不同对比剂浓度对准分子激光消蚀作用的影响：体外研究

何攀 史杨 陈海威 杨俊杰 郭军 陈韵岱 汪奇

随着设备和技术的不断进步，准分子激光冠状动脉斑块消蚀术（excimer laser coronary atherectomy， ELCA）在冠心病治疗中备受关注［1-4］。目前，临床上所采用的准分子激光为氯化氙脉冲激光，波长为308 nm。该技术主要通过光化学效应、光热效应和光机械效应的协同作用［5-6］，对冠状动脉内的粥样硬化斑块进行消蚀，从而减少斑块体积，促进后续球囊扩张和支架置入，以优化手术结果。

ELCA对血管内斑块的消蚀作用受到不同液体介质的影响。早期ELCA在冠心病治疗中直接在血液中进行，并通常采用较大直径的激光纤维导管，增加了夹层和穿孔的风险。尽管生理盐水注射技术显著减少了夹层、穿孔等严重并发症的发生，但同时也降低了ELCA的治疗效果。

最近几项临床研究结果表明，在球囊扩张之前进行ELCA联合生理盐水注射技术治疗支架内再狭窄，似乎并不能提供额外的管腔获益［7-8］。另有研究表明，生理盐水注射技术并不能裂解钙化病变［9］。此外，最近的激光立场文件推荐生理盐水注射技术仅用于血栓性病变，对于其他复杂冠状动脉病变包括钙化性病变、支架内再狭窄等，推荐对比剂注射技术（ELCA时注射对比剂）治疗［10］。然而，该文件并未具体说明所注射对比剂浓度和技术标准，对于对比剂注射技术仍尚存许多未知。

因此，本研究旨在通过体外实验探讨对比剂浓度对准分子激光消蚀斑块作用的影响，旨在为对比剂注射技术的应用提供更多的数据指导。

1 材料与方法

1.1 准分子激光系统

本研究采用了C V X-30 0 准分子激光系统（Spectranetics， Colorado Springs，CO，USA），其发射波长为308 nm，脉冲持续时间为135 ns的氯化氙准分子激光。所使用的同心设计的激光导管，能够传递最大能量密度80 mJ/mm2以及脉冲频率80 Hz。激光发射器在开机预热5 min后，通过标准激光纤维导管进行参数校正。

1.2 血管斑块模型

鉴于人体标本的稀缺性，本研究选用了“鸡肉肠”为血管斑块模型。其主要成分包括每100 g中的碳水化合物15.6 g、脂肪10.4 g、胆固醇57 mg、蛋白质14 g、钙9 mg等。该模型的尺寸为长35 mm、直径16 mm，通过使用直径为1.8 mm的穿刺针形成管腔。

1.3 对比剂

本研究中使用的对比剂为碘克沙醇注射液（GE Healthcare，Chicago，IL，USA）。

1.4 光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）

本研究采用OCT系统（C7XR； ILUMIENTM Optis TM；St.Abbott Medical， Chicago，IL，USA）对斑块模型进行检查。在OCT检查过程中，2.7 F成像导管沿鞘管引入管腔，远端穿出管腔，设定自动回撤速度为18 mm/s，扫描频率为100帧/s。同时向鞘管内推注对比剂，排空管腔内气体，以获得清晰图像完成OCT检测。在OCT图像分析中，获得长35 mm的管腔图像后，去除近端和远端各10 mm的区域，对中间15 mm图像的每一帧管腔进行定量分析，计算平均管腔面积。

1.5 水听器

水听器作为一种测量冲击波压力的装置。采用压电敏感元件来检测和捕获准分子激光在液体中产生的冲击波压力，将其转化为与相应压力成比例的电压输出。本研究使用RHSA-30水听器，其工作范围为20 Hz～20 kHz，接收敏感度为-172 dB。水听器在水平面无方向性，在垂直面（50 Hz，240°）有（±2）dB的方向性。

