压力对心腔内造影剂微气泡后向散射强度的影响
作者：邓又斌 松本正幸 潼泽哲 黎春蕾 张友耿
单位：邓又斌、黎春蕾、张友耿 430022 武汉同济医科大学附属同济医院超声诊断科；松本正幸、潼泽哲 日本金泽医科大学
关键词：超声后向散射；造影剂微气泡；心腔内压力
中国超声医学杂志990803 摘 要 目的与方法：本研究应用声学密度法在体外搏动心脏模型中定量分析压力对声振白蛋白微气泡后向散射强度的影响，并观察正常人体心腔内双氧水微气泡后向散射强度在心动周期中的变化规律。结果：Albunex声振白蛋白微气泡在心腔内压力的作用下，其大小可发生可逆性变化，而这种变化可相应地引起后向散射强度可逆的周期性变化。舒张末期和收缩末期后向散射强度之差与造影剂浓度无关，而与收缩末期压力高低密切相关。在初步的人体研究中，我们也观察到了同样的心腔内造影剂后向散射强度的变化规律。结论：有可能通过应用声学密度法观察心腔内造影剂微气泡后向散射强度变化、无创性估计心腔内压力。
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Effects of Pressure on Intracardiac Backscatter from Microbubbles
Deng Youbin,Li Chunlei,Zhang Yougen
Tongji Hospital,Tongji Medical University,Wuhan,China 430022
Masayuki Matsumoto,Satoshi Takizawa
Kanazawa Medical University,lshikawa-Ken,Japan
ABSTRACT Objective and Methods：The backscatter from sonicated albumin microbubbles(Albunex)was analyzed using acoustic densitometry in an in vitro pulsatile heart model to evaluate the effects of pressure on the backscatter from Albunex,and the cardiac cyclic changes of intracardiac backscatter from hydrogen peroxide microbubbles in 14 healthy persons were analyzed.Results:It was found that the Albunex microbubbles were compressed in systole and decompressed in diastole,causing corresponding changes of backscatter in cardiac cycle.Although the intensities of backscatter in diastole and systole were related with the concentration of microbubbles,the concentraton of microbubbles had no effects on the difference of end-diastolic and end-systolic backscatter.The difference of the backscatter was highly correlated with end-systolic pressure(r＝0.96，P＝0.001).In human studies,we also observed same intracardiac cyclic changes of backscatter from hydrogen peroxide microbubbles.Conclusion:Our study indicates that it is possible to evaluate the intracardiac pressure noninvasively by analyzing the intracardiac backscatter from the microbubbles with acoustic densitometry.
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KEY WORDS Ultrasound backscatter Microbubbles Intracardiac pressure
超声声学造影剂为一种含有微小气泡或注入血液中可迅速产生微小气泡的溶液。目前，人们致力于发现一种经周围静脉注射后能使左心腔及心肌显影的声学造影剂，以观察心肌供血情况。在应用声振白蛋白微气泡造影剂进行经周围静脉注射以观察左心造影效果的研究中，发现收缩期左室腔内超声造影反射视频密度减弱〔1〕。体外实验也有同样的发现〔2～4〕。这促使人们进一步研究压力对造影剂微气泡超声反射的影响。本研究中，我们应用声学密度法(Acoustic Densitometry)在体外搏动心脏模型中定量分析压力对声振白蛋白微气泡后向散射强度的影响，并观察正常人体心腔内双氧水微气泡后向散射强度在心动周期中的变化规律，以探讨通过应用声学密度法测量心腔内造影剂微气泡后向散射强度无创性估计心腔内压力的可能性。
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资料与方法
