介入超声印压系统研制及心肌硬度检测

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(DiastolicHean 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 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。 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(P<0.05)，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(P>0.05)。 (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(P<0.05)。 (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，P<0.05)，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(P>0.05)，三组值之间比较，差别有显著性(P<0.05)。 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(P<0.05)。(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，P<0.05。(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、CVF <,Ⅰ>/CVF<,Ⅲ>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、CVF<,Ⅰ>/CVF<,Ⅲ>均高于假手术组，差异有显著性(P<0.05)。(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。

目录

论文说明：符号说明

声明

摘要

前言

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

1系统的设计

2仪器的研制

3心肌体模检测

4结果

5讨论

参考文献

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

1材料和方法

2结果

3讨论

参考文献

图片

第三部分介入超声印压系统检测活体心肌硬度的实验研究

1材料和方法

2结果

3讨论

参考文献

图片

全文总结

文献综述一：印压检测生物组织力学属性的方法和仪器发展

文献综述二：舒张性心力衰竭物理诊断技术

致谢

攻读博士学位期间申报专利、参与课题和发表学术论文