切应力空间分布图的临床应用

第三节　切应力空间分布图的临床应用

一、正常颈总动脉血流壁面切应力

（一）正常颈总动脉血流切应力分布

切应力定量分析软件能通过绘制血流切应力二维空间分布图、三维空间分布图以及切应力融合图像将颈动脉血流的切应力“可视化”。颈总动脉管腔及多普勒血流可清晰显示。颈总动脉多普勒血流感兴趣区域的分割图像，切应力定量分析软件利用数字图像处理技术将超声多普勒血流图像中的管腔部分从图中删除，仅保留需要进行处理的多普勒血流部分。

图131是切应力融合图像，在颈总动脉的前后壁附近可以看到两条明亮的切应力分布带（箭头所示）。健康颈总动脉的切应力数值较大，分布带相对较粗且粗细均匀，紧贴于血管壁分布。切应力定量分析软件提供了一种可视化的方式帮助医务工作者分析血管的切应力，这种融合图像能帮助医师直观地观察颈动脉的切应力分布情况以及其与血管壁之间的关系。另外，仔细观察颈总动脉前壁与后壁的切应力分布带可以发现，两条切应力带的形态并非完全一致。说明在血流速度与管腔内径变化不明显的情况下，健康颈总动脉的切应力仍存在一定的变化范围。这是因为血流不可能严格按照理想状态流动，任何微小的变化都会造成血流切应力的改变，而Hagen-Poiseuille由于计算方法太过简单而无法体现这一点。图13-1（B2）是二维切应力空间分布图。由于去除了一切与切应力无关的因素，二维切应力空间分布图可以用来进行切应力的数值分析。切应力定量分析软件可以精确到对图像中每一个像素点都进行统计分析，所以计算得出的切应力结果更真实、准确。图13-1（B3）是颈总动脉三维切应力分布图。x，y坐标同样以像素为单位，z坐标以Pa为单位，不同切应力数值用不同高度的z坐标表示。从三维切应力空间分布图中可以更直观地发现，尽管每一点的算法相同，但得到的切应力分布在不同的空间位置上其数值大小是不同的，颈动脉血流的切应力分布呈现出中间切应力低（单箭头所示），而管壁附近切应力高的特点（双箭头所示）。如果切应力出现异常的增高或者降低，三维切应力分布图可以敏感地提示并给出该位置的坐标。

图13-1　切应力定量分析软件绘制的正常颈动脉切应力空间分布图

A1——颈总动脉长轴多普勒血流图像；A2——颈总动脉长轴多普勒血流分割图像；A3——颈总动脉长轴多普勒血流速度剖面三维空间分布图；B1——切应力分布与颈动脉长轴血管超声多普勒血流的融合图像；B2——颈总动脉长轴血流切应力二维空间分布图；B3——颈总动脉长轴血流切应力三维空间分布图。

（二）正常颈总动脉血流切应力分布定量分析

健康人颈总动脉的切应力分布以0.4～1.0Pa占的比例最大，其中，0.4～0.6Pa占25%，0.6～0.8Pa占28%，0.8～1.0Pa占25%。WSS分布图的均值为（0.622±0.273）Pa，本例研究对象血管内径为0.67cm，当前帧最大血流速度为37cm/s，Hagen-Poiseuille公式的计算结果为0.663Pa，两者得出的切应力值近似，差异无统计学意义（P>0.05）。另外，颈总动脉切应力分布图中还有部分高值切应力（1.0～1.8Pa占8%），切应力定量分析软件能把这一小部分高于平均值的切应力分布用可视化的方法显示，该区域位于三维切应力空间分布图双箭头所指处，通过融合图像观察未发现该处管壁出现异常。