1.体外实验 建立一体外搏动心脏模型。所用造影剂为声振白蛋白微气泡(Albunex,日本盐田制药)。将一定量的Albunex注入体外模型中。体外模型的压力变化频率为60次/分。舒张压固定为5mmHg不变，收缩压20～100mmHg间变化。每改变一次压力时，改变Albunex剂量，使模型中的Ablunex浓度为0.2%，0.5%,0.8%，1.2%和1.5%。所用仪器为HP 2500超声显像仪，探头频率为3.5MHz，调节仪器，使其处于后向散射图像工作状态，记录每次压力和Albunex浓度改变时的后向散射图像，存贮于光磁盘中。将感兴趣区置于离探头3cm的部位，调节仪器，使感兴趣区为椭圆形，大小为31×31。对后向散射二维图像进行采样，以获得后向散射的时间强度曲线。
2.人体右室、肺动脉内双氧水微气泡后向散射的观察 正常人14例，男性6例，女性8例，平均年龄27岁(11～59岁)。将3%双氧水0.4～0.6ml经周围静脉注入，所用仪器为HP 5500超声显像仪，探头频率2～4MHz。调节仪器，使其处于后向散射图像工作状态，记录每次注射双氧水时的四腔图切面和心底短轴切面，将图像存贮于光磁盘中。将感兴趣区置于右室心尖部和肺动脉干远端。感兴趣区形状取椭圆形，大小为31×31。对以上区域进行采样，以获得后向散射的时间强度曲线。
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3.统计学处理 所有计数资料用均数±标准差表示。多组间比较用方差分析，然后用Scheffe F检验进一步分析每两组间差异显著性。用直线回归法分析两组数据间的相关性。
结 果
1.体外实验 体外实验中我们观察到，Albunex造影剂微气泡后向散射强度在心动周期中发生规律性变化。舒张末期后向散射强度最强，随着收缩期的开始，后向散射逐步减弱，到收缩末期达最低值；舒张期开始后，后向散射逐渐增强，到舒张末期达最高值。这种变化曲线与同步记录的压力曲线极其类似，只是方向相反。在同一收缩期压力情况下，不同浓度时的后向散射强度见表1。从中可看出同一压力情况下舒张末期和收缩末期。Albunex造影剂后向散射强度随造影剂浓度的增加而增强。而舒张末期和收缩末期后向散射强度之差则无明显差异。这说明，虽然舒张末期和收缩末期后向散射强度的绝对值受造影剂微气泡浓度的影响，但两者之差不受造影剂浓度的影响。
表1 不同浓度Albunex时的后向散射强度
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(收缩末期压力为50mmHg时)
0.2%
0.5%
0.8%
1.2%
1.5%
EDIB(dB)
ESIB(dB)
ED-ES(dB)
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29
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47
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EDIB：舒张末期后向散射强度；ESIB：收缩末期后向散射强度；
ED-ED:舒张末期与收缩末期后向散射之差
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同一Albunex造影剂浓度情况下，不同压力情况下的后向散射强度变化见表2。从中可看出，因本实验中舒张末期压力基本保持不变，故舒张末期后向散射强度基本不变；而收缩末期后向散射强度随着收缩末期压力的增高而逐渐减弱。舒张末期与收缩末期后向散射强度之差则随着收缩末期压力的升高而增大。将不同压力和不同浓度的后向散射强度之差与收缩末期压力间进行相关分析，发现两者间有很高的相关性(r＝0.96，P＝0.001，图1)。
表2 不同收缩末期压力时的后向散射强度
(Albunex浓度为0.5%时)
压力(mmHg)
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EDIB(dB)
ESIB(dB)
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13
29
注：EDIB：舒张末期后向散射强度；ESIB：收缩末期后向
散射强度：ED-ED：舒张末期与收缩末期后向散射之差
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图1 舒张末期与收缩末期后向散射强度之差
(Y轴)和收缩末期压力间的直线相关图
2.正常人体右室、肺动脉内双氧水微气泡后向散射强度的变化
14例正常人中，共进行了30次注射。我们发现，右室和肺动脉干内的造影剂微气泡后向散射强度和体外实验中观察到的变化规律一致，舒张期和收缩期造影剂后向散射强度呈现规律性变化(图2)。从图2中可看出，同一心动周期内舒张末期后向散射强度最强，收缩末期后向散射强度最弱。造影剂出现后的每一心动周期间，同一时相的后向散射强度逐渐减弱，这与造影剂微气泡逐渐从心腔大血管内清除排出有关。不同双氧水注射剂量时，舒张末期后向散射强度为17.8dB～39.8dB(平均29±6.7dB),收缩末期后向散射强度为13.5dB～31.0dB(平均23.1±5.8dB)，两者变化较大。而舒张末期和收缩末期后向散射之差则变化较小(范围3.7dB～8.8dB，平均5.9±1.5dB)。
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ED为舒张末期，ES为收缩末期
图2 肺动脉干内双氧水微气泡后向散射的时间强度曲线
讨 论
