二维斑点追踪技术对正常成人主动脉根部生物力学的评估价值

裴勇凯 吴 娟 王艳丽 龚 敏 冀加美 武 俊

主动脉根部包括主动脉瓣环、主动脉窦和主动脉瓣叶［1］。主动脉根部具有强大的生物力学功能，每年可有效地承载超过3000万次的心脏容量循环［2］，承受着巨大的压力和应力。在这样的血流动力学基础下，主动脉壁胶原纤维的疲劳和断裂会引起主动脉根部不同程度的变性与硬化，严重时将导致主动脉疾病的发生，危及患者生命。近年来，主动脉疾病的发病率及死亡率逐步升高，严重威胁着人类的生活质量及健康。许多累及主动脉根部的外科手术及微创治疗均取缔了主动脉窦部，改变了人工主动脉瓣膜周围的血流动力学，与人工瓣膜的衰败密切相关［3］。因此，研究正常成人主动脉根部与左室的耦联作用对探究病理状态下主动脉根部疾病的发生与转归、主动脉根部手术方式的改良及人工瓣膜的设计具有重要意义。目前，有多种影像学手段可以对主动脉根部进行生物力学评估，其中二维斑点追踪（2D-STE）技术可以对心肌运动和形变变量进行计算，且无角度依赖性，目前已逐渐用于血管壁应变评估。本研究应用2D-STE评估正常成人主动脉根部的纵向应变（LS）、纵向应变率（LSR）及其曲线的波形特征，分析其与年龄、每搏量、血压（收缩压、舒张压、脉压）和左室功能的相关性。

资料与方法

一、研究对象

收集2019年3月至2020年11月在我院体检的健康志愿者208例，其中男109例，女99例，平均（41.2±12.7）岁。按年龄分为20～30岁组（53例）、＞30～40岁组（54例）、＞40～50岁组（49例）、＞50岁组（52例）。排除标准：①现在或既往接受心脏药物治疗；②有心血管危险因素；③缺血性心肌病或心脏瓣膜病、脑血管或外周血管疾病、心律失常、慢性肺疾病；④超声图像质量不佳者。本研究经我院医学伦理委员会批准，所有研究对象均签署知情同意书。

二、仪器与方法

1.超声检查：使用Philips EPIQ 7C彩色多普勒超声诊断仪，X5-1探头，频率1～5 MHz。受检者取左侧卧位，并连接同步心电图。分别于胸骨旁左室长轴切面，以及心尖两腔、三腔和四腔切面采集超声图像；于胸骨旁左室长轴切面测量主动脉窦各径线，于舒张末期测量主动脉窦最大高度、收缩末期测量主动脉窦最小高度。应用双平面Simpson法测定左室射血分数（LVEF）和每搏量（SV），计算每搏量指数（SVI）。以上操作均由同一超声医师完成。

2.图像分析：使用QLAB 10.5脱机分析软件，分别于心尖两腔、三腔及四腔切面测量左室整体纵向应变（LVGLS）。由于主动脉窦部的非线性特点，为了使其LS测量更为精确，首次将主动脉窦部分为4节段进行测量：即主动脉窦部前壁瓣环侧（从主动脉前壁瓣环处到主动脉前壁窦部顶点）、主动脉窦部前壁窦管交界侧（从主动脉前壁窦部顶点到主动脉前壁窦管交界处）、主动脉窦部后壁瓣环侧（从主动脉后壁瓣环处到主动脉后壁窦部顶点）、主动脉窦部后壁窦管交界侧（从主动脉后壁窦部顶点到主动脉后壁窦管交界处）。对主动脉窦部各分段进行手动描记，将取样点放在主动脉壁的内膜面并手动进行调整，以确保感兴趣区（ROI）正确跟踪管壁，见图1。系统自动分析生成相应节段LS及LSR曲线，测定主动脉窦4个节段的LS。所有数据均重复测量3次取其均值。