我们通过分析50例健康组正常颈总动脉血流切应力的空间分布后，发现正常颈总动脉血流切应力的变化范围为0.4～1.4Pa，其中超过50%的切应力集中在0.4～0.8Pa。0.2～0.4Pa的比例其次，约占20%。约10%的切应力在0.8Pa。50例健康颈总动脉血流切应力平均值与Hagen-Poiseuille公式两种方法计算得出的切应力均分布在0.6～1.0Pa附近，50例正常颈总动脉血流切应力平均值为（0.691±0.120）Pa，Hagen-Poiseuille公式的平均值为（0.713±0.124）Pa，差异无统计学意义（t=-0.864，P=0.604）。

二、颈总动脉内中膜增厚处壁面切应力

（一）颈总动脉内中膜增厚处的壁面切应力分布

大量文献报道颈动脉内中膜增厚与切应力降低存在相关性。切应力定量分析软件绘制的颈总动脉内中膜增厚典型图像结果如图132所示（见插页）。该患者经测量平均颈总动脉内中膜厚1.1mm，管腔内径7.7mm，当前帧最大流速22cm/s，Hagen-Poiseuille公式的计算值为0.343Pa。切应力定量分析软件显示该患者颈总动脉内中膜均匀增厚［图132（A1）（箭头所指）］，多普勒血流信号充满管腔。通过对各像素点进行切应力计算后，切应力定量分析软件绘制出该颈总动脉的切应力分布融合图像，见图132（B1）。从图132（B1）中可以发现，相比正常颈总动脉，内中膜增厚处的切应力分布带颜色出现明显的减弱，宽度显著变窄［图132（B1）（双箭头所示）］，提示该处切应力值较正常值明显降低。该患者颈总动脉内中膜的前后壁均出现增厚，但是根据放大的切应力二维分布图显示［图132（B2）］，前后壁的切应力分布带并非完全一致，提示即使在切应力降低的血管中，切应力也呈不对称分布，Hagen-Poiseuille则无法体现这一点。三维切应力空间分布图［图132（B3）］显示，血管壁附近的切应力显著降低，其切应力的变化范围低于正常颈总动脉，但仍可以发现局部数值较高的切应力［图132（B3）（箭头所指）］，说明即使是内中膜增厚处的切应力，其分布也随着空间位置的不同而发生改变，所以Hagen-Poiseuille公式的结果在精确计算切应力方面存在不足。

（二）颈动脉内中膜增厚处的壁面切应力分布定量分析

在切应力二维空间分布图中选取血管后壁的切应力进行分析［图132（B2）红色点范围内］。绘制出颈总动脉内中膜增厚处血流切应力空间分布的数据分析结果，见内中膜增厚患者颈总动脉的切应力中90%集中在0.2～0.6Pa，其余10%分布在0.6～0.8Pa。其分布状态与正常颈动脉切应力完全不同。分析显示，内中膜增厚患者血流切应力的变化范围为0.2～0.6Pa，其中超过50%的切应力集中在0.2～0.4Pa。与正常颈总动脉的WSS变化范围存在明显差异。50例内中膜增厚组颈总动脉切应力均显著低于健康组颈总动脉，增厚组均值：（0.287±0.059）Pa；健康组均值：（0.691±0.120）Pa，差异有统计学意义（P<0.05）。内中膜增厚组与健康组的颈总动脉壁面切应力均值比较，增厚组均值：（0.287±0.059）Pa，健康组均值（0.691±0.120）Pa，增厚组颈总动脉壁面切应力均显著低于健康组颈总动脉的壁面切应力，差异有统计学意义（P<0.05）。

