年龄对颈动脉血流动力学影响的初步研究①

秦海强，赵性泉，周萍，张宁，隋滨滨，王拥军

年龄对颈动脉血流动力学影响的初步研究①

秦海强1a，赵性泉1a，周萍2，张宁1a，隋滨滨1b，王拥军1a

目的 研究年龄对颈总动脉血流动力学参数的影响。方法47名不同年龄健康受试者的双侧颈动脉分别被MR扫描，在颈动脉分叉部位下2 cm颈总动脉平面上，把颈总动脉壁平均分为24等份，利用相位对比MRI和三维抛物面模型拟合的方法，计算每个空间位置一个心动周期内的平均剪切力以及空间位置上最小的剪切力。观察年龄对颈动脉血流动力学参数的影响。结果有9名受试者的9条颈动脉，因难以耐受较长时间的扫描或扫描结果有伪影，在分析时排除。余85条血管颈动脉血管壁上平均剪切力及空间位置上最低剪切力分别为(7.45±2.12)dyne/cm2和(5.98±1.93)dyne/cm2，均与年龄负相关(P＜0.05)。结论随着年龄的增长，颈总动脉总的平均剪切力和空间分布最低剪切力下降。

颈动脉；血流动力学；年龄

在所有脑卒中中，缺血性脑卒中超过80%[1]。颅外颈动脉粥样硬化已被确认为缺血性脑血管病的危险因素[2-4]。约20%～25%的脑卒中是由于颈动脉粥样硬化性斑块引起[5-6]，颈动脉易损斑块易导致栓子脱落，随血液循环阻塞远端血管，导致栓塞性脑卒中[7-8]。研究颈动脉粥样硬化性斑块对卒中的影响及颈动脉粥样硬化的发生机理有重要的临床意义，有助于卒中的病因、发病机制分析，并为个体化的诊断、治疗和预防提供基础。

近年来的研究表明，动脉粥样硬化的形成和发展与局部血流动力学因素密切相关[9-11]，如局部血流速度、血管壁的张应力、湍流、剪切力等，尤其是剪切力与动脉粥样硬化之间的关系研究较多[12]。在低剪切力条件下，有利于血管壁对氧化低密度脂蛋白的摄取，而发生动脉粥样硬化[13]。年龄是动脉粥样硬化的重要危险因素，随着年龄的增长，发生动脉粥样硬化的危险性逐渐增高。据估计，60岁以上的老年人中约9%有颈动脉粥样硬化。从理论上来，随着年龄的增高，颈动脉管壁剪切力下降，从而导致动脉粥样硬化的发生。本研究将在体观察年龄对颈总动脉管壁血流动力学的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2007年1～12月通过公开招募的方式选取47名健康志愿者入组本研究。

排除标准：①临床确诊或高度怀疑有心脏病、卒中、外周动脉粥粥样硬化病史；②带有神经刺激器、胰岛素泵、心脏起搏器、动脉瘤夹、人工心脏金属瓣膜、体内有金属或磁性物质植入史、眼球金属异物等不能进行磁共振检查；③妊娠期、哺乳期和前30 d内分娩；④幽闭恐惧症；⑤既往有心脑血管疾病、外周血管疾病。

1.2 方法

1.2.1 颈动脉MR扫描 所有受试者接受3.0 T MR扫描仪(Trio-Tim，西门子，埃尔朗恩，德国)扫描检查。患者平卧位，表面线圈(西门子分公司，深圳，中国)置入患者颈部。分别对患者进行左侧和右侧颈动脉扫描。

首先进行矢状位和冠状位扫描，判断颈动脉的形态和分叉所在部位，然后进行在颈动脉分叉部位下2 cm范围内扫描。扫描参数：重复时间(TR)为78.6 ms，回波时间为4.6 ms。层厚5 mm，矩阵为256×256，视野(FOV)为120×120 mm，层面内的分辨率为0.47×0.47 mm2。采用心电门控技术，对搏动的血管在整个心动周期中连续采集，在一个R-R间隔内得到16帧血流相位图和量值图。扫描颈内动脉时，选取颈动脉分叉部位上1 cm范围扫描，扫描参数同颈总动脉。

1.2.2 血流剪切力的计算步骤 剪切力的计算是采用三维抛物面模型拟合方法(Three-dimensional paraboloid model,3DP)[14-15]。首先在每幅量值图上选取初始血管边界。利用自制软件，在血管内设定种子点，设定容差值(最大信号强度与血管边界像素的信号强度之差)为85%，计算机根据信号阈值的差别自动找到边界点，拟合为圆形或椭圆形。将此设为血管的初始边界，并自动复制至相应时相的相位图上。

