肺动脉高压的肺动脉血管超声生物力学研究

第二节　肺动脉高压的肺动脉血管超声生物力学研究

临床诊断肺动脉高压不仅要了解肺动脉压力升高的程度，而且要明确肺动脉高压的性质。在肺动脉高压的病理过程中，其在肺动脉血管的细胞和分子水平发病机制上有其重要的作用。

应用超声成像技术与生物力学方法相结合，获得活体状况下肺动脉超声生物力学模型，估测先天性心脏病伴肺动脉高压患者肺动脉血管的生物力学性质。

选择进行手术治疗的先心病室间隔缺损并肺动脉高压患者57例，所有患者均经右心导管测得肺动脉收缩压>70mmHg，肺动脉舒张压>50mmHg。男32例，女25例，年龄2～21岁，平均（7.53±4.31）岁。对照组选取为正常人21例（男12例，女9例）作为对照组，对照组年龄6～33岁平均（12.76±6.44）岁。使用美国Protocol肺动脉Q104型生理监测仪与压力换能器（Medex-MX860压力换能器）相连接，获得右心导管所测肺动脉压曲线。右心导管干预试验：先记录基础状态肺动脉压力，静脉滴注硝普钠，监测肺动脉压力，同时监测袖带动脉血压。根据硝普钠干预试验前后的压力变化百分率来确定肺动脉高压性质。

肺动脉高压分型：根据硝普钠干预试验结果判定肺动脉高压的性质，将所选肺动脉高压病例分三组：①动力型肺动脉高压组22例，该组手术治疗后早期肺动脉压力降至正常；②混合型肺动脉高压组20例；③阻力型肺动脉高压组15例，均为艾森曼格综合征患者。

同时记录右心导管肺动脉压力曲线、肺动脉主干的图像，测量肺动脉内径。超声生物力学测量和计算：采集一个心动周期的10个肺动脉由开始收缩至收缩最大径的内径变化数据。对右心导管所测肺动脉压收缩期曲线的上升支，从压力上升起始点至收缩期末压力最高点采集各个肺动脉压数据，用于生物力学计算；同时把收缩期二维超声肺动脉内径扩展量及肺动脉压上升量分作10个递增量进行力学计算，尽量接近生物力学载荷试验的递增量计算方法。每个时点的（内径或压力）收缩递增量=该时点的实际测量值-上个时点的实际测量值，并计算肺动脉内径或压力的平均递增量。然后分别将所测量的每一级肺动脉内径递增量与肺动脉压力递增量，输入计算机的血管生物力学数学模型，从分析其肺动脉压力变化计算应力变化，从肺动脉内径计算应变变化，分析其应力应变关系。

根据本构方程式获取应力应变曲线：

计算获得物质常数α值和b值，得到代表组织生物力学特性的应力应变关系。观察到对照组、动力型肺动脉高压组肺动脉血管从开始充盈至达到最大程度扩张的过程中，其血管内径出现明显的向外伸展运动，其肺动脉血管内压力上升。二维超声停帧图像分析见肺动脉内径从收缩充盈开始到收缩期最大程度扩张呈现逐步扩张的趋势。混合型和阻力型组肺动脉压力上升的速率很快，在收缩开始后就已经超过了30mmHg，尤其在阻力型组于收缩中期就平均超过了70mmHg。对照组肺动脉压正常时，肺动脉从开始收缩到最大内径能扩展5.66mm；而在肺动脉高压的情况下，动力型肺动脉高压组的肺动脉平均扩展了4.91mm，而混合型肺动脉高压组平均仅扩展了2.47mm，阻力型肺动脉高压组则几乎看不出明显的血管壁扩张运动（平均仅扩展1.55mm）。肺动脉高压各组的压力递增量均比对照组显著增高（P<0.05）（图8-2）。在肺动脉压力明显上升的情况下，动力型肺动脉高压组的肺动脉血管腔扩张度相对较大，与对照组比较无统计学意义的差异（P>0.05），而混合型、阻力型肺动脉高压组肺动脉血管腔内径递增量很小，与对照组比较存在统计学意义上的显著性差异（P<0.05）。随着肺动脉压的不断上升，肺动脉血管内径的扩展性也受限，尤其是阻力型肺动脉高压组的肺动脉内径扩张明显受限制。混合型、阻力型肺动脉高压组的肺动脉压相近（P>0.05），两组的血管腔内径扩张都很少，但是阻力型肺动脉高压组的肺动脉血管伸展受限更加明显，表现为阻力型肺动脉高压组的应力应变关系曲线更加压低。阻力型肺动脉高压组的所有肺动脉物质常数a值和b值参数均显著减小，较对照组有非常显著性差异（P<0.001）；阻力型肺动脉高压组肺动脉物质常数a值和b值参数与动力型肺动脉高压组相比较，均明显减小（P<0.05～0.01）。混合型肺动脉高压组的所有的肺动脉物质常数a值和所有b值参数均较对照组减小（P<0.05～0.001）。最有意义的是阻力型肺动脉高压组肺动脉物质常数所有a值和b值参数与混合型肺动脉高压组相比较，均可见统计学上的显著性差异（P<0.05～0.01）。

