Эхогенность, структура и подвижность атеросклеротических бляшек в сонных артериях в остром периоде полушарного ишемического инсульта
С.А. Войнов1, С.Э. Лелюк2, Д.А. Головин1, В.Г. Лелюк1, В.И. Скворцова1
1) НИИ цереброваскулярной патологии и инсульта ГБОУ ВПО Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова Минздравсоцразвития России
2) ГБОУ ДПО Российская медицинская академия последипломного образования Минздравсоцразвития России
Врач-ординатор
Учреждение: НИИ цереброваскулярной патологии и инсульта ГОУ ВПО РГМУ Росздрава
117997, г. Москва, ул. Островитянова, д.1
Тел. +7(499) 726-99-53, адрес электронной почты:
Реферат
Целью исследования было изучение взаимосвязи между эхографической структурой и подвижностью атеросклеротических бляшек у больных в остром периоде полушарного ишемического инсульта.
Материалы и методы. В исследование включено 17 больных с полушарным ИИ в возрасте 53-89 лет (медиана – 68,0), у которых оценивались эхогенность и показатели, характеризующие деформацию атеросклеротических бляшек (АСБ) (последние рассчитывались отдельно для покрышки, середины матрикса (ядра) и основания АСБ) и неизмененной стенки сонной артерии с помощью векторного анализа движения.
Результаты. Показатели деформации во всех сегментах АСБ выше по сравнению с неизмененным участком сосудистой стенки. Середина матрикса АСБ с низкой эхогенностью отличается большей степенью деформации и более высокой скоростью деформации по сравнению с покрышкой и основанием. Для гиперэхогенных АСБ подобных различий получено не было.
Заключение. Развитие АСБ связано с нарушением механических свойств сосудистой стенки. В отличие от АСБ повышенной эхогенности, у гипоэхогенных АСБ внутренняя часть бляшки отличается большей мобильностью по сравнению с покрышкой. Данный факт может быть связан с нестабильностью АСБ.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: подвижность атеросклеротических бляшек, векторный анализ движения, GSM, нестабильность, эмболия, ишемический инсульт.
Введение
Инсульт занимает одно из лидирующих мест среди причин смертности и инвалидности в мире. Больные, пережившие ТИА или инсульт, имеют повышенный риск развития повторного нарушения мозгового кровообращения. Среди причин, приводящих к развитию ишемического инсульта, особую роль играет атероматозная бляшка. По некоторым данным до 15% всех случаев церебрального инфаркта связаны с артерио-артериальной эмболией и тромбоэмболией из каротидной бифуркации.
В последнее время внимание исследователей сосредоточено не столько на степени редукции просвета, сколько на структуре самой атеромы и ее поверхности. Важнейшим параметром, определяющим нестабильность атеросклеротической бляшки (АСБ), является ее морфология. Потенциал современных УЗ-сканеров позволяет с большой точностью оценивать структуру АСБ. По имеющимся данным, бляшки с низкой эхогенностью более предрасположены к развитию эмболических осложнений (изъязвление и/или нарушение целостности покрышки) в сравнении с кальцинированными (гиперэхогенными) АСБ. Другие характеристики бляшек, отличные от морфологии, связаны с локальными механическими факторами, влияющими на сосудистую стенку. Напряжение сдвига, возникающее вследствие воздействия проходящей пульсовой волны на эндотелий, является независимым фактором риска нарушения целостности и разрыва АСБ. Изменения локальных механических свойств оказывают влияние на патофизиологические процессы в АСБ, такие как пролиферация клеток, апоптоз, гипертрофия, миграция, синтез матрикса и деградация, что в итоге приводит к наблюдаемым функциональным и структурным изменениям и может проявляться в форме изъязвления АСБ и нарушения целостности ее покрышки.
Эффективной технологией изучения механических характеристик АСБ и стенки сосуда является технология векторного анализа движения, использующая оценку перемещения выбранной точки (группы пикселей) в двухмерной системе координат.
Материалы и методы
В исследование включены 17 больных в остром периоде ИИ в каротидной системе в возрасте от 53 до 89 лет (медиана 68 лет), из них 10 мужчин и 7 женщин. Артериальная гипертензия была выявлена у 15 (88,2%) больных, сахарный диабет – у 5 (29,4%). У всех пациентов наблюдались объективные эхографические признаки стенозирующего атеросклероза, всего анализу были подвергнуты 20 АСБ (17 АСБ на стороне инсульта и 3 АСБ на контралатеральной стороне).
