应用超声粒子图像测速技术对大鼠动脉血流速度场的研究

发布时间：2018-03-24 21:02

本文选题：超声粒子图像测速　切入点：血流动力学　出处：《南方医科大学》2014年硕士论文

【摘要】：心血管病是威胁人类健康的常见重要疾病之一,心血管病是目前中国人群的首要死因。我国心血管疾病流行趋势不容乐观,2012年中国卫生部发布的《中国卫生统计提要》显示,心血管病病死率2011年为257.0人/10万,占当年死亡构成比41.52%,心血管疾病病死率始终居我国居民死因首位,且呈不断上升趋势。如果不加以控制,到2030年我国冠心病患病率将比2000年增加3.7倍。因此,控制心血管疾病已经成为我国21世纪提高人民健康水平的重中之重。中国心血管病流行现状具有如下的特点：心血管病的发病率和死亡率迅速增长；心血管病发病和死亡有明显的地区差异；目标人群转向中青年；农村心血管病死亡率接近或超过了城市。动脉粥样硬化性疾病是心血管疾病致残、致死的主要原因,主要包括冠心病、脑卒中、腹主动脉瘤和外周动脉疾病。动脉粥样硬化的发生、发展是一个漫长的过程。有效控制致病因素,将延缓或阻止动脉粥样硬化病变发展成临床心血管疾病。动脉的弯曲、分叉及狭窄部位,如主动脉弓、颈动脉分支、冠状动脉、腹主动脉分支和股动脉分支等是动脉粥样硬化好发部位。研究表明,血流动力学因素对动脉粥样硬化局灶性起着非常重要的作用,而流动产生的剪切应力是其中的关键因素。动脉粥样硬化的发生发展是一个综合的血流动力学过程,动脉内局部血流动力学环境的突变会导致此区域内发生一系列的血管生理性变异,从而诱发粥样硬化斑块的出现或促使斑块发展。传统的诊断技术,如心电图、心血管彩超、心肌酶谱、脑钠肽等在心血管疾病的诊断中扮演着重要的角色,至今仍被广泛采用并不断完善。新技术的出现和发展,如心血管造影、血管内超声(IVUS)、心脏多排CT及光学相干断层成像(OCT)为临床的诊断和介入治疗开辟了新的思路。目前,测量血流速度普遍的影像学方法是超声多普勒和磁共振成像(MRI)。超声多普勒只能提供一维的速度信息,为了测量剪切力,需假设血管内流速是标准的层流分布且流速具备抛物线状分布特征。而这种流速特征只有在形状规则的血管内才能成立,对于复杂形状(弯曲、分叉)的血管内的流速分布就会有较大的误差。超声多普勒技术对声束与速度向量之间的夹角依赖性大,亦可能产生一定的误差。MRI能提供较高的空间分辨率,但受限于其较低的时间分辨率和昂贵的检查费用。超声粒子图像测速(Ultrasonic particle image velocimetry,简称EchoPIV)是一种基于粒子图像测速法提出的实时、动态、无创、高分辨率的超声测速方法。主要原理是以超声微泡作为示踪粒子,用高帧频的超声系统记录血管腔内粒子运动图像,然后对图像作算法后处理。超声系统的帧频已知,对连续两帧图计算图像互相关,找到对应粒子团的移动位置就可以计算出血液的流动速度。相比传统测血流的技术,超声粒子图像测速技术能够克服超声多普勒对探头与血流速度方向夹角的依赖性,可实时、无创地测量血流的二维速度场分布。对于形状特殊复杂的血管,使用超声多普勒方法可能难以测量,而超声粒子图像测速法是基于微泡粒子图像位移来计算速度,不仅适用于普通的血管,还适用于形状特殊走向复杂的血管,而且可以实时显示二维血流速度。在使用成本上,超声粒子图像测速法比MRI方法更低,而且成像的速度更快。Echo PIV适合于微泡给药、常规检查等的临床应用,这些优点有利于它的推广与应用。目前超声粒子图像测速技术还处于实验室试验阶段,并未开始在临床中应用,其中主要问题包括：注入微泡的浓度应该如何控制,如何避免微泡对人体造成伤害；Echo PIV测速的结果受微泡浓度的影响较大；询问窗口大小影响计算图像互相关区域的位移结果；高速度梯度流体测量产生的误差如何消除；如何更好地滤除计算过程中产生的伪向量等。本文把图像互相关算法与多次迭代算法、亚像素边缘检测方法相结合,并通过滤波和插值的方法消除伪向量,从而改善传统超声粒子图像测速算法流速度测量精度和效率。在体外血管仿体实验的测速结果对比中,超声粒子图像测速法与多次迭代算法、亚像素边缘检测方法相结合,并通过滤波和插值的方法消除伪向量,能够改善传统超声粒子图像测速算法流速度测量精度和效率,可以适用于血管仿体血流速度的测量。