1.6 示波器

示波器是一种电子测量仪器，用于可视化和量化电信号的波形，将其转化为可观察的波形，同时自动计算相关的电压值。本研究采用泰克TDS7104数字示波器，模拟带宽为1 GHz，采样率为10 GS/s。

1.7 方法

1.7.1 激光消蚀实验步骤 使用经修剪处理的6 Fr桡动脉鞘管连接至斑块模型（图1A）。通过鞘管注射生理盐水充满管腔，对斑块模型进行OCT检查，并记录基线平均管腔面积。随后，使用经参数矫正的0.9 mm激光纤维导管对模型进行消蚀，激光发射通量设定为80 mJ/mm2，脉冲重复频率为80 Hz。导管以平均速度0.5 mm/s向前推进。在激光消蚀的同时，通过桡动脉鞘管向管腔内注射相应浓度的对比剂，注射速度为1 ml/s。当激光纤维导管完全通过管腔后，即完成第1次消蚀。立即对管腔进行OCT检查，记录第1次消蚀后的平均管腔面积。按照相同步骤进行第2次和第3次消蚀，记录第2次和第3次消蚀后的管腔面积。完成1组实验（图2）。重复上述实验步骤，根据激光消蚀时注射对比剂浓度的不同，共完成5组实验，即生理盐水组、25%浓度组、50%浓度组、75%浓度组和100%浓度组。

图1 研究装置示意 A.激光消蚀实验示意图；B.激光冲击波压测量实验示意图Figure 1 Schematic diagram of the experimental setup

图2 75%浓度对比剂注射时准分子激光对斑块组织消蚀的OCT 图像 A.基线时的管腔面积为1.86 mm2； B.激光第1 次消蚀后的管腔面积为2.52 mm2； C.激光第2 次消蚀后的管腔面积为2.89 mm2； D.激光第3 次消蚀后的管腔面积为3.28 mm2Figure 2 OCT image of plaque tissue ablation by excimer laser with 75% contrast medium injection

1.7.2 激光冲击波力测量实验步骤 准备5个直径为15 cm、高度为20 cm的圆柱形水箱，分别注满0.9%生理盐水、25%浓度对比剂、50%浓度对比剂、75%浓度对比剂和100%浓度对比剂。将水听器压力探头完全浸入液体中并固定位置。将直径为0.9 mm的激光纤维导管轴向垂直于水听器探头，间距为2 mm，将水听器的输出端连接到示波器（图1B）。准分子激光系统的激光发射通量设定为80 m J/m m2，脉冲重复频率为80 H z。记录示波器自动计算的电压均方根值（r o o t m e a n square， RMS）。RMS与冲击波压力的换算公式为冲击波压力（atm）=RMS×9.87×106（1 atm=101.325 kPa），在每组液体中进行3次重复测量。

1.8 统计学分析

采用SPSS 28.0统计软件（IBM，Armonk，NY，USA）对数据进行分析。对于连续变量，进行了Kolmogorov-Smirnov正态性检验，符合正态分布的数据用均数±标准差表示。多组间比较采用单因素方差分析（ANOVA），随后采用LSD检验进行事后分析。通过Pearson相关性检验评估变量之间的相关性，并计算相关系数（r），以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同浓度对比剂注射时准分子激光对斑块组织消蚀的数据（表1）

表1 不 同浓度对比剂注射时准分子激光对斑块组织消蚀的数据（±s）Table 1 Data on plaque tissue ablation by excimer laser with different contrast medium injection concentrations（±s）

表1 不 同浓度对比剂注射时准分子激光对斑块组织消蚀的数据（±s）Table 1 Data on plaque tissue ablation by excimer laser with different contrast medium injection concentrations（±s）

注：a～d，各行间上标不同小写字母表示差异有统计学意义 （P ＜0.001），上标相同小写字母表示差异无统计学意义 （P ＞ 0.05）；e，第3次消蚀后的管腔面积与基线管腔面积的差值。