Для оценки состояния экстракраниальных отделов брахиоцефальных артерий всем обследованным выполняли дуплексное сканирование на ультразвуковом сканере Acuson S2000 (Siemens, Германия) датчиком линейного формата с частотой от 4 до 9 МГц, синхронизируя с ЭКГ, с записью изображений АСБ в формате DICOM 3. Полученные изображения затем переносились в рабочую станцию и подвергались компьютерной обработке. Для измерения GSM (медианы серого цвета) и вычисления показателей яркости оттенков серого цвета использовался графический редактор Adobe Photoshop CS3 Extended (Version 10.0.1®) (Adobe Inc., США). Нормализация изображений (стандартизация оттенков серого цвета в каждом конкретном случае) осуществлялась согласно двум эхоанатомическим ориентирам. За максимально яркий оттенок серого принималась адвентиция, за минимальный – кровь в просвете сосуда. По шкале яркости оттенков серого цвета крови соответствовало значение 0, адвентиции – 180. При компьютерной обработке ультразвуковые изображения АСБ делились на 3 области: покрышка, средняя часть матрикса (ядро) и основание. В каждой из областей проводились определения минимальных и максимальных значений GSM, средних значений GSM и стандартных отклонений.
Для векторного анализа движения видеоклипы с изображением АСБ транспортировали в ультразвуковую рабочую станцию Syngo VVI (Siemens AG, Германия). Референтные точки устанавливали на покрышку, среднюю часть матрикса (ядро бляшки) и основание (рис. 1), а также на неизмененную стенку в поперечном и продольном сечениях (рис. 2). При этом оценивали скорость сдвига точек (см/с), деформацию (strain, % – смещение контрольных точек) и скорость деформации (Strain Rate). Помимо этого оценивали время набора максимальной скорости сдвига точек (TpkV – time-to-peak), время, за которое происходит максимальная деформация, (TpkST – time-to-peak), время набора максимальной относительной деформации (TpkSTR – time-to-peak) и радиальное смещение в поперечном сечении. Все результаты исследования после формализации были преобразованы в электронные таблицы SPSS 17 для Windows.
Результаты
Из 20 исследованных АСБ 8 АСБ были с преобладанием гипоэхогенного компонента, 4 АСБ – с преобладанием элементов умеренной эхогенности, 8 АСБ – с преобладанием участков повышенной эхогенности. Среднее значение GSM АСБ с преобладанием зон низкой эхогенности составило 25,88±8,43, медиана – 28, от 14 до 38; с преобладанием зон умеренной эхогенности – 41,25±8,54, медиана – 39, от 43 до 53; с преобладанием зон высокой эхогенности – 72,5±8,31, медиана – 73, от 33 до 116.
Рисунок 1. Векторный анализ движения атеросклеротической бляшки.
Рисунок 2. Векторный анализ движения неизмененной сосудистой стенки.
В таблице 1 приведены результаты сравнения степени деформации различных сегментов АСБ и неизмененной сосудистой стенки, рассчитанные с помощью векторного анализа движения.
Таблица 1. Параметры деформации покрышки, середины матрикса, основания АСБ и неизмененной стенки артерии.
| Показатель | ПАСБ | САСБ | ОАСБ | Непораженная стенка сосуда* | Достоверные различия |
|---|---|---|---|---|---|
| V | 0,14±0,09 | 0,13±0,07 | 0,12±0,08 | 0,17±0,09 | Между ПАСБ и ОАСБ (р=0,03) |
| ST | 6,94±6,83 | 7,92±5,67 | 6,45±5,96 | 5,03±4,22 | Между ПАСБ и САСБ (р=0,02); САСБ и ОАСБ (р=0,04) |
| STR | 0,51±0,33 | 0,67±0,37 | 0,47±0,30 | 0,37±0,2 | Между ПАСБ и САСБ (р=0,001), САСБ и ОАСБ (р=0,001) |
Примечания: V – скорость сдвига точек, ST – деформация, STR – скорость деформации, ПАСБ – покрышка АСБ, САСБ – середина матрикса АСБ, ОАСБ – основание АСБ;
* – все показатели неизмененной стенки достоверно отличаются от аналогичных показателей для покрышки, середины матрикса и основания АСБ (p<0,05).
Как следует из таблицы 1, имеются значимые различия (p<0,05) между неизмененной стенкой и всеми сегментами АСБ (покрышка, середина матрикса и основание) в скорости сдвига точек, деформации и скорости деформации.
