發(fā)布時(shí)間：2018-03-24 21:02

  本文選題：超聲粒子圖像測速　切入點(diǎn)：血流動力學(xué)　出處：《南方醫(yī)科大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：心血管病是威脅人類健康的常見重要疾病之一,心血管病是目前中國人群的首要死因。我國心血管疾病流行趨勢不容樂觀,2012年中國衛(wèi)生部發(fā)布的《中國衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)提要》顯示,心血管病病死率2011年為257.0人/10萬,占當(dāng)年死亡構(gòu)成比41.52%,心血管疾病病死率始終居我國居民死因首位,且呈不斷上升趨勢。如果不加以控制,到2030年我國冠心病患病率將比2000年增加3.7倍。因此,控制心血管疾病已經(jīng)成為我國21世紀(jì)提高人民健康水平的重中之重。中國心血管病流行現(xiàn)狀具有如下的特點(diǎn)：心血管病的發(fā)病率和死亡率迅速增長；心血管病發(fā)病和死亡有明顯的地區(qū)差異；目標(biāo)人群轉(zhuǎn)向中青年；農(nóng)村心血管病死亡率接近或超過了城市。動脈粥樣硬化性疾病是心血管疾病致殘、致死的主要原因,主要包括冠心病、腦卒中、腹主動脈瘤和外周動脈疾病。動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)漫長的過程。有效控制致病因素,將延緩或阻止動脈粥樣硬化病變發(fā)展成臨床心血管疾病。動脈的彎曲、分叉及狹窄部位,如主動脈弓、頸動脈分支、冠狀動脈、腹主動脈分支和股動脈分支等是動脈粥樣硬化好發(fā)部位。研究表明,血流動力學(xué)因素對動脈粥樣硬化局灶性起著非常重要的作用,而流動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是其中的關(guān)鍵因素。動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展是一個(gè)綜合的血流動力學(xué)過程,動脈內(nèi)局部血流動力學(xué)環(huán)境的突變會導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)發(fā)生一系列的血管生理性變異,從而誘發(fā)粥樣硬化斑塊的出現(xiàn)或促使斑塊發(fā)展。 傳統(tǒng)的診斷技術(shù),如心電圖、心血管彩超、心肌酶譜、腦鈉肽等在心血管疾病的診斷中扮演著重要的角色,至今仍被廣泛采用并不斷完善。新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,如心血管造影、血管內(nèi)超聲(IVUS)、心臟多排CT及光學(xué)相干斷層成像(OCT)為臨床的診斷和介入治療開辟了新的思路。目前,測量血流速度普遍的影像學(xué)方法是超聲多普勒和磁共振成像(MRI)。超聲多普勒只能提供一維的速度信息,為了測量剪切力,需假設(shè)血管內(nèi)流速是標(biāo)準(zhǔn)的層流分布且流速具備拋物線狀分布特征。而這種流速特征只有在形狀規(guī)則的血管內(nèi)才能成立,對于復(fù)雜形狀(彎曲、分叉)的血管內(nèi)的流速分布就會有較大的誤差。超聲多普勒技術(shù)對聲束與速度向量之間的夾角依賴性大,亦可能產(chǎn)生一定的誤差。MRI能提供較高的空間分辨率,但受限于其較低的時(shí)間分辨率和昂貴的檢查費(fèi)用。 超聲粒子圖像測速(Ultrasonic particle image velocimetry,簡稱EchoPIV)是一種基于粒子圖像測速法提出的實(shí)時(shí)、動態(tài)、無創(chuàng)、高分辨率的超聲測速方法。主要原理是以超聲微泡作為示蹤粒子,用高幀頻的超聲系統(tǒng)記錄血管腔內(nèi)粒子運(yùn)動圖像,然后對圖像作算法后處理。超聲系統(tǒng)的幀頻已知,對連續(xù)兩幀圖計(jì)算圖像互相關(guān),找到對應(yīng)粒子團(tuán)的移動位置就可以計(jì)算出血液的流動速度。