平均管腔面积（mm2）对比剂浓度生理盐水组100%浓度组基线 1.88±0.07d 1.88±0.13d 1.89±0.12d 1.90±0.07d 1.86±0.08d 25%浓度组50%浓度组75%浓度组第1 次消蚀后 1.90±0.08d 2.00±0.10c 2.10±0.14b 2.21±0.22a 2.01±0.12c第2 次消蚀后 1.93±0.06e 2.14±0.14d 2.54±0.23b 2.84±0.16a 2.42±0.23c第3 次消蚀后 1.96±0.07d 2.55±0.13c 2.86±0.20b 3.26±0.40a 3.19±0.19a消蚀面积f 0.07±0.08d 0.68±0.17c 0.96±0.20b 1.36±0.43a 1.33±0.18a

5组的基线平均管腔面积差异无统计学意义。经过3次消蚀后 ，75%浓度组和100%浓度组获得消蚀面积相似（P＞0.0 5），两组均大于50%浓度组、25%浓度组和生理盐水组（均P＜0.001），其中50%浓度组的消蚀面积显著大于25%浓度组和生理盐水组（均P＜0.001），而25%浓度组显著大于生理盐水组（P＜0.001）。在生理盐水组中，激光消蚀效果相对较弱，每次消蚀后管腔获益为0.02～0.03 mm2；经过3次消蚀后，管腔面积增加约0.07 mm2。

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2.2 准分子激光在不同浓度对比剂中的冲击波压力的数据 （图3）

图3 准分子激光在不同浓度对比剂中的冲击波压力的数据Figure 3 Data on shockwave pressure of excimer laser in different contrast medium concentrations

准分子激光在75%浓度组和100%浓度组中产生的冲击波压力值差异无统计学意义（P＞0.05），均高于在50%浓度组、25%浓度组和生理盐水组中的冲击波压力（均P＜0.001）；其中，在50%浓度组中产生的冲击波压力高于25%浓度组和生理盐水组（均P＜0.001），而25%浓度组中产生的冲击波压力高于生理盐水组（P＜0.001）。 在生理盐水组中，激光产生的冲击波压力（2.72±0.63 ）atm。

2.3 激光的冲击波压力与其消蚀面积的相关性分析（图4）

结果显示，准分子激光对斑块的消蚀面积与其在同等浓度对比剂中产生的冲击波压力存在正相关（r=0.9987，P＜0.001）。

3 讨 论

本研究中，通过体外实验，得出了以下主要发现。（1）准分子激光的消蚀作用与对比剂浓度相关。当注射生理盐水时，准分子激光对斑块的消蚀作用较低，随着对比剂浓度的增加，消蚀作用逐渐增强，当浓度达到75%时，消蚀作用达到峰值，此后增加浓度并不会进一步增加准分子激光的消蚀作用。（2）对比剂浓度对准分子激光冲击波压力的影响也呈现相似的趋势。（3）准分子激光产生的冲击波压力与其消蚀面积之间存在显著的正相关。

准分子激光对斑块的消蚀过程是在与组织充分相互作用后开始的，由光热、光力学和光化学机制组成。确定过程中各个机制的相对权重相当复杂，可能会受到波长、脉冲持续时间、能量、照射面积、组织组成和结构等参数的影响。在本研究中，经过对激光波长、脉冲时间、发射能量、脉冲频率、激光纤维导管直径、激光推进速度、斑块模型性质、斑块管腔初始面积等因素的控制，测量了不同对比剂浓度下准分子激光产生的冲击波压力及对斑块组织的消蚀面积，并进行了相关性分析。研究结果显示，准分子激光产生的冲击波压力与消蚀面积存在显著的相关性（r=0.9987）。因此，可以认为，对比剂浓度对激光消蚀作用的影响主要通过改变准分子激光在液体中冲击波效应机制发挥。