При сопоставлении показателей, характеризующих механические свойства различных сегментов АСБ (табл. 1), выявлены значимые различия (p<0,05) в величине деформации и скорости деформации между покрышкой и серединой матрикса. Середина матрикса АСБ испытывает большую деформацию, чем покрышка от пульсовой волны кровотока, в то время как статистически значимых различий в скорости движения между ними не получено. Кроме того, середина матрикса АСБ подвергается большей деформации, чем основание. Детальный анализ деформации покрышки, середины матрикса и основания в АСБ различной степени эхогенности приведен в таблицах 2, 3 и 4.
Таблица 2. Параметры деформации покрышки, середины матрикса и основания АСБ с преобладанием зон низкой эхогенности.
| Показатель | ПАСБ | САСБ | ОАСБ | Достоверные различия |
|---|---|---|---|---|
| V | 0,14±0,1 | 0,15±0,07 | 0,14±0,1 | Нет (р>0,05) |
| ST | 4,25±0,61 | 7,25±3,64 | 4,93±3,97 | Между ПАСБ и САСБ (р=0,002), САСБ и ОАСБ (р=0,001) |
| STR | 0,54±0,32 | 0,78±0,34 | 0,43±0,21 | Между ПАСБ и САСБ (р=0,001), САСБ и ОАСБ (р=0,001) |
Примечания: V – скорость сдвига точек, ST – деформация, STR – относительная деформация, ПАСБ – покрышка АСБ, САСБ – середина матрикса АСБ, ОАСБ – основание АСБ.
Из таблицы 2 следует, что у АСБ с преобладанием зон низкой эхогенности были выявлены значимые различия в значениях показателей деформации между покрышкой и серединой матрикса АСБ. Середина матрикса гипоэхогенных АСБ испытывает большую деформацию по сравнению с покрышкой и основанием, в то время как скорость движения покрышки и середины матрикса АСБ значимо не различается между собой. У покрышки и основания гипоэхогенных АСБ статистически достоверных различий в степени деформации не обнаружено.
Таблица 3. Параметры деформации покрышки, середины матрикса и основания АСБ с преобладанием зон умеренной эхогенности.
| Показатель | ПАСБ | САСБ | ОАСБ | Достоверные различия |
|---|---|---|---|---|
| V | 0,13±0,04 | 0,13±0,067 | 0,12±0,03 | Нет (р>0,05) |
| ST | 6,56±3,08 | 7,81±3,46 | 6,01±3,43 | Нет (р>0,05) |
| STR | 0,49±0,31 | 0,6±0,13 | 0,44±0,32 | Нет (р>0,05) |
Примечания: V – скорость сдвига точек, ST – деформация, STR – относительная деформация, ПАСБ – покрышка АСБ, САСБ – середина матрикса АСБ, ОАСБ – основание АСБ.
Таблица 4. Параметры деформации покрышки, середины матрикса и основания АСБ с преобладанием зон повышенной эхогенности.
| Показатель | ПАСБ | САСБ | ОАСБ | Достоверные различия |
|---|---|---|---|---|
| V | 0,13±0,10 | 0,11±0,06 | 0,11±0,07 | Нет (р>0,05) |
| ST | 4,43±3,26 | 5,05±2,92 | 4,50±3,69 | Нет (р>0,05) |
| STR | 0,44±0,31 | 0,47±0,28 | 0,38±0,24 | Между САСБ и ОАСБ (р=0,027) |
Примечания: V – скорость сдвига точек, ST – деформация, STR – относительная деформация, ПАСБ – покрышка АСБ, САСБ – середина матрикса АСБ, ОАСБ – основание АСБ.
В АСБ умеренной и повышенной эхогенности не было выявлено достоверных различий в степени деформации покрышки, середины матрикса и основания (табл. 3, 4).
Результаты сравнительного исследования подвижности разных участков АСБ различной эхогенности представлены в таблице 5.
Таблица 5. Сравнение результатов векторного анализа подвижности покрышки, середины матрикса и основания различных по эхогенности АСБ.
| Показатель | I | II | III | Достоверные различия | |
|---|---|---|---|---|---|
| ПАСБ | V | 0,13±0,04 | 0,13±0,10 | 0,14±0,1 | Нет (р>0,05) |
| ST | 6,56±3,08 | 4,43±3,26 | 4,25±0,61 | Между I и II (р=0,001) Между II и III (р=0,003) |
|
| STR | 0,49±0,31 | 0,44±0,31 | 0,54±0,32 | Нет (р>0,05) | |
| САСБ | V | 0,13±0,06 | 0,11±0,06 | 0,15±0,07 | Между I и II (р=0,017) |
| ST | 7,81±3,46 | 5,05±2,92 | 7,25±3,64 | Между I и II (р=0,001) Между II и III (р=0,025) |
|
| STR | 0,6±0,13 | 0,47±0,28 | 0,78±0,34 | Между I и II (р=0,01) Между II и III (р=0,001) |
|
| ОАСБ | V | 0,12±0,03 | 0,11±0,07 | 0,14±0,1 | Нет (р>0,05) |
| ST | 6,01±3,43 | 4,50±3,69 | 4,93±3,97 | Между I и II (р=0,003) | |
| STR | 0,44±0,32 | 0,38±0,24 | 0,43±0,21 | Нет (р>0,05) | |
Примечания: V – скорость сдвига точек, ST – деформация, STR – относительная деформация, ПАСБ – покрышка АСБ, САСБ – середина матрикса АСБ, ОАСБ – основание АСБ, I – умеренной эхогенности АСБ, II – АСБ с преобладанием гиперэхогенного компонента, III – АСБ с преобладанием гипоэхогенного компонента.
