超声心肌密度定量与心肌间质Ⅰ、Ⅲ型胶原的关系
作者：胡英 沈学东 蔡乃绳 潘文明 陈灏珠 许玉芳 施广德
单位：胡英 沈学东 蔡乃绳 潘文明 陈灏珠(上海医科大学中山医院心血管病研究所 200032)；许玉芳 施广德(江阴市人民医院心内科)
关键词：超声检查；图像解释；计算机辅助；心肌；胶原；大鼠
中华超声影像学杂志000316
摘 要：目的 评价计算机辅助的超声灰阶分析方法对心肌组织特征定量的准确性。方法 对10只自发性高血压大鼠(SHR)和10只Wistar大鼠分别进行计算机辅助的超声心肌灰阶分析,同时进行心肌胶原含量测定及Ⅰ、Ⅲ型胶原的免疫组化分析。并将两者的结果对照做相关分析。结果 SHR组的灰阶均值及优势灰阶均高于Wistar大鼠组(P<0.05)。SHR组的胶原含量及Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数均高于Wistar大鼠组(P<0.05)。心肌的灰阶均值与胶原含量、Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数相关(分别r=0.61,0.80和0.73,P<0.001)。结论 计算机辅助的超声灰阶分析方法可以反映心肌组织的胶原变化。
, http://www.100md.com
The relationship between myocardial echodensity and myocardial interstitial collagen(Type Ⅰ and Ⅲ)
HU Ying,SHEN Xuedong,CAI Naisheng,et al.
(Shanghai Institute of Cardiovascular Diseases,Zhongshan Hospital,Shanghai Medical University,Shanghai 200032,China)
Abstract：Objective To estimate the relationship between myocardial echodensity and its histopathology.Methods Ten Wistar rats and 10 spontaneously hypertensive rats(SHR) of 26 weeks old were studied.The myocardial grayscale was analyzed by the grayscale histogram using Adobe PhotoShop 3.05 software in the papillary short-axis image obtained by two-dimensional echocardiogram.Meanwhile the concentration and content of collagen were measured,and collagen volume fraction(CVF) of collagen type Ⅰ and type Ⅲ were studied by immunohistochemistry.The relationship between the collagen and the grayscale of myocardium was esfimated by linear regression.Results The mean grayscale was higher in SHR than that in Wistar rats (P<0.05),while the standard deviation was the same (P>0.05).Also the collagen content,collagen volume fraction of collagen Ⅰ and Ⅲ were higher in SHR than those in Wistar rats,and correlated quite well with the myocardial grayscale (r=0.61,0.80 and 0.73,P<0.001,respectively).Conclusions The myocardial grayscale detected by echocardiogram was well correlated with the changes of interstitial collagen.Therefore it was helpful in evaluating the myocardial fibrosis.
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Key words：Ultrasonography;Image interpretation,Computer-assisted;Myocardium;Collagen:Rats▲
本研究旨在明确超声的心肌灰阶与心肌间质胶原的关系,评价计算机辅助的超声灰阶分析方法判断心肌组织特征的准确性。
材料与方法
一、研究对象
26周Wistar大鼠(由上海医科大学动物实验中心提供)及26周自发性高血压大鼠(SHR)(由上海市高血压病研究所动物中心提供)各10只。
二、方法
(一)计算机辅助的超声心肌灰阶分析
1.图像采集:采用美国 HP SONOS 2500超声诊断仪,探头频率 7.5 MHz,记录舒张末期左室乳头肌水平短轴切面于录像带上,通过视霸卡将图像存入586 PENTIUM 90个人计算机待用。