相比傳統(tǒng)測血流的技術(shù),超聲粒子圖像測速技術(shù)能夠克服超聲多普勒對探頭與血流速度方向夾角的依賴性,可實(shí)時(shí)、無創(chuàng)地測量血流的二維速度場分布。對于形狀特殊復(fù)雜的血管,使用超聲多普勒方法可能難以測量,而超聲粒子圖像測速法是基于微泡粒子圖像位移來計(jì)算速度,不僅適用于普通的血管,還適用于形狀特殊走向復(fù)雜的血管,而且可以實(shí)時(shí)顯示二維血流速度。在使用成本上,超聲粒子圖像測速法比MRI方法更低,而且成像的速度更快。Echo PIV適合于微泡給藥、常規(guī)檢查等的臨床應(yīng)用,這些優(yōu)點(diǎn)有利于它的推廣與應(yīng)用。目前超聲粒子圖像測速技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段,并未開始在臨床中應(yīng)用,其中主要問題包括：注入微泡的濃度應(yīng)該如何控制,如何避免微泡對人體造成傷害；Echo PIV測速的結(jié)果受微泡濃度的影響較大；詢問窗口大小影響計(jì)算圖像互相關(guān)區(qū)域的位移結(jié)果；高速度梯度流體測量產(chǎn)生的誤差如何消除；如何更好地濾除計(jì)算過程中產(chǎn)生的偽向量等。 本文把圖像互相關(guān)算法與多次迭代算法、亞像素邊緣檢測方法相結(jié)合,并通過濾波和插值的方法消除偽向量,從而改善傳統(tǒng)超聲粒子圖像測速算法流速度測量精度和效率。在體外血管仿體實(shí)驗(yàn)的測速結(jié)果對比中,超聲粒子圖像測速法與多次迭代算法、亞像素邊緣檢測方法相結(jié)合,并通過濾波和插值的方法消除偽向量,能夠改善傳統(tǒng)超聲粒子圖像測速算法流速度測量精度和效率,可以適用于血管仿體血流速度的測量。完成血管仿體測試后,使用SD大鼠進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)測試,這樣更接近于實(shí)際。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簞用}粥樣硬化及血栓的形成與動脈管腔內(nèi)的血流動力學(xué)參數(shù)變化密切相關(guān)。通過超聲粒子圖像測速技術(shù)觀察大鼠動脈血管狹窄模型中血流速度、剪切力的情況,結(jié)合血流動力學(xué)計(jì)算結(jié)果和組織病理切片分析研究藥物治療前后的動脈狹窄、斑塊生長、血栓風(fēng)險(xiǎn)。 實(shí)驗(yàn)方法：本研究選取60只健康雄性SD大鼠,體重約340g-360g,將大鼠隨機(jī)分為6組：陰性對照組C、模型組M、給藥治療R、T組(T組按給藥劑量分為3組),每組10只。將除陰性對照組C外其余各組大鼠應(yīng)用2.0F球囊導(dǎo)管進(jìn)行動脈損傷手術(shù),并于術(shù)后對其高脂飲食喂養(yǎng),建立大鼠左側(cè)頸總動脈血管狹窄模型。在五個(gè)模型組選其中一個(gè)組不使用藥物治療,作為模型組M。對四個(gè)模型組進(jìn)行給藥治療,使用羅格列酮治療的模型組,被命名為陽性對照組R。剩下的三個(gè)模型組分別使用低、中、高劑量的川芎嗪治療,被分別命名為T1、T2、T3。由于實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)動物死亡,最后存活并成功采集超聲粒子圖像的大鼠為47只。各組大鼠均于術(shù)后21天,使用Vevo2100超聲實(shí)時(shí)分子影像系統(tǒng)檢測大鼠左側(cè)頸總動脈,超聲檢查始終由同一醫(yī)師操作。大鼠被注射麻醉,去掉左側(cè)頸部毛發(fā)后,固定在試驗(yàn)臺。檢查時(shí)超高頻探頭使用支架固定,觀察頸總動脈內(nèi)膜光滑度,測量管腔內(nèi)徑、管壁厚度、測量多普勒血流速度。生理鹽水5ml配制聲諾維造影劑,充分搖勻后,用1ml注射器抽取0.2m1超聲造影劑,經(jīng)大鼠右側(cè)股靜脈注入,再用0.1ml生理鹽水沖管。