声振白蛋白微气泡为目前临床上使用的造影剂之一，其外壳具有弹性。体外实验表明，声振白蛋白微气泡造影剂所处的周围压力增高时，其造影剂超声反射视频密度减弱〔2～4〕。在应用声振白蛋白微气泡造影剂进行经周围静脉注射以观察左心造影效果的体内研究中，同样发现造影剂在左室收缩期压力升高时，左室腔内超声造影反射视频密度减弱〔1〕。有关压力升高引起造影剂微气泡反射减弱的原因有些文献报道认为与微气泡暂时被压缩变小有关〔5〕，有些文献则报道认为与微气泡完全破碎有关〔1，2〕。本研究在体外搏动心脏模型中，应用声学密度分析法定量分析了压力对声振白蛋白微气泡造影剂后向散射强度的影响。这种新的声学密度分析法与传统的超声反射视频密度分析法相比，具有信号丢失少、更敏感地反映造影剂中微气泡后向散射强弱〔6、7〕。我们在体外实验中发现，造影剂微气泡后向散射强度在收缩期压力升高时减弱，而在舒张期压力降低时可恢复原强度。由于微气泡的后向散射强度依赖于微气泡的大小〔8、9〕，故本体外实验间接证明压力升高引起的微气泡后向散射的减弱主要是由微气泡变小引起的。
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我们发现，造影剂微气泡的后向散射强度在心动周期中随心腔内压力的变化而改变，收缩期压力升高而后向散射强度减弱，舒张期压力减低而后向散射强度增强，后向散射强度曲线与同步记录的心腔内压力曲线类似，只是变化方向相反。在收缩末期压力一定的情况下，收缩期后向散射强度与造影剂的浓度成正比，但舒张末期与收缩末期的后向散射强度之差则无明显变化。另外，舒张末期与收缩末期的后向散射强度之差与心腔内收缩末期压力高低明显相关。这表明，测量声振白蛋白微气泡造影剂后向散射的强度可反映心腔内压力的高低。
结论：本研究表明，Albunex声振白蛋白微气泡在心腔内压力的作用下，其大小可发生可逆性变化，而这种变化可相应地引起后向散射强度可逆的周期性变化。舒张末期和收缩末期后向散射强度之差与造影剂浓度无关，而与收缩末期压力高低密切相关。在初步的人体研究中，我们也观察到了同样的心腔内造影剂后向散射强度的变化规律，提示有可能通过应用声学密度法观察心腔内造影剂微气泡后向散射强度变化、无创性估计心腔内压力。
, 百拇医药
参考文献
1 Shapiro JR,Reisner SA,Lichtenberg GS,et al.Intravenous contrast echocardiography with use of sonicated albumin in humans:Systolic disappearance of left ventricular contrast after transpulmonary transmission.J Am Coll Cardiol,1990,16:1603～1607
2 Brayman AA,Azadniv M,Miller MW,et al.Effect of static pressure on acoustic transmittance of Albunex microbubble suspensions.J Am Soc Echocardiogr,1996,99:2403～2408
, 百拇医药
3 Gottlieb S,Ernst a,Meltzer RS.Effects of pressure on echocardiographic videodensity from sonicated albumin:An in vitro model.J Ultrasound Med.1995,14:109～116
4 Vuille C.Nidorf M,Morrisey RL,et al.Effect of static pressure on the disappearance rate of specific echocardiographic contrast agents.J Am Soc Echocardiogr,1994,7:347～354
5 Mor-Avi V,Shorff SG,Robinson KA,et al.Effects of left ventricular pressure on sonicated albumin microbubbles:Evaluation using an isolated rabbit heart model.J Am Coll Cardiol,1994,24:1779～1785
, http://www.100md.com
6 Ismail S,Anderson TA.Integrated backscatter and digital acquisition during myocardial contrast echocardiography:Is there an advantage over conventional echocardiography for intracoronary injections?J Am Soc Echocardiogr,1995,8:453～464
7 Waltman T,Undesser K,Kwan OL,et al.Variables capable of influencing videointensity measurements from left ventricular contrast opacification.Circulation,1993,88(4,part 2):1～162
8 Morse PM,Ingard KU.Theoretical Acoustics.New York,McGraw-Hill.1968,400～411
9 Powsner SM,Marcus RS.Quantitation of echo contrast effects.Am J Physiol Imaging,1986,1:124～128