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2.图像分析:采用Window 95支持下的Photo Shop 3.05软件对超声资料进行分析(该软件将各像素的灰阶强度分成0～255,共256级)。首先以心腔的灰阶水平为本底对图像进行校正,每个切面分成室间隔、前壁、侧壁及后壁4个节段。在每一节段中分别随机圈取3个排除心内膜、心外膜在外的固定大小圆形感兴趣区,分析不同区域内的心肌灰阶均值、灰阶分布离散度、优势灰阶等3个指标,3次的平均值代表该节段的心肌密度。同一切面的4个节段的平均值为该切面的整体灰阶水平。
(二)大鼠心肌间质胶原的分析
1.胶原含量测定:参照Bergerman的方法[1]测定大鼠左室心肌的羟脯氨酸浓度。胶原浓度(%)=羟脯氨酸浓度×8.5;胶原含量(mg)=胶原浓度×左室质量。
2.Ⅰ型、Ⅲ型的胶原容积分数:取大鼠乳头肌水平横断切面,常规制作石蜡切片,进行ABC法免疫组化检查:经脱蜡、梯度酒精入水,0.3%H2O2/甲醇去内源性过氧化物酶,0.1%胰蛋白酶暴露抗原,1∶50正常羊血清封闭后,依次加一抗(兔抗鼠Ⅰ型或Ⅲ型胶原抗体,由上海医科大学病理教研组提供)、二抗(马抗兔IgG抗体)、ABC(1∶50),最后经DAB显色,显微镜下观察。Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数用四星图像处理软件进行半定量分析。
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三、统计学处理
计量资料以均数±标准差表示;数据统计采用Windows 95支持下的SPSS6.0软件,组间比较采用t检验,相关分析采用直线相关回归分析方法。
结 果
一、两组大鼠间的计算机辅助超声心肌灰阶分析结果(表1)
表1 两组大鼠的超声组织密度定量结果(
) 组 别
均值
离散度
优势灰阶
Wistar大鼠
, 百拇医药
15.27±3.11
4.88±1.11
15.15±2.09
SHR
22.40±2.42*
5.44±0.98
22.11±2.52*
注:*表示两组间比较差异有意义,P<0.05
SHR组的灰阶均值及优势灰阶均高于Wistar大鼠组(P<0.05),而两组的离散度无差别(P>0.05)。
二、两组间胶原定量及免疫组化的结果(表2)
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表2 两组大鼠间心肌胶原定量及Ⅰ型、Ⅲ型
免疫组化结果比较() 组 别
Ⅰ型胶原
Ⅲ型胶原
胶原含量(mg)
Wistar大鼠
4.86±1.02
4.30±0.88
22.30±5.20
SHR
7.35±0.64*
, http://www.100md.com
7.10±1.70*
29.20±11.80*
注:*表示两组间比较差异有意义,P<0.05
SHR组的胶原含量高于Wistar大鼠组(P<0.05)。SHR组的Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数高于Wistar大鼠组(P<0.05),胶原的容积分数高于Wistar大鼠组(P<0.05)。
三、超声心肌灰阶定量结果与心肌间质胶原的相关性分析(表3)
表3 超声组织灰阶均值与心肌间胶原指标相关性分析 指 标
回归方程
r
, 百拇医药
Ⅰ型胶原
Y=0.42X-2.45
0.80
2.32
Ⅲ型胶原
Y=0.29X-0.06
0.73
2.63
胶原含量
Y=121.5X+744.08
0.61
3.05
, 百拇医药
超声灰阶均值与胶原含量、Ⅰ型胶原的容积分数及Ⅲ型胶原的容积分数相关(P<0.001)。
讨 论
不同的组织结构因其对超声不同的反射、衰减、吸收等特点,在超声上有不同的表现,这也就是超声心肌组织定征的基础[2,3]。当超声界面大于入射超声的波长时,主要引起反射,而当超声界面小于超声波长时产生散射,因此在其反射及散射的信息中包含了心肌组织特征的某些特点。计算机辅助的心肌灰阶分析方法是通过计算机对超声二维图像进行数字化处理,然后计算出每个像素的灰阶值,分析某区域的灰阶分布直方图,从而来反映心肌的组织密度,又称视频分析法。
本实验研究表明,26周的SHR心肌的胶原含量、胶原的容积分数明显高于Wistar大鼠,说明已有胶原的过多堆积。两组大鼠的超声心肌灰阶水平也已显示差别,提示计算机辅助的心肌灰阶分析方法可鉴别心肌间质胶原的变化。比较心肌灰阶均值与胶原的关系,发现灰阶均值与心肌间质胶原含量成正比,这与国外的一些报道相同[4,5]。本实验为明确不同类型的心肌胶原对心肌超声灰阶均值的影响,进一步将灰阶均值与不同类型(Ⅰ、Ⅲ型)胶原的免疫组化容积分数进行相关性分析,结果表明心肌的灰阶均值尚与胶原的不同类型有一定关系,其中以Ⅰ型胶原的相关性更好。这可能与Ⅰ型胶原多数呈粗纤维形式排列,超声的反射信号强,而Ⅲ型胶原多呈细纤维形式排列,超声反射的信号较弱有关。
, 百拇医药
总之,研究结果表明计算机辅助的超声灰阶分析方法可反映心肌间质胶原含量及Ⅰ、Ⅲ型胶原的容积分数的变化,可一定程度评价心肌纤维化的发生。然而由于该方法是对视频信号进行分析,因此在视频信号转换过程中可能出现失真,在图像分析时,由于超声图像本身易受增益调节、近程抑制、远程补偿等因素的影响[2],在临床运用中应注意这些因素对结果的影响。■
基金项目：国家教委博士点基金(96026520)
参考文献：
[1]Bergman I,Loxley R.Two improved and simplified methods for the spectrophotometric determinant of hydroxyproline.Anal Chem,1963,35:1961-1965.
[2]Schecter SO,Teichhloz LE,Klig V,et al.Ultrasonic tissue characterization.Echocardiography,1996,13:415-430.