利用PC-MR相位图可以测出在颈总动脉平面上每个点的速度，并且可以通过后处理方式得到速度等高线图和3DP图显示血流速度分布[16]。根据血管横断面积及血流速度，计算出血流率。以血流率最大值定义为收缩期峰值时的血流率，以血流率最小值定义为舒张末期的血流率。

血管壁剪切力计算应用三维抛物面模型拟合方法。设定扇形计算区域。本研究扇形区域的角度设为90°，厚度设为半径的70%～90%。为了避免血管外噪声点的干扰，设置扇形区域内像素速度值为血管最大速度值20%～80%的像素点被收入计算。扇形区域逆时针旋转，每次15°，每个时相沿血管壁求得24个管壁切应率(WSR)值。血液黏度设为3.5 cP[17]，根据公式分别计算不同时相不同位置局部血管壁剪切力值。对每一等分单独计算，可以计算出每一等份内随心动周期变化的剪切力值，也可以得到某一心动周期瞬时的剪切力分布图。将所有时相所有位置的管壁剪切力(wall shear stress,WSS)值进行平均得到平均剪切力值。

1.2.3 总的平均剪切力和空间分布上最低剪切力的选定

颈总动脉管壁在空间被分为的24个扇区，以每个扇区为一个单位，计算每个扇区在一个心动周期内的剪切力，所有剪切力的均数为总的平均剪切力，而剪切力最低部位上对应的剪切力被定义为空间分布上最低剪切力。

1.3 统计学分析 用SPSS 12.0统计学软件进行统计学分析。年龄与颈总动脉管壁剪切力的关系采用Pearson相关分析和线性回归分析。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

47名受试者中，有9名的9条颈动脉，因难以耐受较长时间的扫描或扫描结果有伪影，在分析时排除在外。对剩下的85条血管进行分析，颈动脉血管壁上平均剪切力及空间位置上最低剪切力分别为(7.45±2.12)dyne/cm2和(5.98±1.93)dyne/cm2。

2.1 计算机后处理影像 利用PC-MR相位图可以测出在颈总动脉平面上每个点的速度，并且可以通过后处理方式得到速度等高线图和3DP图显示血流速度分布。

应用三维抛物面模型拟合方法，可以计算出心动周期任何瞬时间点上，在血管环状壁上任何一点的剪切力。图1显示了收缩期峰值及舒张末期时颈总动脉剪切力的变化。同样，把心动周期分为16个时段，可以计算在颈总动脉同一空间位置上的血管壁剪切力在一个心动周期不同时刻的变化(图2)。

图1 在心动周期内的收缩期峰值和舒张末期，管壁不同位置剪切力的变化

图2 管壁上某一空间位置上剪切力随心动周期的变化

2.2 颈总动脉总的平均WSS与年龄的相关性 颈总动脉总的平均WSS(y)与年龄(x)负相关。回归方程：y=68.8-13.6x。见表1。

表1年龄与颈总动脉总的平均WSS的相关性

2.3 颈总动脉空间最低WSS与年龄的相关性 颈总动脉空间最低WSS(y)与年龄(x)负相关。回归方程：y=58.8-12.0x。见表2。

表2年龄与颈总动脉空间最低WSS的相关性

3 讨论

管壁剪切力是指血流对血管壁腔面的牵引力，低管壁剪切力是动脉疾病最危险的血流动力学因素[18-19]。在低剪切力条件下，有利于血管壁对氧化低密度脂蛋白的摄取[13]。特别是在血流不均一条件下，剪切力的大小与血管平滑肌细胞的密度呈反比[20]。管壁剪切力与血流速率成正比，与血管半径的立方和血液粘稠度成反比。

年龄是动脉粥样硬化的重要危险因素。早期的研究假想，随年龄增长，由于最小工作原理，无论管径粗细，平均管壁剪切力保持恒定[21-23]；但之后的研究发现，随年龄增长管壁剪切力下降[24]。实际上，在人体的研究发现，随着年龄增加，管壁的硬化程度增加[25-29]，管径增大[27]，由于管壁剪切力与血管半径的立方成反比，管径的增大导致管壁剪切力的下降，这种代偿的目的是保持足够的血容量[30]。但是，这种学说与管壁剪切力通过管径调节保持恒定的假说不同[31-32]。在人体的无创性研究也发现，随着年龄增长，颈总动脉直径有所变化。管壁剪切力除受血管半径的影响，还受到血流速度的影响，且管壁剪切力有空间位置上的变化，在血管壁的不同位置(如内侧或外侧)有所不同，这些都使得分析更加复杂化。既往由于技术的限制，无法在体检测出管壁不同位置上剪切力的变化。本研究利用相位对比磁共振分析发现，对于颈总动脉管壁上空间分布上剪切力最小的部位，随着年龄增长，这种剪切力逐渐下降，可能更易在局部动脉粥样硬化斑块。但是从本试验的研究发现，年龄与这种剪切力的相关性较低，提示除了年龄外，还可能会有其他重要因素参于颈动脉粥样硬化的形成。