同時(shí)使用Vevo2100超聲實(shí)時(shí)分子影像系統(tǒng)對大鼠在造影劑注射時(shí)、注射5分鐘后、注射10分鐘后分別采集1000幀圖像。算法分別使用大小為24×10至48×16像素大小的詢問窗,0.5-0.75的窗口重置,迭代次數(shù)為3次。數(shù)據(jù)結(jié)果使用Matlab2009軟件處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：本實(shí)驗(yàn)處理47只大鼠的造影圖像序列,分別使用超聲粒子圖像測速與超聲多普勒測速統(tǒng)計(jì)三個(gè)心動周期內(nèi)各組平均血流速度與峰值血流速度。兩種測速方法經(jīng)t檢驗(yàn)(P0.05)無顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,使用超聲粒子圖像測速方法得到的峰值速度、平均速度分別較超聲多普勒測速結(jié)果低5-10%和2-8%。采用四次多項(xiàng)式擬合血流速度曲線有較好的效果(相關(guān)指數(shù)R=0.92),根據(jù)擬合曲線計(jì)算血管剪切力分布,正常血管中心區(qū)域剪切力最小,越往血管壁兩邊靠近剪切力越大。在陰性對照組C選取5只大鼠,使用超聲多普勒測量在頸動脈不同位置的血流速度,根據(jù)平均血流速度分為低速區(qū)、中低速區(qū)、中速區(qū)、中高速區(qū)和高速區(qū),應(yīng)用本文的方法計(jì)算該位置的剪切力,統(tǒng)計(jì)三個(gè)周期內(nèi)(約120幀圖)剪切率的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在正常的血流速度范圍內(nèi),大鼠頸動脈血管在周期內(nèi)受到的平均剪切力與該位置的平均血流速度成正相關(guān)。應(yīng)用本文提出的剪切力計(jì)算方法,統(tǒng)計(jì)每個(gè)分組三個(gè)心動周期血管剪切力平均值、最大最小值。模型組M和對照組C分析,血流參數(shù)經(jīng)t檢驗(yàn)(P0.05)兩組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,給藥組T2的血流動力學(xué)參數(shù)最接近陰性對照組C,經(jīng)t檢驗(yàn)(P0.05)無顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。測量結(jié)果與大鼠的血管內(nèi)膜病理切片對照,T2和R組的內(nèi)膜增生最小,給藥治療后恢復(fù)程度較其他分組好,其內(nèi)徑的狹窄程度也比較小。 斑塊附近血流速度、剪切力的分布的變化情況為評估斑塊生長和破裂風(fēng)險(xiǎn)提供重要的血流動力學(xué)信息。超聲粒子圖像測速技術(shù)能夠觀察大斑塊、小斑塊區(qū)域的異常血流,計(jì)算斑塊周圍的剪切力分布。通過觀察周期內(nèi)斑塊區(qū)域血流速度及剪切力分布情況,斑塊近心端是高剪切應(yīng)力區(qū),高剪切力易引發(fā)內(nèi)膜增生和斑塊的生長,并且導(dǎo)致斑塊的不穩(wěn)定性。而在斑塊遠(yuǎn)心端是低剪切應(yīng)力區(qū),易引起脂質(zhì)在內(nèi)皮下沉積,從而誘導(dǎo)內(nèi)膜增生。血管剪切力變化對于心血管疾病的具有重要的臨床意義,血管狹窄與斑塊的破裂與它長期受到剪切力密切相關(guān),但目前關(guān)于血管斑塊生長與它受到剪切力的相互作用機(jī)制目前尚未明確,超聲粒子圖像測速技術(shù)將為進(jìn)一步測量血管剪切力變化提供一種新的影像方法。
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【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R54;R445.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1660013