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【进展】动脉粥样硬化早筛,科学家提供了这个新工具!

动脉粥样硬化所致的脑卒中、缺血性心脏病是世界范围内以及中国近年来排名前列的致死病因,对这一严重危害生命安全的疾病——动脉粥样硬化风险的早期发现并精准评估显得尤为重要,它是对高危人群及患者进行早期干预,并改善预后的重要环节。

其中壁剪切力(WSS,是由于血流和管壁之间的摩擦导致的应力)被认为是评估动脉粥样硬化风险的一个主要参数——如何尽量准确的获取壁剪切力,是临床专家和医学工程学专家们最重视的关键环节。迈瑞研发工程师与意大利专家Dr. Goddi合作,进行了超声向量血流成像技术(V Flow/UVFI)计算WSS的相关研究,最新研究认为:

意大利SME医学影像诊断中心CEO及主任医师Dr. Alfredo Goddi是国际知名超声专家,为国际学术组织SIRM(意大利放射学会)、RSNA(北美放射学会)、ESR(欧洲放射学会)会员,发表多篇论文及著作,为ER及JPS审稿人。主要研究方向有V Flow的临床价值等。

近期,Dr. Alfredo Goddi及其团队对健康受试者和动脉粥样硬化患者进行了颈动脉分叉处的血流动力学研究,并用V Flow进行了WSS的计算。他们发现:健康人群及动脉粥样硬化人群的颈动脉分叉处血流形态较为复杂,V Flow技术可应用于复杂流体周围的WSS评估。目前,载有该研究详细结果的文章“Wall Shear Stress Measurements Based on Ultrasound Vector Flow Imaging: Theoretical Studies and Clinical Examples”已发表在2020年8月正式出版的 Journal of Ultrasound in Medicine上。

文章截图源自Wiley Online Library

Journal of Ultrasound in Medicine, 39(8):1649-1664

该研究分析了30例健康受试者(15男15女,平均年龄39.5岁)和5例动脉粥样硬化患者(4男1女,平均年龄70.4岁)的颈动脉分叉处的血流动力学状态,使用迈瑞的Resona 7和L9-3U/L11-3U探头采集数据,并用UVFI功能进行了WSS的测量,描述颈动脉分叉处不同血流状态的壁剪切力特征。

在健康人群中,颈动脉分叉处的血流形态也很复杂,30例中就有28例为非层流状态(8个对旋螺旋流、15个返流、5个复杂血流形态)。对于这些复杂血流形态,精确分析血流特点、探测瞬变流扰动和描述血液循环区域中血流变化,是血流动力学研究和基于WSS测值做动脉硬化诊断的一个先决条件。此时用V Flow技术计算WSS将较传统PWD更为准确;原因是由于湍流的存在,沿血管壁走势测量位置切线方向的速度分量只有在精确测出实际速度(包括大小和方向)的情况下才能得到,从而计算WSS。

传统的PWD仅在层流状态下获取血流速度分量时较为准确,在复杂血流状态下几乎无法获取正确的用于计算WSS的血流速度分量。正如上图所示,传统PWD得到用于计算WSS的速度分量相比实际速度分量可能相差甚远(Case 1:

大于
;Case 2:
小于
 ;Case 3:
方向相反)。而V Flow技术可提供血流速度方向信息,可准确的得到用于计算WSS的血流速度分量,因而可以更加准确的评估壁剪切力。在湍流程度更高的情况下比传统的PWD的误差更小,正如下图所示,该理论及相关研究由迈瑞工程师阐述并主导完成,详细描述和仿真结果亦发表于上述文章“
Wall Shear Stress Measurements Based on Ultrasound Vector Flow Imaging: Theoretical Studies and Clinical Examples”(理论研究部分)。