Скорость деформации покрышки и середины матрикса АСБ пониженной эхогенности при воздействии пульсовой волны кровотока выше, чем у этих же сегментов в АСБ повышенной эхогенности (табл. 5).
При проведении корреляционного анализа были получены следующие достоверные корреляции: выявлена прямая взаимосвязь (rs=0,47, p<0,01) между длиной АСБ и степенью стеноза, т.е. большие по протяженности АСБ отличались и большей степенью стеноза.
Получена обратная зависимость (rs=–0,44, p<0,01) между деформацией покрышки (rs=–0,28, p<0,05), середины (rs=–0,44, p<0,01), основания (rs=–0,29, p<0,05) АСБ и длиной АСБ (чем длиннее АСБ, тем меньше ее деформация).
Выявлены прямые корреляционные связи между скоростью, деформацией и относительной деформацией в покрышке, середине и основании АСБ (rs=0,87, p<0,01).
Обратная корреляционная связь между значениями GSM всей АСБ, покрышки, середины матрикса и TpkV (time-to-peak) скорости (rs=–0,66, rs=–0,55, rs=–0,67, p<0,01) и TpkSTR скорости деформации (rs=–0,58, rs=–0,58, rs=–0,56, p<0,01).
Обсуждение
Использование GSM дает возможность объективно представить эхографические признаки и количественно описать качественные характеристики структуры бляшки. Выведенные в настоящей работе количественные GSM критерии АСБ пониженной, умеренной и повышенной эхогенности в целом согласуются с результатами, полученными другими авторами [13].
Применение технологии анализа движения векторов выявило значимые различия между АСБ и участком неизмененной сосудистой стенки, что свидетельствует о том, что формирование АСБ связано с нарушением структурно-механических свойств. Атеросклеротически измененная стенка движется медленнее, чем интактная, и в то же время сильнее деформируется под воздействием пульсовой волны крови. Это можно интерпретировать как меньшую растяжимость пораженной стенки и снижение ее эластичности, в то время как неизмененная стенка была более упруга. Интересным представляется вопрос о том, что является первичным патогенетическим звеном в этом процессе: нарушение механических и упруго-эластических свойств в локальном участке сосудистой стенки способствует формированию атеросклеротической бляшки или же, наоборот, появление АСБ ведет к необратимым изменениям механических характеристик. Согласно мнению ряда авторов, атеросклеротические изменения стенок не сами приводят к нарушению эластичности и упругости, а, напротив, провоцируются ими [6]. Полученные нами данные совпадают с результатами других экспериментальных и клинических работ [7, 8].
Важным наблюдением являются выявленные различия в степени деформации между покрышкой АСБ, основанием и серединой матрикса АСБ. Деформация середины матрикса АСБ превосходит деформацию покрышки и основания, что особенно характерно для гипоэхогенных АСБ. Эта закономерность, возможно, связана с тем, что гипоэхогенные (по GSM-критериям) АСБ соответствуют «мягким» бляшкам, состоящим преимущественно из аморфного липидного компонента и крови, что и обуславливает большую деформацию середины матрикса у таких бляшек. Кроме того, у гипоэхогенных АСБ середина матрикса АСБ может не иметь жесткой фиксации к адвентиции. Для гиперэхогенных бляшек подобных отличий в подвижности получено не было, и, следовательно, более «плотные» АСБ представляют собой единое целое и обладают большей стабильностью. Обратная корреляция между значениями GSM всей АСБ, покрышки, середины матрикса и TpkV (time-to-peak) скорости и TpkSTR относительной деформации является отражением того факта, что более плотные АСБ отличаются меньшим временем набора скорости (большим ускорением), т.е. они быстрее реагируют на пульсовую волну.