本研究的不足之处在于检测成本较高，对设备的要求高，不仅需要高分辨的磁共振的检测仪，而且还需要备有表面线圈，限制了临床的广泛应用，也造成了本研究样本量相对较少。今后还应增加样本量进一步研究不同性别之间在颈动脉血流动力学参数上是否有差异。

[1]Bamford J,Dennis M,Sandercock P,et al.The frequency,causes and timing of death within 30 days of a first stroke:the Oxfordshire Community Stroke Project[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry,1990,53(10):824-829.

[2]Beneficial effect of carotid endarterectomy in symptomatic patients with high-grade carotid stenosis.North American Symptomatic Carotid Endarterectomy Trial Collaborators[J].N Engl J Med,1991,325(7):445-453.

[3]Randomised trial of endarterectomy for recently symptomatic carotid stenosis:final results of the MRC European Carotid Surgery Trial(ECST)[J].Lancet,1998,351(9113):1379-1387.

[4]DeBakey ME,Lawrie GM,Glaeser DH.Patterns of atherosclerosis and their surgical significance[J].Ann Surg,1985,201(2):115-131.

[5]Kazmierski MK.[Stenosis of the carotid arteries][J].Wiad Lek,2003,56(5-6):260-265.

[6]Mead GE,Murray H,Farrell A,et al.Pilot study of carotid surgery for acute stroke[J].Br J Surg,1997,84(7):990-992.

[7]Bamford J,Sandercock P,Dennis M,et al.Classification and natural history of clinically identifiable subtypes of cerebral infarction[J].Lancet,1991,337(8756):1521-1526.

[8]Bamford J,Sandercock P,Dennis M,et al.A prospective study of acute cerebrovascular disease in the community:the Oxfordshire Community Stroke Project－1981-86.2.Incidence,case fatality rates and overall outcome at one year of cerebral infarction,primary intracerebral and subarachnoid haemorrhage[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry,1990,53(1):16-22.

[9]Zarins CK,Giddens DP,Bharadvaj BK,et al.Carotid bifurcation atherosclerosis:uantitative correlation of plaque localization with flow velocity profiles and wall shear stress[J].Circulation Res,1983,53:502-514.

[10]Womersley JR.Oscillatory flow in arteries:the reflection of the pulse wave at junctions and rigid inserts in the arterial system[J].Phys Med Biol,1958,2:313-323.

[11]Schulz UGR,Rothwell PM.Major variation in carotid bifurcation anatomy:a possible risk factor for plaque development?[J].Stroke,2001,32:2522-2529.

[12]Glagov S,Zarins C,Giddens DP,et al.Hemodynamics and atherosclerosis:insights and perspectives gained from studies of human arteries[J].Arch Pathol Lab Med,1988,112(10):1018-1031.

[13]Niwa K,Kado T,Sakai J,et al.The effects of a shear flow on the uptake of LDL and acetylated LDL by an EC monoculture and an EC-SMC coculture[J].Ann Biomed Eng,2004,32(4):537-543.

[14]Oyre S,Ringgaard S,Kozerke S,et al.Quantitation of circumferential subpixel vessel wall position and wall shear stress by multiple sectored three-dimensional paraboloid modeling of velocity encoded cine MR[J].Magn Reson Med,1998,40(5):645-655.

[15]Oyre S,Paaske WP,Ringgaard S,et al.Automatic accurate non-invasive quantitation of blood flow,cross-sectional vessel area,and wall shear stress by modelling of magnetic resonance velocity data[J].Eur J Vasc Endovasc Surg,1998,16(6):517-524.

[16]Wu SP,Ringgaard S,Pedersen EM.Three-dimensional phase contrast velocity mapping acquisition improves wall shear stress estimation in vivo[J].Magn Reson Imaging,2004,22(3):345-351.

[17]Papaioannou TG,Stefanadis C.Vascular wall shear stress:basic principles and methods[J].Hellenic J Cardiol,2005,46(1):9-15.

[18]Tavlor CA,Hughes DJR,Zarins CK.Finite element modeling of blood flow in arteries[J].Computer Methods in Applied Mechanies and Engineering,1998,158:156-196.

[19]Irace C,Cortese C,Fiaschi E,et al.Wall shear stress is associated with intima-media thickness and carotid atherosclerosis in subjects at low coronary heart disease risk[J].Stroke,2004,35(2):464-468.

