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介入超声印压系统研制及心肌硬度检测

邓辉胜  
【摘要】: 活体组织病变可引起硬度改变,且硬度与病变程度有一定关系,通过检测活体组织硬度,有助于临床诊断及判断病变程度。应用超声印压(Ultrasound indention,US indention)方法,已成功检测了糖尿病人足底、残肢、放射治疗前后颈部、脊柱、关节软骨等组织的硬度变化,表明用该法可定量检测因组织病变而引起力学特性改变。与传统触诊方法相比,超声印压法所得的硬度值或杨氏模量可反映病变部位硬度变化,使病变程度得到更为准确的定量描述。事实上组织硬度改变多发生在深部体腔,缺乏有效的检测方法,尤其在心血管系统,由于硬度变化可影响心脏收缩和舒张功能,特别是心室肌被动僵硬度增加将导致舒张功能不全,进一步可发展为舒张性心力衰竭(Diastolic Heart Failure,DHF),因此,检测心肌硬度可为部分心脏疾病提供重要的诊断信息。 目前,虽可采用超声印压法对体表组织进行硬度检测,但所用仪器体积大,印压头质硬,不适于深部腔道组织,特别是处于高压、搏动状态的心血管内腔。目前尚无直接、可靠检测活体心肌硬度的方法和仪器,故本研究设计研制一种可直接检测活体心肌硬度的仪器,并对其可行性、可信性、准确性及安全性进行验证。 第一部分介入超声印压系统的研制-介入式超声硬度检测仪的研制2 目的:研制用于检测心肌硬度的介入超声印压系统系统设计:该系统包括介入超声硬度检测导管(简称超声导管)、心电前置放大器和主机。超声导管头端安装印压球囊和微型超声换能器,其尾部连接压力传感器,导管体直径为7F,通过外周动脉血管进入心腔以印压心室壁。印压球囊提供直接印压力,微型超声换能器检测印压过程心室壁厚度的变化,压力传感器检测球囊印压力变化,心电前置放大器提供心电信号,为印压及数据分析提供时间参考点。主机为应力、应变和心电信号显示提供平台,并能进行图形储存、分析和测量。采用心肌拟弹性理论和应力-应变关系原理得到反映组织力学属性的硬度值。并采用该系统对心肌体模进行检测。 结果:超声导管能检测到心肌体模厚度和压力的变化,心电放大器能提供体表心电信号。主机能以M型模式显示超声信号,以曲线方式显示压力波形,以常规的体表心电图方式显示心电信号,并具备对图形进行储存、分析和测量的功能。 结论:介入超声印压系统将印压球囊、微型超声换能器和压力传感器结合并实现导管化,能提供应力-应变数据和心电信号,并能显示、储存、分析应力、形变和心电图形,满足设计要求,为活体心肌硬度检测提供了成套原型仪器。 5第二部分介入超声印压系统检测弹性超声仿体的实验研究 目的:采用介入超声印压系统检测弹性超声仿体的硬度,评价系统检测硬度的可行性和准确性。 方法:制作三种不同硬度超声仿体,分成两组,一组寄往香港理工大学生物力学超声研究室行单轴压缩实验,测定杨氏模量,作为本研究检测弹性超声仿体硬度的参照标准,另一组用本实验研制的系统对仿体硬度进行检测。在球囊内注入不同量的脱气水,使其充盈形成4.72mm、5.3mm、7.0mm三种直径,在对实际印压压强与检测压强进行标定后,分别用上述三种直径球囊印压相同硬度的超声仿体,以了解球囊直径是否影响硬度值的检测;再用同一直径球囊(4.72mm)印压不同硬度的超声仿体,以了解该系统对不同硬度仿体的检测能力;最后用4.72mm球囊印压安有不同硬度超声仿体的模型心室壁,以评价超声导管对心室壁进行印压可行性和导管操控性;所得硬度值与杨氏模量进行相关分析和Bland-Altman曲线分析,以判断系统检测仿体硬度的准确性和是否能满足生物组织硬度检测。 