上所述，本研究采用剪应力分布图绘制软件进行定量分析，结果显示斑块肩部近心端WSS大于远心端，同时斑块厚度是影响斑块WSS的主要因素，有力支持了高WSS对斑块破裂起重要作用的理论，为进一步探讨WSS在斑块破裂中的作用奠定了一定基础，从而可为提出预测斑块破裂的新手段提供依据，也对预防斑块的破裂，减少心脑血管急性事件的发生具有重要意义。