临床研究结果

参考既往研究[1,2],WSS最大值的正常范围在1-7Pa,如果局部WSS平均值低于0.4Pa为异常,并预示斑块形成的风险。本研究描述了颈动脉分叉处的不同血流状态的剪切力特征。可以看到正常人群中除层流外,对旋螺旋流、返流复杂血流的出现占比也较高,WSS提示相应的斑块形成风险。另外动脉不同程度狭窄时,血流状态不同,WSS也各具特征。详情见下图,其中ECA: 颈外动脉CCA: 颈总动脉ICA: 颈内动脉STA: 甲状腺上动脉。

左图:层流-WSS 最大值1.80 - 2.61 Pa,正常 | 右图:WSS最大值2.11 to 5.41 Pa,正常

左图示对旋螺旋流(整体向前流动):WSS最大值1.77–3.25Pa,正常

右图示返流(部分向后流动):WSS最大值0.90–1.53Pa,WSS平均值0.03–0.20Pa,提示斑块形成风险高

复杂血流(各种方向的血流):WSS平均值0.1-0.2Pa,提示斑块形成风险高

颈动脉分叉(角度约53°)处复杂血流:分叉处高速血流(红色向量),颈动脉窦部扩张使窦部外侧壁附近区域出现较大范围的低速涡流(绿色向量),12例中有6例WSS最大值0.37–0.87 Pa,12例中有9例WSS平均值0.03–0.36 Pa,提示斑块形成风险高。

轻度狭窄:狭窄处显示为水平方向的高速血流(A图中红色向量),WSS最大值2.0–7.0 ,WSS平均值0.8–3.0 Pa,在正常范围(B图中图表)

中度狭窄:A图示狭窄处及其远端为高速血流(红色向量),狭窄后区域出现湍流(星号);B图示狭窄后区(A图蓝点)WSS最大值10.4Pa,高于正常范围;而血管WSS平均值为0.1–0.3 Pa,斑块近端0.1Pa,斑块远端0.1–0.3 Pa,低于正常范围

重度狭窄:A图示狭窄处极高速血流(红色向量,最大流速255cm/s)及狭窄远端显著的湍流;B图示血管狭窄近端及远端WSS最大值分别为27.7及9.69 Pa,远高于正常范围。

本研究在正常人群案例的发现跟其他相关研究[1-5]发现一致:不稳定的血流状态及低WSS常出现在颈动脉分叉处的外侧壁,相应地血管病变更高发。

本研究还发现动脉粥样硬化对WSS的影响取决于动脉狭窄程度:轻度狭窄WSS均在正常范围;而中重度狭窄带来的湍流或血流流速增加引起局部WSS增高,尤其狭窄处的WSS最大值明显增高,而斑块缘的WSS平均值低于正常范围。这与相关文献的预期一致:WSS过高或者过低经常出现在血流动力学不稳定的状况下(如复杂血流、湍流、返流、低动量流体)。

随着V Flow技术的不断发展,以及临床应用研究的积累,它作为一个心血管疾病的诊断工具,必将有更广阔的应用场景,并为心血管疾病的早筛和干预提供有效的支持。

References

[1].Malek AM, Alper SI, Izumo S. Hemodynamicshear stress and its role in atherosclerosis. JAMA 1999;282:2035–2042.

[2]. Papaioannou TG, Karatzis EN,Vavuranakis M, et al. Assessment of vascular shear stress and implications foratherosclerotic disease. Int J Cardiol 2006; 113:12–18.

[3]. Mathioulakis DS, Pappou Th, TsangarisS. An experimental and numerical study of a 90°bifurcation.  Fluid Dyn Res 1997;19:1–26.

[4]. Ku DN, Giddens DP, Zarins CK,et al. Pulsatile flow and atherosclerosisin the human carotid bifurcation: positive correlation between plaque locationand low oscillation shear stress. Arteriosclerosis 1985;5:293–302.

[5]. Goubergrits L, Affeld K, Fernandez-BrittoJ, et al. Atherosclerosis and flow in carotid arteries with authenticgeometries. Biorheology 2002; 39:519–524. 

本研究所用的设备为迈瑞的Resona 7(昆仑),配备V Flow向量血流功能。

来源:迈瑞医学影像

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来自:腾云tengyun  > 心脏,血管
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