(1999-02-01收稿), http://www.100md.com
单位：邓又斌、黎春蕾、张友耿 430022 武汉同济医科大学附属同济医院超声诊断科；松本正幸、潼泽哲 日本金泽医科大学
关键词：超声后向散射；造影剂微气泡；心腔内压力
中国超声医学杂志990803 摘 要 目的与方法：本研究应用声学密度法在体外搏动心脏模型中定量分析压力对声振白蛋白微气泡后向散射强度的影响，并观察正常人体心腔内双氧水微气泡后向散射强度在心动周期中的变化规律。结果：Albunex声振白蛋白微气泡在心腔内压力的作用下，其大小可发生可逆性变化，而这种变化可相应地引起后向散射强度可逆的周期性变化。舒张末期和收缩末期后向散射强度之差与造影剂浓度无关，而与收缩末期压力高低密切相关。在初步的人体研究中，我们也观察到了同样的心腔内造影剂后向散射强度的变化规律。结论：有可能通过应用声学密度法观察心腔内造影剂微气泡后向散射强度变化、无创性估计心腔内压力。
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Effects of Pressure on Intracardiac Backscatter from Microbubbles
Deng Youbin,Li Chunlei,Zhang Yougen
Tongji Hospital,Tongji Medical University,Wuhan,China 430022
Masayuki Matsumoto,Satoshi Takizawa
Kanazawa Medical University,lshikawa-Ken,Japan
ABSTRACT Objective and Methods：The backscatter from sonicated albumin microbubbles(Albunex)was analyzed using acoustic densitometry in an in vitro pulsatile heart model to evaluate the effects of pressure on the backscatter from Albunex,and the cardiac cyclic changes of intracardiac backscatter from hydrogen peroxide microbubbles in 14 healthy persons were analyzed.Results:It was found that the Albunex microbubbles were compressed in systole and decompressed in diastole,causing corresponding changes of backscatter in cardiac cycle.Although the intensities of backscatter in diastole and systole were related with the concentration of microbubbles,the concentraton of microbubbles had no effects on the difference of end-diastolic and end-systolic backscatter.The difference of the backscatter was highly correlated with end-systolic pressure(r＝0.96，P＝0.001).In human studies,we also observed same intracardiac cyclic changes of backscatter from hydrogen peroxide microbubbles.Conclusion:Our study indicates that it is possible to evaluate the intracardiac pressure noninvasively by analyzing the intracardiac backscatter from the microbubbles with acoustic densitometry.
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KEY WORDS Ultrasound backscatter Microbubbles Intracardiac pressure
超声声学造影剂为一种含有微小气泡或注入血液中可迅速产生微小气泡的溶液。目前，人们致力于发现一种经周围静脉注射后能使左心腔及心肌显影的声学造影剂，以观察心肌供血情况。在应用声振白蛋白微气泡造影剂进行经周围静脉注射以观察左心造影效果的研究中，发现收缩期左室腔内超声造影反射视频密度减弱〔1〕。体外实验也有同样的发现〔2～4〕。这促使人们进一步研究压力对造影剂微气泡超声反射的影响。本研究中，我们应用声学密度法(Acoustic Densitometry)在体外搏动心脏模型中定量分析压力对声振白蛋白微气泡后向散射强度的影响，并观察正常人体心腔内双氧水微气泡后向散射强度在心动周期中的变化规律，以探讨通过应用声学密度法测量心腔内造影剂微气泡后向散射强度无创性估计心腔内压力的可能性。
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资料与方法