[20]Liu SQ,Tang D,Tieche C,et al.Pattern formation of vascular smooth muscle cells subject to nonuniform fluid shear stress:mediation by gradient of cell density[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2003,285(3):H1072-H1080.

[21]Murray CD.The Physiological Principle of Minimum Work:I.The Vascular System and the Cost of Blood Volume[J].Proc Natl Acad Sci USA,1926,12(3):207-214.

[22]Rodbard S.Negative feedback mechanisms in the architecture and function of the connective and cardiovascular tissues[J].Perspect Biol Med,1970,13(4):507-527.

[23]La Barbera M.Principles of design of fluid transport systems in zoology[J].Science,1990,249(4972):992-1000.

[24]Samijo SK,Willigers JM,Barkhuysen R,et al.Wall shear stress in the human common carotid artery as function of age and gender[J].Cardiovasc Res,1998,39(2):515-522.

[25]Laogun AA,Gosling RG.in vivo arterial compliance in man[J].Clin Phys Physiol Meas,1982,3(3):201-212.

[26]Reneman RS,van Merode T,Hick P,et al.Flow velocity patterns in and distensibility of the carotid artery bulb in subjects of various ages[J].Circulation,1985,71(3):500-509.

[27]Reneman RS,van Merode T,Hick P,et al.Age-related changes in carotid artery wall properties in men[J].Ultrasound Med Biol,1986,12(6):465-471.

[28]Baskett JJ,Lewis RR,Beasley MG,et al.Changes in carotid artery compliance with age[J].Age Ageing,1990,19(4):241-246.

[29]Hansen F,Mangell P,Sonesson B,et al.Diameter and compliance in the human common carotid artery--variations with age and sex[J].Ultrasound Med Biol,1995,21(1):1-9.

[30]Kamiya A,Bukhari R,Togawa T.Adaptive regulation of wall shear stress optimizing vascular tree function[J].Bull Math Biol,1984,46(1):127-137.

[31]Duncan DD,Bargeron CB,Borchardt SE,et al.The effect of compliance on wall shear in casts of a human aortic bifurcation[J].J Biomech Eng,1990,112(2):183-188.

[32]Perktold K,Thurner E,Kenner T.Flow and stress characteristics in rigid walled and compliant carotid artery bifurcation models[J].Med Biol Eng Comput,1994,32(1):19-26.

Effect of Age on Carotid Hemodynamics

QIN Hai-qiang,ZHAO Xing-quan,ZHOU Ping,et al.Department of Neurology,Beijing Tiantan Hospital,Capital Medical University,Beijing 100050,China

ObjectiveTo study the effect of age on the hemodynamics of common carotid artery.Methods47 healthy volunteers were studied.Wall shear stress(WSS)values localized at common carotid artery 2 cm below the bifurcation were calculated with cine phase-contrast MR imaging combined three-dimensional paraboloid(3DP)model.On the spatial distribution,common carotid artery wall was divided into 24 equal parts.Calculate the mean WSS in a cardiac cycle on each part,and choose the minimal WSS value.Then the effects of age on the average WSS and minimal WSS were observed.ResultsTotal 94 common carotid arteries of 47 health volunteers were examined,in which 9 carotid arteries in 9 volunteers were excluded because of uninterpretable high-resolution MRI findings or volunteer's intolerance for the detection.In the remaining 85 common carotid arteries,the average WSS and the minimal WSS during a cardiac cycle on the spatial distribution were(7.45±2.12)dyne/cm2and(5.98±1.93)dyne/cm2respectively.Both average WSS and minimal WSS were negative correlated with age(P＜0.05).ConclusionWith the age increased,mean WSS and minimal WSS on the spatial distribution of common carotid artery decreased.

carotid;hemodynamics;age

[本文著录格式]秦海强，赵性泉，周萍，等.年龄对颈动脉血流动力学影响的初步研究[J].中国康复理论与实践,2012,18(6):573-576.

10.3969/j.issn.1006-9771.2012.06.022

1.首都医学发展科研基金资助项目(2009-3106)；2.北京市科普项目(社会征集类)(Z09020600360917)；3.首都医科大学基础-临床科研合作基金(11021289和1000170791)。

1.首都医科大学附属北京天坛医院，a：神经内科；b：神经影像中心，北京市100050；2.首都医科大学生物医学工程学院，北京市100054。作者简介：秦海强(1974-)，男，河南林州市人，博士，主治医师，主要研究方向：脑血管病的诊治。通讯作者：王拥军。

R543.4

A

1006-9771(2012)06-0573-04

2012-04-28

2012-06-06)

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