图8-2　动力型、混合型、阻力型肺动脉高压组肺动脉内径与压力变化的比较

先天性心脏病常合并有不同程度的肺动脉高压，通常根据肺动脉血管病变程度及其相应的血流动力学指标区分为动力型与阻力型肺动脉高压。肺动脉血管的病理学改变可用Heath-Edwards肺血管分级来确定，肺动脉血管可逆性病变为Ⅰ～Ⅲ级的患者，可以进行手术治疗；对于肺动脉血管病变程度较轻的动力型肺动脉高压，手术治疗效果很好，而阻力型肺动脉高压（即艾森曼格综合征）的Heath-Edwards肺血管分级多为Ⅲ级以上（血管病变分级Ⅳ～Ⅵ级），属不可逆病变，已无手术指征。部分先心病常合并肺动脉高压，虽然肺动脉压力明显升高，但是Heath-Edwards肺血管分级尚不严重（混合型肺动脉高压），仍然可以采取手术治疗。不过临床评判肺动脉高压的性质、选择手术适应证的检查手段很有限，彩色多普勒超声虽能了解肺动脉高压的程度，但是仍不足以评价肺动脉高压的性质。尽管临床有多种探测肺动脉高压程度与性质的手段，但目前常用的监测手段仍较粗糙，尚不能提供肺动脉高压时肺动脉血管组织的物质特性和组织重构的信息。临床常用的右心导管吸氧、硝普钠、一氧化氮干预试验来评估肺动脉高压的性质，用肺活检术确定肺血管病变的分级是最为准确的手术前分析手段，但因需要开胸手术，使得其应用受到限制。鉴于临床上对先心病合并肺动脉高压患者需要了解肺动脉高压的程度，且需明确其性质，而超声生物力学方法能通过计算肺动脉高压患者肺动脉血管的力学参数以评估肺动脉高压的性质。

正常状态下的肺动脉应力应变关系对于维持肺循环系统的低压特点有着重要作用，正常人肺动脉血管的内径压力关系呈现二次方程曲线的倾向，正常组物质常数a值和b值的绝对数值大，反映了正常人肺动脉血管伸缩度大，血管内应力上升的速率较快；通过分析先天性心脏病肺动脉高压患者的肺动脉内径递增量与肺动脉压力递增量数据，采用血管生物力学数学模型计算代表组织生物力学特性的应力应变关系，获得了应变物质常数（a值）和应力物质常数（b值），观察到动力型组的a₀、a₁值以及混合型、阻力型肺动脉高压组患者的所有物质常数a值和b值出现了异常的重构性变化，尤其在阻力型肺动脉高压组，尽管肺动脉压力显著增高，肺动脉血管内径的收缩期扩展却明显受限，血管伸缩度小。由此测量并计算出的混合型、阻力型肺动脉高压组的肺动脉物质常数a值、b值参数的绝对值均显著减小（P<0.001），肺动脉高压时内径压力曲线趋向于平直，阻力型肺动脉高压组的该曲线较混合型肺动脉高压组更加趋向于低平，阻力型肺动脉高压组所有的肺动脉物质应变常数（a值）以及应力常数（b值）参数均较混合型肺动脉高压组显著减低（P<0.05～0.01），提示通过肺动脉物质应变常数（a值）及应力常数（b值）参数的分析，可鉴别出适合手术治疗的混合型肺动脉高压。

肺动脉高压各组肺动脉的应变物质常数a值降低，提示肺动脉高压时肺动脉壁僵硬度增加，肺动脉血管在压力作用下的扩展能力下降，限制了肺动脉血管的扩张，导致血管壁应力应变关系的改变。肺动脉高压组肺动脉应变的物质常数a值与应力物质常数b值的改变是肺动脉高压重构血管应力应变曲线所反映的血管黏弹性变化的重要原因之一。根据肺动脉物质常数a值和b值的不同，即能判别其肺动脉血管的黏弹性等生物力学特点，从而推测其肺动脉血管病理变化的严重程度。实验性肺动脉高压生物力学试验已充分了解到肺动脉血管力学性质改变与血管组织病理学变化的这种内在联系。动物实验表明这种肺动脉管腔内压力急剧上升，而血管腔却无法有效扩张的现象，正是反映了肺动脉高压时肺动脉血管的力学性质，称作肺动脉高压时的力学重构。肺动脉血管病理改变程度与血管扩展度、压力变化的关系已在动物实验中得到证实，血管组织病变程度轻时，力学重构程度也较轻，血管的扩展度好；肺动脉病变严重时出现了明显的力学重构，动脉厚度增加，纤维组织含量也相应增高。动物试验已经证明这与肺动脉高压时肺动脉的应力应变曲线进一步变得低平，肺动脉血管的扩展能力进一步降低有关。

二维力学载荷方法测定肺动脉血管应力应变的结果提示，肺动脉高压时肺动脉力学数据上也出现异常的重构性变化，实验性肺动脉高压大鼠肺动脉血管弹力层的组织学改变与血管应力增加一致，肺动脉血管壁力学性质的改变在血管弹力层结构变化的启动与调节方面起着重要作用。而且肺动脉高压实验鼠肺动脉弹力层的重构过程的逆转也与肺动脉血管壁的应力水平相关。肺动脉血管壁力学性质的改变在血管弹力层结构变化的启动与调节方面起重要的作用。采用超声成像技术与生物力学研究相结合的方法，对先天性心脏病肺动脉高压患者进行了肺动脉血管的超声生物力学研究。将右心导管肺动脉压力变化及相应的二维超声肺动脉内径变化进行对比分析，结合血管生物力学的理论及计算方法，获得了活体状况下的人肺动脉超声生物力学模型。应用逐级测量收缩期二维超声肺动脉扩展递增量与肺动脉压力递增量的方法来进行肺动脉力学计算是可行的，通过力学测量分析肺动脉高压患者肺动脉血管的生物力学性质，生物力学参数（物质常数a值和b值）在判定肺动脉压力显著升高、肺血管病理分级尚不很严重的混合型肺动脉高压患者的手术适应证方面具有一定的鉴别作用。超声生物力学测量可望成为无创伤评估先天性心脏病合并肺动脉高压患者的肺动脉高压性质及病理进程提供一定的参考。

（余　源　陈　明）