三、颈动脉窦部壁面切应力

许多文献报道证实低切应力与动脉粥样硬化的形成有关，它不仅可激活内皮细胞启动基因转录的核心启动子中的顺式调控反应元件（shear stress responsive element，SSRE），诱导促动脉粥样硬化形成的相关基因的表达；还可以直接引起内皮细胞的形态和功能的改变（迁移、分化和增生），刺激内皮细胞进一步增生表达，进而内中膜增厚，发生动脉粥样硬化。由于动脉粥样硬化好发于大中动脉和动脉分叉处，位于颈动脉分叉处的窦部，其特殊的解剖结构造成的二次流、回流，易促使低切应力区的形成，这种血流动力学的改变与动脉粥样硬化的形成密切相关。尽管颈动脉窦部是动脉粥样硬化的好发部位，我们使用颈动脉切应力分布图研究正常人的颈动脉窦部，根据其形态学特点，正常人颈动脉窦部可分作明显膨大受检者与不明显膨大两类；颈动脉窦部膨大明显组a区切应力（0.709±0.276）Pa显著高于b，c，d区切应力（0.369±0.103）Pa，（0.378±0.131）Pa，（0.365±0.144）Pa。窦部膨大不明显组的a区切应力（0.687±0.280）Pa显著高于b区切应力（0.399±0.163）Pa。提示正常人无论颈动脉窦部形态如何，在迎向颈动脉流入，受到高速血流冲击的a区切应力总是最高，这可能与a区管壁直接受到高速血流的冲击有关。窦部a区的高WSS对血管内膜起着一定的保护机制，有助于降低该部位动脉粥样硬化发生的风险，与文献报道的关于高切应力具有抗动脉粥样硬化的作用，而低切应力则易患动脉粥样硬化的结论相符。根据Malek报道，切应力小于0.4Pa的区域可视为动脉粥样硬化易发区，由此推断，在人类的颈动脉窦部，窦部b，c，d区的切应力较窦部a区偏低，从理论上来说是动脉粥样硬化的好发区域；b，c，d的低切应力区提示该区产生斑块的风险最大。笔者推测随着切应力降低的不断发展，当血流速度进一步下降，将会导致该b，c，d区处的切应力降低至接近动脉粥样硬化的切应力水平时，容易出现血管内膜的病变；与Schirmer报道低WSS进一步降低甚至降到零时，该低切应力区发生动脉粥样硬化的观点一致。我们还发现，颈动脉窦部膨大型组比窦部不明显膨大型组多c区与d区两个低WSS区域，若处于同等动脉粥样硬化危险因素的作用下，颈动脉窦部膨大型者比窦部不明显膨大型者发生动脉粥样硬化的风险可能更大。运用切应力空间分布图可以简单方便地监测颈动脉窦部切应力的变化，对于观察动脉粥样硬化发展进程，预测动脉粥样硬化可能具有一定的实际意义。

Malík曾运用Hagen-Poiseuille公式和彩色多普勒超声计算颈总动脉切应力，证明低切应力产生动脉粥样硬化的可能性更大。Liu等使用Hagen-Poiseuille公式和彩色多普勒超声计算腹主动脉的切应力，认为暴露于低切应力发生的血管重构介导动脉粥样硬化具有重要的作用，而高切应力具有抗动脉粥样硬化的作用。

虽然颈动脉窦部形态具有窦部膨大型与窦部不明显膨大型的形态学差异，颈动脉窦部的a区存在高切应力区域，具有抵御动脉粥样硬化的保护作用，但是颈动脉窦部的b，c，d区为低切应力，这些区域更易今后促进动脉粥样硬化产生。

四、壁面切应力与动脉粥样硬化的关系

搏动性的动脉血流主要对动脉血管壁产生两种类型的机械力，一种是垂直于血管壁的环形张力，称为牵张应力（stretch stress），它能对血管壁中的血管内皮细胞（EC）、中膜平滑肌细胞以及外膜成纤维细胞产生影响。另一种是平行于血管长轴的切向力，称为切应力。单位面积上由血管表面流动的液体产生的接近管壁的切应力，切应力能对血管内皮细胞产生影响。在正常的动脉血管壁中，这两种机械力与血管发育以及细胞表型的维持息息相关。文献报道，正常血管壁内的切应力诱导EC释放一氧化氮（NO）、内皮缩血管肽（ET）等活性物质，NO具有保持平滑肌细胞舒张、松弛的作用，而ET则具有促使血管壁收缩的能力。这两种活性物质的相互作用保证了动脉血管壁的弹性保持在一个合适的范围。同时，NO还能防止血小板黏附于血管壁，抑制EC过度合成生长因子，防止中膜平滑肌细胞增生。可见切应力是影响动脉粥样硬化发病过程中的重要物理因素之一。