Различия в степени и скорости деформации между покрышкой и ядром бляшки могут способствовать созданию условий, приводящих к нарушению целостности покрышки и последующей эмболии или присоединению тромбоза, что может являться фактором риска развития первичного или повторного ИИ.
Наблюдающаяся обратная корреляция между длиной бляшки и степенью деформации свидетельствует о том, что более короткие бляшки испытывают более сильное натяжение на поверхности, и в связи с этим локальная АСБ может быть более подвержена разрыву, чем пролонгированная бляшка той же степени стеноза. Все это свидетельствует в пользу того, что более нестабильными являются малые (по протяженности и, как правило, по степени редукции просвета) АСБ умеренной и низкой эхогенности, а не протяженные и кальцинированные, как считалось ранее.
Ограничения настоящей работы связаны с тем, что для фиксации референтных точек за время сердечного цикла требуется точное слежение за участком АСБ и учет движения сосуда вследствие прохождения пульсовой волны, дыхания, глотания и т.п. Фиксация референтных точек к участку АСБ и сосудистой стенке облегчена на выраженной границе раздела сред (на поверхности АСБ) и может быть менее точной внутри АСБ, особенно при однородности ее структуры, что может способствовать затруднению оценки деформации сегментов, расположенных внутри АСБ.
Заключение
Развитие АСБ связано с нарушением структурно-механических свойств сосудистой стенки. Механические свойства АСБ тесно связаны с ее морфологическими характеристиками. В гипоэхогенных АСБ деформация середины матрикса превышает степень деформации покрышки, и эта разница может приводить к нарушению целостности покрышки и развитию артерио-артериальной эмболии.
Литература
- Rosamond W., Flegal K., Friday G. Heart disease and stroke statistics-2007 update: a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee // Circulation. 2007. V.115(5). P.169-171.
- Donnan G.A., Fisher M., Macleod M. Stroke // Lancet. 2008. V.371(9624). P.1612-1623.
- U-King-Im J.M., Young V., Gillard J.H. Carotid-artery imaging in the diagnosis and management of patients at risk of stroke // Lancet Neurol. 2009. V.8(6). P.569-580.
- Fuster V. The vulnerable atherosclerotic plaque: understanding, identification, and modification. Edited by Fuster V., Cornhill J.F., Dinsmore R.E., Fallon J.T., Insull W., Libby P., Nissen S., Rosenfeld M.E., Wagner W.D. AHA Monograph Series. Armonk, N.Y.: Futura Publishing; 1998.
- Zhang F., Gates P.E., Strain W.D., Mazzaro L., et al. A novel ultrasound-based wall shear stress biomarker (echo particle image velocimetry) to generate hemodynamic vascular profiles in carotid arteries: clinical studies on 16 healthy subjects // Circulation. 2009.
- Groen H.C., Gijsen F.J., van der Lugt A., et al. Plaque rupture in the carotid artery is localized at the high shear stress region: a case report. Stroke. 2007. V.38(8). P.2379-2381.
- Zhang L., Liu Y., Zhang P.F., et al. Peak radial and circumferential strain measured by velocity vector imaging is a novel index for detecting vulnerable plaques in a rabbit model of atherosclerosis // Atherosclerosis. 2010. V.211(1). P.146-152.
- Shi H., Mitchell C.C., McCormick M. Preliminary in vivo atherosclerotic carotid plaque characterization using the accumulated axial strain and relative lateral shift strain indices // Phys. Med. Biol. 2008. V.53(22). P.6377-6394.
- Lal B.K., Hobson R.W., Pappas P.J., et al. Pixel distribution analysis of B-mode ultrasound scan images predicts histologic features of atherosclerotic carotid plaques // J. Vasc. Surg. 2002. V.35. P.1210-1217.
- Denzel C., Balzer K., Müller K.M., et al. Relative value of normalized sonographic in vitro analysis of arteriosclerotic plaques of internal carotid artery // Stroke. 2003. V.34. P.1901-1906.
- Sztajzel R., Momjian S., Murith N., et al. Stratified gray-scale median analysis and color mapping of the carotid plaque: correlation with endarterectomy specimen histology of 28 patients // Stroke. 2005. V.36. P.741-745.
- Reiter M., Horvat R., Puchner S., et al. Plaque imaging of the internal carotid artery – correlation of B-flow imaging with histopathology // Am. J. Neuroradiol. 2007. V.28. P.122-126.
- Gronholdt M.M., Nordestgaard B.G., Bentzon J., et al. Macrophages are associated with lipid-rich carotid artery plaques, echolucency on B-mode imaging, and elevated plasma lipid levels // J. Vasc. Surg. 2002. V.35. P.137-145.