1.体外实验 建立一体外搏动心脏模型。所用造影剂为声振白蛋白微气泡(Albunex,日本盐田制药)。将一定量的Albunex注入体外模型中。体外模型的压力变化频率为60次/分。舒张压固定为5mmHg不变，收缩压20～100mmHg间变化。每改变一次压力时，改变Albunex剂量，使模型中的Ablunex浓度为0.2%，0.5%,0.8%，1.2%和1.5%。所用仪器为HP 2500超声显像仪，探头频率为3.5MHz，调节仪器，使其处于后向散射图像工作状态，记录每次压力和Albunex浓度改变时的后向散射图像，存贮于光磁盘中。将感兴趣区置于离探头3cm的部位，调节仪器，使感兴趣区为椭圆形，大小为31×31。对后向散射二维图像进行采样，以获得后向散射的时间强度曲线。
2.人体右室、肺动脉内双氧水微气泡后向散射的观察 正常人14例，男性6例，女性8例，平均年龄27岁(11～59岁)。将3%双氧水0.4～0.6ml经周围静脉注入，所用仪器为HP 5500超声显像仪，探头频率2～4MHz。调节仪器，使其处于后向散射图像工作状态，记录每次注射双氧水时的四腔图切面和心底短轴切面，将图像存贮于光磁盘中。将感兴趣区置于右室心尖部和肺动脉干远端。感兴趣区形状取椭圆形，大小为31×31。对以上区域进行采样，以获得后向散射的时间强度曲线。
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3.统计学处理 所有计数资料用均数±标准差表示。多组间比较用方差分析，然后用Scheffe F检验进一步分析每两组间差异显著性。用直线回归法分析两组数据间的相关性。
结 果
1.体外实验 体外实验中我们观察到，Albunex造影剂微气泡后向散射强度在心动周期中发生规律性变化。舒张末期后向散射强度最强，随着收缩期的开始，后向散射逐步减弱，到收缩末期达最低值；舒张期开始后，后向散射逐渐增强，到舒张末期达最高值。这种变化曲线与同步记录的压力曲线极其类似，只是方向相反。在同一收缩期压力情况下，不同浓度时的后向散射强度见表1。从中可看出同一压力情况下舒张末期和收缩末期。Albunex造影剂后向散射强度随造影剂浓度的增加而增强。而舒张末期和收缩末期后向散射强度之差则无明显差异。这说明，虽然舒张末期和收缩末期后向散射强度的绝对值受造影剂微气泡浓度的影响，但两者之差不受造影剂浓度的影响。
表1 不同浓度Albunex时的后向散射强度
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(收缩末期压力为50mmHg时)
0.2%
0.5%
0.8%
1.2%
1.5%
EDIB(dB)
ESIB(dB)
ED-ES(dB)
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EDIB：舒张末期后向散射强度；ESIB：收缩末期后向散射强度；
ED-ED:舒张末期与收缩末期后向散射之差
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同一Albunex造影剂浓度情况下，不同压力情况下的后向散射强度变化见表2。从中可看出，因本实验中舒张末期压力基本保持不变，故舒张末期后向散射强度基本不变；而收缩末期后向散射强度随着收缩末期压力的增高而逐渐减弱。舒张末期与收缩末期后向散射强度之差则随着收缩末期压力的升高而增大。将不同压力和不同浓度的后向散射强度之差与收缩末期压力间进行相关分析，发现两者间有很高的相关性(r＝0.96，P＝0.001，图1)。
表2 不同收缩末期压力时的后向散射强度
(Albunex浓度为0.5%时)
压力(mmHg)
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注：EDIB：舒张末期后向散射强度；ESIB：收缩末期后向
散射强度：ED-ED：舒张末期与收缩末期后向散射之差
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图1 舒张末期与收缩末期后向散射强度之差
(Y轴)和收缩末期压力间的直线相关图
2.正常人体右室、肺动脉内双氧水微气泡后向散射强度的变化
14例正常人中，共进行了30次注射。我们发现，右室和肺动脉干内的造影剂微气泡后向散射强度和体外实验中观察到的变化规律一致，舒张期和收缩期造影剂后向散射强度呈现规律性变化(图2)。从图2中可看出，同一心动周期内舒张末期后向散射强度最强，收缩末期后向散射强度最弱。造影剂出现后的每一心动周期间，同一时相的后向散射强度逐渐减弱，这与造影剂微气泡逐渐从心腔大血管内清除排出有关。不同双氧水注射剂量时，舒张末期后向散射强度为17.8dB～39.8dB(平均29±6.7dB),收缩末期后向散射强度为13.5dB～31.0dB(平均23.1±5.8dB)，两者变化较大。而舒张末期和收缩末期后向散射之差则变化较小(范围3.7dB～8.8dB，平均5.9±1.5dB)。
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ED为舒张末期，ES为收缩末期
图2 肺动脉干内双氧水微气泡后向散射的时间强度曲线
讨 论
声振白蛋白微气泡为目前临床上使用的造影剂之一，其外壳具有弹性。体外实验表明，声振白蛋白微气泡造影剂所处的周围压力增高时，其造影剂超声反射视频密度减弱〔2～4〕。在应用声振白蛋白微气泡造影剂进行经周围静脉注射以观察左心造影效果的体内研究中，同样发现造影剂在左室收缩期压力升高时，左室腔内超声造影反射视频密度减弱〔1〕。有关压力升高引起造影剂微气泡反射减弱的原因有些文献报道认为与微气泡暂时被压缩变小有关〔5〕，有些文献则报道认为与微气泡完全破碎有关〔1，2〕。本研究在体外搏动心脏模型中，应用声学密度分析法定量分析了压力对声振白蛋白微气泡造影剂后向散射强度的影响。这种新的声学密度分析法与传统的超声反射视频密度分析法相比，具有信号丢失少、更敏感地反映造影剂中微气泡后向散射强弱〔6、7〕。我们在体外实验中发现，造影剂微气泡后向散射强度在收缩期压力升高时减弱，而在舒张期压力降低时可恢复原强度。由于微气泡的后向散射强度依赖于微气泡的大小〔8、9〕，故本体外实验间接证明压力升高引起的微气泡后向散射的减弱主要是由微气泡变小引起的。