, http://www.100md.com
[3]刘汉英.综合超声技术对心肌疾患的诊断价值.中国循环杂志,1996,11:252-254.
[4]Mimbs JW,O'Donnell M,Baunens D,et al.The dependence of ultrasonic attenuation and backscatter on collagen content in dog and rabbit hearts.Circ Res,1980,47:49-58.
[5]Doering CW,Jalil JE,Janiki TS,et al.Collagen network remodeling and diastolic stiffness of rat left ventricle with pressure overload hypertrophy.Cardiovasc Res,1988,22:686-695.
(收稿日期：1998-09-02), http://www.100md.com
单位：胡英 沈学东 蔡乃绳 潘文明 陈灏珠(上海医科大学中山医院心血管病研究所 200032)；许玉芳 施广德(江阴市人民医院心内科)
关键词：超声检查；图像解释；计算机辅助；心肌；胶原；大鼠
中华超声影像学杂志000316
摘 要：目的 评价计算机辅助的超声灰阶分析方法对心肌组织特征定量的准确性。方法 对10只自发性高血压大鼠(SHR)和10只Wistar大鼠分别进行计算机辅助的超声心肌灰阶分析,同时进行心肌胶原含量测定及Ⅰ、Ⅲ型胶原的免疫组化分析。并将两者的结果对照做相关分析。结果 SHR组的灰阶均值及优势灰阶均高于Wistar大鼠组(P<0.05)。SHR组的胶原含量及Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数均高于Wistar大鼠组(P<0.05)。心肌的灰阶均值与胶原含量、Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数相关(分别r=0.61,0.80和0.73,P<0.001)。结论 计算机辅助的超声灰阶分析方法可以反映心肌组织的胶原变化。
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The relationship between myocardial echodensity and myocardial interstitial collagen(Type Ⅰ and Ⅲ)
HU Ying,SHEN Xuedong,CAI Naisheng,et al.
(Shanghai Institute of Cardiovascular Diseases,Zhongshan Hospital,Shanghai Medical University,Shanghai 200032,China)
Abstract：Objective To estimate the relationship between myocardial echodensity and its histopathology.Methods Ten Wistar rats and 10 spontaneously hypertensive rats(SHR) of 26 weeks old were studied.The myocardial grayscale was analyzed by the grayscale histogram using Adobe PhotoShop 3.05 software in the papillary short-axis image obtained by two-dimensional echocardiogram.Meanwhile the concentration and content of collagen were measured,and collagen volume fraction(CVF) of collagen type Ⅰ and type Ⅲ were studied by immunohistochemistry.The relationship between the collagen and the grayscale of myocardium was esfimated by linear regression.Results The mean grayscale was higher in SHR than that in Wistar rats (P<0.05),while the standard deviation was the same (P>0.05).Also the collagen content,collagen volume fraction of collagen Ⅰ and Ⅲ were higher in SHR than those in Wistar rats,and correlated quite well with the myocardial grayscale (r=0.61,0.80 and 0.73,P<0.001,respectively).Conclusions The myocardial grayscale detected by echocardiogram was well correlated with the changes of interstitial collagen.Therefore it was helpful in evaluating the myocardial fibrosis.