完成血管仿体测试后,使用SD大鼠进行动物实验测试,这样更接近于实际。实验目的：动脉粥样硬化及血栓的形成与动脉管腔内的血流动力学参数变化密切相关。通过超声粒子图像测速技术观察大鼠动脉血管狭窄模型中血流速度、剪切力的情况,结合血流动力学计算结果和组织病理切片分析研究药物治疗前后的动脉狭窄、斑块生长、血栓风险。实验方法：本研究选取60只健康雄性SD大鼠,体重约340g-360g,将大鼠随机分为6组：阴性对照组C、模型组M、给药治疗R、T组(T组按给药剂量分为3组),每组10只。将除阴性对照组C外其余各组大鼠应用2.0F球囊导管进行动脉损伤手术,并于术后对其高脂饮食喂养,建立大鼠左侧颈总动脉血管狭窄模型。在五个模型组选其中一个组不使用药物治疗,作为模型组M。对四个模型组进行给药治疗,使用罗格列酮治疗的模型组,被命名为阳性对照组R。剩下的三个模型组分别使用低、中、高剂量的川芎嗪治疗,被分别命名为T1、T2、T3。由于实验过程中出现动物死亡,最后存活并成功采集超声粒子图像的大鼠为47只。各组大鼠均于术后21天,使用Vevo2100超声实时分子影像系统检测大鼠左侧颈总动脉,超声检查始终由同一医师操作。大鼠被注射麻醉,去掉左侧颈部毛发后,固定在试验台。检查时超高频探头使用支架固定,观察颈总动脉内膜光滑度,测量管腔内径、管壁厚度、测量多普勒血流速度。生理盐水5ml配制声诺维造影剂,充分摇匀后,用1ml注射器抽取0.2m1超声造影剂,经大鼠右侧股静脉注入,再用0.1ml生理盐水冲管。同时使用Vevo2100超声实时分子影像系统对大鼠在造影剂注射时、注射5分钟后、注射10分钟后分别采集1000帧图像。算法分别使用大小为24×10至48×16像素大小的询问窗,0.5-0.75的窗口重置,迭代次数为3次。数据结果使用Matlab2009软件处理。实验结果：本实验处理47只大鼠的造影图像序列,分别使用超声粒子图像测速与超声多普勒测速统计三个心动周期内各组平均血流速度与峰值血流速度。两种测速方法经t检验(P0.05)无显著的统计学差异,使用超声粒子图像测速方法得到的峰值速度、平均速度分别较超声多普勒测速结果低5-10%和2-8%。采用四次多项式拟合血流速度曲线有较好的效果(相关指数R=0.92),根据拟合曲线计算血管剪切力分布,正常血管中心区域剪切力最小,越往血管壁两边靠近剪切力越大。在阴性对照组C选取5只大鼠,使用超声多普勒测量在颈动脉不同位置的血流速度,根据平均血流速度分为低速区、中低速区、中速区、中高速区和高速区,应用本文的方法计算该位置的剪切力,统计三个周期内(约120帧图)剪切率的平均值。实验结果表明在正常的血流速度范围内,大鼠颈动脉血管在周期内受到的平均剪切力与该位置的平均血流速度成正相关。应用本文提出的剪切力计算方法,统计每个分组三个心动周期血管剪切力平均值、最大最小值。模型组M和对照组C分析,血流参数经t检验(P0.05)两组差异有统计学意义,给药组T2的血流动力学参数最接近阴性对照组C,经t检验(P0.05)无显著的统计学差异。测量结果与大鼠的血管内膜病理切片对照,T2和R组的内膜增生最小,给药治疗后恢复程度较其他分组好,其内径的狭窄程度也比较小。斑块附近血流速度、剪切力的分布的变化情况为评估斑块生长和破裂风险提供重要的血流动力学信息。超声粒子图像测速技术能够观察大斑块、小斑块区域的异常血流,计算斑块周围的剪切力分布。通过观察周期内斑块区域血流速度及剪切力分布情况,斑块近心端是高剪切应力区,高剪切力易引发内膜增生和斑块的生长,并且导致斑块的不稳定性。而在斑块远心端是低剪切应力区,易引起脂质在内皮下沉积,从而诱导内膜增生。血管剪切力变化对于心血管疾病的具有重要的临床意义,血管狭窄与斑块的破裂与它长期受到剪切力密切相关,但目前关于血管斑块生长与它受到剪切力的相互作用机制目前尚未明确,超声粒子图像测速技术将为进一步测量血管剪切力变化提供一种新的影像方法。
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【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R54;R445.1

【参考文献】