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我们发现，造影剂微气泡的后向散射强度在心动周期中随心腔内压力的变化而改变，收缩期压力升高而后向散射强度减弱，舒张期压力减低而后向散射强度增强，后向散射强度曲线与同步记录的心腔内压力曲线类似，只是变化方向相反。在收缩末期压力一定的情况下，收缩期后向散射强度与造影剂的浓度成正比，但舒张末期与收缩末期的后向散射强度之差则无明显变化。另外，舒张末期与收缩末期的后向散射强度之差与心腔内收缩末期压力高低明显相关。这表明，测量声振白蛋白微气泡造影剂后向散射的强度可反映心腔内压力的高低。
结论：本研究表明，Albunex声振白蛋白微气泡在心腔内压力的作用下，其大小可发生可逆性变化，而这种变化可相应地引起后向散射强度可逆的周期性变化。舒张末期和收缩末期后向散射强度之差与造影剂浓度无关，而与收缩末期压力高低密切相关。在初步的人体研究中，我们也观察到了同样的心腔内造影剂后向散射强度的变化规律，提示有可能通过应用声学密度法观察心腔内造影剂微气泡后向散射强度变化、无创性估计心腔内压力。
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参考文献
1 Shapiro JR,Reisner SA,Lichtenberg GS,et al.Intravenous contrast echocardiography with use of sonicated albumin in humans:Systolic disappearance of left ventricular contrast after transpulmonary transmission.J Am Coll Cardiol,1990,16:1603～1607
2 Brayman AA,Azadniv M,Miller MW,et al.Effect of static pressure on acoustic transmittance of Albunex microbubble suspensions.J Am Soc Echocardiogr,1996,99:2403～2408
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3 Gottlieb S,Ernst a,Meltzer RS.Effects of pressure on echocardiographic videodensity from sonicated albumin:An in vitro model.J Ultrasound Med.1995,14:109～116
4 Vuille C.Nidorf M,Morrisey RL,et al.Effect of static pressure on the disappearance rate of specific echocardiographic contrast agents.J Am Soc Echocardiogr,1994,7:347～354
5 Mor-Avi V,Shorff SG,Robinson KA,et al.Effects of left ventricular pressure on sonicated albumin microbubbles:Evaluation using an isolated rabbit heart model.J Am Coll Cardiol,1994,24:1779～1785
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6 Ismail S,Anderson TA.Integrated backscatter and digital acquisition during myocardial contrast echocardiography:Is there an advantage over conventional echocardiography for intracoronary injections?J Am Soc Echocardiogr,1995,8:453～464
7 Waltman T,Undesser K,Kwan OL,et al.Variables capable of influencing videointensity measurements from left ventricular contrast opacification.Circulation,1993,88(4,part 2):1～162
8 Morse PM,Ingard KU.Theoretical Acoustics.New York,McGraw-Hill.1968,400～411
9 Powsner SM,Marcus RS.Quantitation of echo contrast effects.Am J Physiol Imaging,1986,1:124～128
(1999-02-01收稿), http://www.100md.com