图1 选择用户自定义的ROI线性轮廓追踪主动脉壁。LV：左室；RV：右室；AO：主动脉

3.重复性检测：每组随机选择10例参与者，由同一观察者在初始测量14 d后重复测量进行观察者内重复性检验；另选一对先前测量结果不知情的观察者进行再次测量，进行观察者间重复性检验。

三、统计学处理

应用SPSS 24.0统计软件，计量资料以±s表示，组间比较采用单因素方差分析；计数资料以例或率表示，组间比较行χ2检验。LVGLS、SVI、血压与收缩期LSR值的相关性分析采用Pearson相关分析法。LS和LSR的观察者间和观察者内重复性检验采用Bland-Altman法。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

一、正常成人主动脉窦部LS及LSR曲线特征

1.主动脉窦瓣环侧前、后壁的LS曲线趋势相似（图2A），曲线位于基线上方，LS峰值为正值。等容收缩期和快速射血期表现为急剧上升，随后出现相对缓慢的上升分支，直到等容舒张期结束时出现峰值；在快速充盈期波形呈下降趋势，在减慢充盈期波形呈缓慢下降趋势。此外，在心房收缩期可见一个小峰值的切迹。其对应的LSR图见图2B。

2.主动脉窦窦管交界侧前、后壁的LS曲线趋势相似（图2C），曲线基本位于基线下方，LS峰值为负值。等容收缩期和快速射血期波形均呈短暂上升趋势，随后于减慢收缩期迅速下降，直至主动脉瓣关闭前达最低点。在舒张早期再次上升，之后缓慢下降。此外，在心房收缩期也有一个小切迹。其对应的LSR图见图2D。

图2 20～30岁组主动脉窦局部LS和LSR曲线图

二、各组一般资料比较

各组性别、体表面积及血压比较差异均无统计学意义；仅年龄比较差异有统计学意义（P＜0.001）。见表1。

表1 各组一般资料比较

三、各组常规超声参数及主动脉根部LS、LSR比较

正常成人各组间主动脉窦整体LS和升主动脉整体LS比较差异均有统计学意义（均P＜0.001），其中20～30岁组与＞30～40岁组、＞40～50岁组、＞50岁组比较差异均有统计学意义（均P＜0.05），＞30～40岁组与＞40～50岁组、＞50岁组比较差异均有统计学意义（均P＜0.05），＞40～50岁组与＞50岁组比较差异有统计学意义（均P＜0.001）；各组收缩期、舒张期LSR比较均无统计学意义。各组LVEF、LVGLS、SVI比较差异均无统计学意义（均P＜0.001）。见表2。

表2 各组常规超声参数及主动脉根部LS、LSR比较（±s）

表2 各组常规超声参数及主动脉根部LS、LSR比较（±s）

与＞30～40岁组比较，※P＜0.05；与＞40～50岁组比较，*P＜0.05；与＞50岁组比较，&P＜0.05。LVEF：左室射血分数；LVGLS：左室整体纵向应变；SVI：每搏量指数；LS：纵向应变；LSR：纵向应变率

组别主动脉窦LSR（s-1）LVEF（%）62.2±3.3961.8±2.1961.4±2.0960.9±3.250.315 LVGLS（%）21.5±2.06*21.4±1.8920.7±1.4120.5±1.770.102 SVI（ml/m2）39.1±1.5539.0±1.7138.8±1.4039.0±1.210.909 LS（%）主动脉窦整体27.19±2.37※*&25.50±2.77*&24.06±2.77&21.35±3.07＜0.001瓣环侧舒张期-2.30±0.49-2.08±0.44-2.17±0.58-2.12±0.450.247窦管交界侧收缩期-4.50±0.85-4.06±1.05-4.12±0.67-4.01±0.820.069瓣环侧收缩期2.87±0.722.68±0.732.62±0.772.60±0.700.406窦管交界侧舒张期4.42±1.574.39±1.194.03±1.273.93±1.400.37920～30岁组＞30～40岁组＞40～50岁组＞50岁组P值升主动脉整体32.85±8.34*&31.18±5.77*&25.16±4.8424.13±5.15＜0.001