不同液体介质对准分子激光冲击波的影响已得到研究证实。在Baumbach等［11］的研究中，测量了通过1.7 mm直径的激光纤维导管传输的308 nm准分子激光在不同对比剂浓度液体中产生的冲击波压力的大小， 浓度对冲击波压力的影响呈现与本研究相似的趋势。然而，当改变激光源为355 nm波长时，对比剂浓度对冲击波压力的影响则呈相反趋势［12］。

液体介质对准分子激光消蚀效果及冲击波压力的影响与液体溶质光吸收特性有关。生理盐水主要吸收波长为1 000 nm以上的光波，对308 nm波长的中紫外激光吸收较弱（吸收系数只有约0.01 cm-1）［13］。而对比剂中的碘元素对308 nm波长的激光具有较好的吸收特性，75%浓度对比剂液体对308 nm波长的激光吸收系数约为25 cm-1［12］。当液体吸收更多的激光能量后，会产生更多的空化气泡和压力冲击波［14-15］，导致准分子激光更强的消蚀作用，但也可能增加夹层、穿孔等严重并发症的发生风险。

为了减轻冲击波压力的影响，临床上更倾向于采取“生理盐水注射”技术。尽管该技术在减少夹层、穿孔等并发症的数量方面已被临床证明有效［16］，但由于生理盐水对308 nm波长的光线的低吸收特性，激光产生的冲击波效应较弱。激光主要在径向路径上对与导管尖端接触的斑块进行消蚀，对径向垂直的血管壁的作用很小［10］，因此，对血管内斑块组织的消蚀效率较低。在本研究生理盐水组中，准分子激光每次对斑块模型进行消蚀后，管腔获益仅为0.02～0.03 mm2。经过共3次的消蚀后，管腔面积增加约0.07 mm2。同样的，临床研究数据显示，ELCA联合生理盐水注射技术对冠状动脉病变的预处理，似乎并不能提供额外最终管腔获益［17］。此外，激光治疗立场文件推荐将生理盐水注射技术仅用于血栓性病变，对于其他复杂冠状动脉病变，推荐采用ELCA联合对比剂注射技术治疗［10］。

既往研究表明，对比剂注射技术能够有效治疗支架膨胀不全和钙化病变等［18-19］。然而，关于对比剂浓度对准分子激光消蚀效果影响的研究仍然有限。在本研究中，发现增加对比剂浓度会导致消蚀作用的增加，至达到最大值，即75%浓度。因此，基于本研究的结果以及国内外最新研究进展，提出了一个设想：认为可以通过调整所注射的对比剂浓度来调节准分子激光的作用强度，将ELCA的作用强度分为4个等级（图5）：1级（生理盐水）、2级（25%浓度对比剂）、3级（50%浓度对比剂）和4级（75%浓度对比剂），推荐进行血管内影像学检查以了解病变的具体特点后，选择较低的层次作为起点（或根据病变特征选择适当的强度等级作为起点），然后逐步升级，以实现对ELCA技术的精确控制。通过这种方式，在确保治疗效果的同时，最大限度地减少严重并发症的发生。

图5 准分子激光作用强度等级划分及推荐病变选择Figure 5 Classification of laser ablation intensity levels and recommended lesion selection

由于人体血管内动脉粥样硬化斑块组织的稀缺性，选择使用其他模型替代斑块组织。最初尝试了几种不同的模型，包 括猪离体肌纤维组织、琼脂模型、慢性完全闭塞病变模型等。通过OCT观察和实验对比，最终确定“鸡肉肠”为本研究中的斑块组织模型。其优点在于：（1）两者的OCT图像特征相似；（2）在实验中该模型表现出良好的重复性且容易获取。尽管这一模型不能完全模拟血管内斑块组织，从而导致本研究结果与临床结果存在一定的偏倚，但本研究为准分子激光联合不同浓度对比剂注射时对同一组织消蚀效果进行比较分析提供了数据。本研究能够较好地反映不同浓度对比剂对准分子激光消蚀作用的影响，为对比剂注射技术的进一步研究和临床应用提供了线索。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突