结果:(1)不同直径球囊实际印压压强与检测压强标定,二者有线性关系(P0.05),回归系数分别为0.62、0.78、0.98,通过换算,可得到实际印压压强。(2)不同直径球囊印压同一硬度仿体,其值分别为(86.1±15.0) kPa、(87.2±18.0) kPa、(82.9±14.9) kPa,差别无显著性(P0.05)。(3)同一直径球囊印压不同硬度超声仿体,其值分别为(45.5±5.7) kPa、(86.1±15.0 )kPa、(117.9±10.9) kPa ,差别有显著性(P0.05)。(4)单轴压缩试验测定不同硬度超声仿体,杨氏模量分别为(21.8±5.1)kPa、(44.8±7.1) kPa、(85.2±7.7) kPa,本系统检测的硬度值与杨氏模量值呈强相关(r=0.94,P0.05),同时,检测硬度值也满足Bland-Altman曲线。(5)模型心脏仿体壁检测的硬度值分别为(47.7±7.9) kPa、(89.3±17.3) kPa、(121.7±13.9)kPa ,与直接印压检测值相比,差别无显著性(P0.05),三组值之间比较,差别有显著性(P0.05)。 结论:介入超声印压系统能够检测出超声仿体的不同硬度,检出硬度与仿体杨氏模量值呈强相关性,且球囊直径对检测仿体硬度值无影响。球囊印压检测的硬度值与杨氏模量具有强相关,表明球囊印压能够准确检测仿体硬度。Bland-Altman曲线分析显示,该检测方法可作为一种检测生物组织硬度的新手段。且超声导管具有印压模型心室壁检测硬度的可行性和可操作性。 第三部分介入超声印压检测活体心肌硬度的实验研究 目的:探索介入超声印压系统检测活体心肌硬度的可行性和安全性。 方法: 18只健康成年杂种犬,随机分为心肌梗死组(n=9)和假手术组(n=9),结扎冠状动脉建立心肌梗死模型,建模6周后对两组动物进行检测。在X线引导下,将超声导管经外周动脉进入左心室,分别印压左室前壁和心尖部,超声测量其厚度形变值,压力传感器获得印压压强值,根据应力-应变关系,得到前壁和心尖部心肌组织硬度值,并进行应力-相关形变曲线拟合。活体心肌硬度检测完成后,取心肌行HE和天狼猩红染色,同时取假手术组印压部位心内膜行扫描电镜。 结果:(1)梗死组舒张晚期左室前壁和心尖部心肌硬度值分别为(140.7±30.7)kPa、(49.1±6.2)kPa,假手术组为(19.3±4.6) kPa、(34.2±6.5)kPa,梗死组前壁及心尖部硬度值均高于假手术组,差异有显著性(P0.05)。(2)梗死组和假手术组前壁应力-相关形变均呈线性,相关系数分别为r= 0.90、0.84,P0.05。(3)HE染色可见梗死区大量纤维增生;天狼猩红染色可见梗死区大量胶原增生,梗死组前壁和心尖部CVF、IOD、CVFⅠ/CVFⅢ分别为33.0±11.9、10.23±0.79、17.01±4.2和6.6±1.3、7.22±0.7、9.0±3.1 ;假手术组分别为3.0±0.9、0.69±0.1、7.7±1.9和3.4±1.1、0.79±0.09、7.0±2.01,梗死组前壁及心尖部CVF、IOD、CVFⅠ/CVFⅢ均高于假手术组,差异有显著性(P0.05)。(4)假手术组心内膜扫描电镜观察未见内皮细胞损伤。 结论:该仪器可以直接、定量检测活体局部心肌硬度,并可区别正常和梗死心肌的硬度差异,且硬度值增加与局部胶原含量增加和胶原表型的改变有关。印压过程安全。应用该方法检测的硬度值,可为心脏局部舒张功能异常提供有用的信息。


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