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Key words：Ultrasonography;Image interpretation,Computer-assisted;Myocardium;Collagen:Rats▲
本研究旨在明确超声的心肌灰阶与心肌间质胶原的关系,评价计算机辅助的超声灰阶分析方法判断心肌组织特征的准确性。
材料与方法
一、研究对象
26周Wistar大鼠(由上海医科大学动物实验中心提供)及26周自发性高血压大鼠(SHR)(由上海市高血压病研究所动物中心提供)各10只。
二、方法
(一)计算机辅助的超声心肌灰阶分析
1.图像采集:采用美国 HP SONOS 2500超声诊断仪,探头频率 7.5 MHz,记录舒张末期左室乳头肌水平短轴切面于录像带上,通过视霸卡将图像存入586 PENTIUM 90个人计算机待用。
, http://www.100md.com
2.图像分析:采用Window 95支持下的Photo Shop 3.05软件对超声资料进行分析(该软件将各像素的灰阶强度分成0～255,共256级)。首先以心腔的灰阶水平为本底对图像进行校正,每个切面分成室间隔、前壁、侧壁及后壁4个节段。在每一节段中分别随机圈取3个排除心内膜、心外膜在外的固定大小圆形感兴趣区,分析不同区域内的心肌灰阶均值、灰阶分布离散度、优势灰阶等3个指标,3次的平均值代表该节段的心肌密度。同一切面的4个节段的平均值为该切面的整体灰阶水平。
(二)大鼠心肌间质胶原的分析
1.胶原含量测定:参照Bergerman的方法[1]测定大鼠左室心肌的羟脯氨酸浓度。胶原浓度(%)=羟脯氨酸浓度×8.5;胶原含量(mg)=胶原浓度×左室质量。
2.Ⅰ型、Ⅲ型的胶原容积分数:取大鼠乳头肌水平横断切面,常规制作石蜡切片,进行ABC法免疫组化检查:经脱蜡、梯度酒精入水,0.3%H2O2/甲醇去内源性过氧化物酶,0.1%胰蛋白酶暴露抗原,1∶50正常羊血清封闭后,依次加一抗(兔抗鼠Ⅰ型或Ⅲ型胶原抗体,由上海医科大学病理教研组提供)、二抗(马抗兔IgG抗体)、ABC(1∶50),最后经DAB显色,显微镜下观察。Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数用四星图像处理软件进行半定量分析。
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三、统计学处理
计量资料以均数±标准差表示;数据统计采用Windows 95支持下的SPSS6.0软件,组间比较采用t检验,相关分析采用直线相关回归分析方法。
结 果
一、两组大鼠间的计算机辅助超声心肌灰阶分析结果(表1)
表1 两组大鼠的超声组织密度定量结果(
) 组 别均值
离散度
优势灰阶
Wistar大鼠
, 百拇医药
15.27±3.11
4.88±1.11
15.15±2.09
SHR
22.40±2.42*
5.44±0.98
22.11±2.52*
注:*表示两组间比较差异有意义,P<0.05
SHR组的灰阶均值及优势灰阶均高于Wistar大鼠组(P<0.05),而两组的离散度无差别(P>0.05)。
二、两组间胶原定量及免疫组化的结果(表2)
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表2 两组大鼠间心肌胶原定量及Ⅰ型、Ⅲ型
免疫组化结果比较(
) 组 别Ⅰ型胶原
Ⅲ型胶原
胶原含量(mg)
Wistar大鼠
4.86±1.02
4.30±0.88
22.30±5.20
SHR
7.35±0.64*
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7.10±1.70*
29.20±11.80*
注:*表示两组间比较差异有意义,P<0.05