四、相关性分析

主动脉窦部整体LS、升主动脉整体LS均与年龄呈负相关（r=-0.614、-0.507，均P＜0.001），与LVGLS呈正相关（r=0.487、0.313，均P＜0.001），与SVI呈正相关（r=0.321、0.336，均P＜0.001）。主动脉窦部LS及LSR均与血压（收缩压、舒张压、脉压）无相关性。主动脉窦、窦管交界侧收缩期LSR峰值均与LVGLS呈正相关（r=0.512、0.541，均P＜0.001），与SVI无相关性。

五、重复性分析

主动脉根部LS和LSR在观察者内和观察者间重复性均较好，见图3，4。

图3 主动脉根部LS和LSR在观察者内重复性Bland-Altman图

图4 主脉根部LS和LSR在观察者间重复性Bland-Altman图

讨论

主动脉壁由内膜、中膜、外膜三层结构组成，其主要特征及功能性结构是中膜层。中膜层的生物力学功能主要取决于胶原蛋白和弹性蛋白的数量。随着年龄的增长，主动脉中层发生变性导致主动脉进行性硬化［4］，使主动脉LS减小。本研究发现正常成人随着年龄的增大，管壁LS逐步减小，主动脉窦、升主动脉管壁LS均与年龄呈负相关（r=-0.614、-0.507，均P＜0.001）。与以往文献［5-7］报道的腹主动脉、降主动脉及主动脉弓的管壁老化特征一致。研究［8］表明，在健康人群中，动脉近端至远端的扩张能力是逐渐减弱的，也被称为僵硬度梯度。同样，主动脉同一横断面各个方向上的弹性特性也存在区域异质性［9］。根据以往研究［10］报道，升主动脉壁的应力在不同位置发生变化，升主动脉大弯侧的应力通常高于小弯侧，在左室胸骨旁长轴切面上，升主动脉小弯侧即升主动脉前壁与主动脉窦前壁相连，升主动脉大弯侧即升主动脉后壁与主动脉窦后壁相连。因此，主动脉窦部具有与升主动脉类似的前、后壁力学差异，充分验证了主动脉窦和升主动脉前、后壁的区域异质性。此外，本研究结果显示正常成人主动脉窦瓣环侧和窦管交界侧LS曲线不同，也验证了主动脉窦各节段的区域异质性。

Safar［11］研究表明，高血压病患者主动脉LS与血压间具有密切联系，但本研究结果显示，LS及LSR与血压（收缩压、舒张压、脉压）间缺乏相关性，这可能是因为本研究对象均为健康成人，血压波动范围有限，因此限制了临床对血管力学与患者血流动力学关系的研究。此外，本研究还发现，主动脉窦部LS与SVI、LVGLS均呈正相关（r=0.487、0.336，均P＜0.001），主动脉窦部收缩期LSR与LVGLS呈正相关（r=0.512，P＜0.001）。研究［12］表明，主动脉根部LS与心室收缩期的牵拉作用密切相关。心室收缩能力越强，主动脉窦所受到的牵拉作用越大，应变增加的速度即应变率越大，LS值也相应增加，同时，正常成人SVI也与左室收缩能力密切相关，这些指标均证明了左室-主动脉耦联作用。但是，主动脉窦部收缩期LSR与SVI无明显相关性，这可能是由于收缩早期血流通过缩短的主动脉窦由左室直接射入升主动脉，主动脉窦内仅存在较少的涡流血流，其对主动脉窦管壁的压力并不显著。

本研究局限性：样本量少，所使用的脱机软件最初是为测量左室应变设计，无法对主动脉管壁ROI制定标准参考点，测量结果可能会受影响；此外，本研究仅研究了纵向的应变，缺乏对圆周方向的研究，今后将结合圆周应变方向进一步探究。

综上所述，应用2D-STE技术评估主动脉根部血管生物力学具有一定的可行性和重复性。主动脉窦部LS随着年龄的增加而降低，且与SVI及LVGLS呈正相关。主动脉窦部LS及收缩期LSR体现了左室-主动脉耦联关系，对维持血流动力学稳定有一定作用。