切应力的高低由血管直径、血黏度以及血流速度共同决定。动脉粥样硬化临床前期病变患者由于动脉内径增大，血流速度减低，会导致壁面切应力降低。文献报道，动脉血流的切应力改变与动脉粥样硬化的进程密切相关，在动脉粥样硬化斑块发生之前，动脉血管的切应力已发生明显变化。切应力作为直接作用于动脉内皮细胞的应力形式，它通过直接影响动脉内皮细胞以及动脉内皮细胞介导而间接影响动脉壁其他细胞成分（如平滑肌）和结构。体外实验证实，低壁面切应力动脉区域EC的抗动脉粥样硬化基因表达受抑，而促动脉粥样硬化基因表达增加，同时EC释放的NO减少，NO依赖的抗动脉粥样硬化作用受破坏。固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）活化，促进EC摄取与合成低密度脂蛋白（LDL），最终刺激动脉内膜增厚、中膜平滑肌细胞增生能力增强，所以动脉血流的切应力会影响动脉粥样硬化的进程。现在人们普遍接受，切应力的平均值降低是其所指示的血管发展为动脉粥样硬化的高风险信号。

五、切应力最新进展：高壁面切应力与斑块破裂有关

一些体内研究表明，高切应力与斑块破裂有关。众所周知，易破裂的斑块定义为易损斑块，它通常含有非钙化偏心形态、薄纤维帽，一个大的脂质核心、炎性细胞浸润和斑点钙化。这些斑块易出现破裂、出血、脱落，或阻塞血管，造成脑组织缺血。研究发现斑块破裂经常在偏心斑块的肩部发生。理论上一直认为这部分是受到过度集中的圆周拉伸应力而引发的灾难性破裂。目前还不清楚何种因素是斑块破裂的主要原因。Fukumoto利用彩色切应力分布图观察到每个斑块的表面均出现切应力局部升高，而且切应力升高的病灶位置经常与斑块破裂处匹配。这项在体研究是第一个提出局部切应力升高可能与动脉粥样斑块破裂有关的相关报道。

伴随颈动脉内皮细胞的不断受损，动脉粥样硬化病变进一步发展变化，血管内膜中层更加增厚，斑块形成，管腔逐渐狭窄，颈动脉几何形状发生改变，使血流流速降低或升高，或血流形态发生变化，流场异化。切应力持续降低或呈不稳定变化，反过来又加重内皮功能的损害，形成恶性循环，进一步加快动脉粥样硬化的病程。据文献报道，高血流切应力刺激血管内皮可导致血管内皮增生减少，进而使斑块纤维帽变薄，诱发斑块破裂。纤维帽是维系斑块稳定性的主要结构，纤维帽的重要作用是避免动脉腔内的血液与纤维帽下组织直接接触。两者一旦接触，纤维帽下富含脂质的组织迅速激活凝血系统，可形成血栓，阻塞血管，引发急性心脑血管事件的发生。

Joanna和Lovett等发现斑块溃疡更多发生在狭窄上游、高切应力作用区，随着狭窄程度增加，斑块破溃的比例也在增加，认为对于斑块破裂，高切应力起重要的作用。另有研究除观察到斑块溃疡发生在颈动脉斑块凸出的高壁面切应力的地方，同时发现斑块的不稳定组成，包括巨噬细胞、金属蛋白酶-9都高度集中在高壁面切应力区域。Fukumoto利用彩色切应力分布图观察到每个斑块的表面均出现切应力局部升高，而且切应力升高的病灶位置经常与斑块破裂处匹配。研究证明斑块的最大切应力常见于斑块顶部和肩部，当斑块形状变形时，最大切应力不仅集中在斑块的顶部和肩部，也会出现在斑块顶部不规则表面的倾斜面上，认为斑块最大切应力的确定对预测斑块破裂位置有意义，最大切应力在斑块的不稳定性上有一定作用。

（王　超　刘秋云）

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