SHR组的胶原含量高于Wistar大鼠组(P<0.05)。SHR组的Ⅰ型、Ⅲ型胶原的容积分数高于Wistar大鼠组(P<0.05),胶原的容积分数高于Wistar大鼠组(P<0.05)。
三、超声心肌灰阶定量结果与心肌间质胶原的相关性分析(表3)
表3 超声组织灰阶均值与心肌间胶原指标相关性分析 指 标
回归方程
r
, 百拇医药
Ⅰ型胶原
Y=0.42X-2.45
0.80
2.32
Ⅲ型胶原
Y=0.29X-0.06
0.73
2.63
胶原含量
Y=121.5X+744.08
0.61
3.05
, 百拇医药
超声灰阶均值与胶原含量、Ⅰ型胶原的容积分数及Ⅲ型胶原的容积分数相关(P<0.001)。
讨 论
不同的组织结构因其对超声不同的反射、衰减、吸收等特点,在超声上有不同的表现,这也就是超声心肌组织定征的基础[2,3]。当超声界面大于入射超声的波长时,主要引起反射,而当超声界面小于超声波长时产生散射,因此在其反射及散射的信息中包含了心肌组织特征的某些特点。计算机辅助的心肌灰阶分析方法是通过计算机对超声二维图像进行数字化处理,然后计算出每个像素的灰阶值,分析某区域的灰阶分布直方图,从而来反映心肌的组织密度,又称视频分析法。
本实验研究表明,26周的SHR心肌的胶原含量、胶原的容积分数明显高于Wistar大鼠,说明已有胶原的过多堆积。两组大鼠的超声心肌灰阶水平也已显示差别,提示计算机辅助的心肌灰阶分析方法可鉴别心肌间质胶原的变化。比较心肌灰阶均值与胶原的关系,发现灰阶均值与心肌间质胶原含量成正比,这与国外的一些报道相同[4,5]。本实验为明确不同类型的心肌胶原对心肌超声灰阶均值的影响,进一步将灰阶均值与不同类型(Ⅰ、Ⅲ型)胶原的免疫组化容积分数进行相关性分析,结果表明心肌的灰阶均值尚与胶原的不同类型有一定关系,其中以Ⅰ型胶原的相关性更好。这可能与Ⅰ型胶原多数呈粗纤维形式排列,超声的反射信号强,而Ⅲ型胶原多呈细纤维形式排列,超声反射的信号较弱有关。
, 百拇医药
总之,研究结果表明计算机辅助的超声灰阶分析方法可反映心肌间质胶原含量及Ⅰ、Ⅲ型胶原的容积分数的变化,可一定程度评价心肌纤维化的发生。然而由于该方法是对视频信号进行分析,因此在视频信号转换过程中可能出现失真,在图像分析时,由于超声图像本身易受增益调节、近程抑制、远程补偿等因素的影响[2],在临床运用中应注意这些因素对结果的影响。■
基金项目：国家教委博士点基金(96026520)
参考文献：
[1]Bergman I,Loxley R.Two improved and simplified methods for the spectrophotometric determinant of hydroxyproline.Anal Chem,1963,35:1961-1965.
[2]Schecter SO,Teichhloz LE,Klig V,et al.Ultrasonic tissue characterization.Echocardiography,1996,13:415-430.
, http://www.100md.com
[3]刘汉英.综合超声技术对心肌疾患的诊断价值.中国循环杂志,1996,11:252-254.
[4]Mimbs JW,O'Donnell M,Baunens D,et al.The dependence of ultrasonic attenuation and backscatter on collagen content in dog and rabbit hearts.Circ Res,1980,47:49-58.
[5]Doering CW,Jalil JE,Janiki TS,et al.Collagen network remodeling and diastolic stiffness of rat left ventricle with pressure overload hypertrophy.Cardiovasc Res,1988,22:686-695.
(收稿日期：1998-09-02), http://www.100md.com