基于磁共振成像的颈动脉粥样硬化相关血流动力学研究进展

隋滨滨，薛蕴菁，高培毅

动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）是严重威胁人类生命健康的疾病之一，其导致的心脑血管疾病的发病率和死亡率均居各类疾病前列[1-2]。血流动力学方面的研究显示，动脉粥样硬化斑块病变多位于血管分叉、弯曲等血流动力学状态复杂或突然发生变化的部位，提示动脉血流动力学状态与动脉粥样硬化病变的发生发展密切相关[3-6]。

1 动脉粥样硬化的血流动力学发病机制假说

AS是一种以大动脉内膜粥样硬化性损害为特征的血管病变[7-8]，主要累及大、中型动脉，引起不同程度的血管腔闭塞，使受阻动脉远端缺血而导致局部组织坏死。目前占主流地位的是学者Ross[9]于20世纪90年代提出的损伤应答学说，该学说的主要观点认为，AS是一种针对血管壁内皮细胞和平滑肌细胞受损的慢性过度炎症纤维增殖性反应，粥样硬化斑块形成的途径之一是各种原因引起的内皮细胞损伤，在血流动力学因素作用下发生血管内皮细胞通透性改变，低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）进入内皮，内皮细胞分泌单核细胞趋化蛋白21（monocyte chemotactic protein 21，MCP21）使单核细胞进入血管内皮并吞噬LDL，最终形成泡沫细胞，后者即是AS形成的基础。

血流动力学应用流体力学理论和方法研究血液在血管内流动规律及其影响因素，可用于探讨血液流动变化与血管病理生理学之间的关系。AS是由多种危险因素长期累积形成，表现为血管物理性状的改变，是其血流动力学环境、血液成分及其流变学改变的直接反映。血流状态的稳定性、血流速度和方向以及血流对血管壁细胞（内皮细胞和平滑肌细胞）产生的切应力大小都会因血管几何构型的改变而发生复杂的变化[10-11]。学模型，结合图像后处理技术，对局部血流速度、壁应力的大小、分布及时间变化进行直接在体测量，重建血流速度拟合图及管壁切应力伪彩图，从而评估动脉局部血流模式[15-16]。

2 磁共振成像技术在动脉血流动力学评价中的应用

包括计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超声及介入在内的影像学技术能够提供有关血管形态和血流速度的数据，越来越多的研究者开始应用影像学方法对动脉血流动力学状态进行评估[12-13]。其中，MRI图像分辨率高，成像不受部位限制，定位准确，能够同时实现对血管几何形态、血管壁特征、血流速度的无创性测量，在此方面显示出良好的应用前景。利用MRI血管成像技术获取的血管几何形态数据，应用医学图像分析及后处理软件，可提取并重建颈动脉分叉三维结构图像；应用相位对比法（phase contrast MRI，PC-MRI）成像技术，可相对准确地获取血管内每个像素点的血流速度向量值，反映一个心动周期内血流速度的变化，提供血流动力学评估的必要信息。

基于MR数据对动脉血流动力学的评估可通过计算流体力学方法（computed fluid dynamics，CFD）实现。将影像获取的血管形态和速度数据导入专业后处理工作站，应用专业软件可以重建局部流体场，计算血流速度、血流率、壁应力、静态压力等多项血流动力学参数，显示一个心动周期内局部血流状态及变化[13-14]。基于PC-MR数据，通过建立合理的数

3 基于MRI技术的颈动脉分叉血管壁切应力研究

颈动脉分叉附近区域是动脉粥样硬化病变的最好发部位之一。颈动脉粥样硬化病变是卒中的首要危险因素[17]。对颈动脉血流动力学因素的研究，有助于深入了解动脉粥样硬化病变的发病机制和发展过程。

3.1 正常及狭窄颈动脉分叉相关血流动力学研究 Younis等[18]研究显示，分叉部位外侧壁附近容易形成血流分离区，导致局部存在低血流、低管壁切应力（wall shear stress，WSS）和高振荡切应力区域；分叉下游区易出现逆流并有次级血流模式形成。通过建立低剪切应力诱导兔颈动脉粥样硬化模型，周仕勇等[19]发现低WSS可促使脂质在血管壁内膜的堆积。现有多项研究发现，低WSS、随时间变化的切应力和高振荡切应力是动脉粥样硬化病变形成的重要影响因素。

动脉粥样硬化病变造成的血管狭窄可引起血流动力学的变化，主要表现为局部切应力增加、压力下降、血液流速增快[18，20]。这些都导致一系列细胞水平和血管重构的改变。高切应力诱导纤维帽变薄，抑制平滑肌细胞的增殖和活性[21]；狭窄区血液流速增加会导致局部静态压下降，从而引起局部血管变形重塑[22]。

Xue等[6]研究发现，正常颈动脉球部管腔中心流速较快，接近层流，而周边大部分流速减慢，出现涡流；颈动脉球部存在一个较大范围的低WSS区，颈内、外动脉的外侧壁分别存在一个小范围低WSS区。轻度狭窄的颈动脉球部，层流模式的血流区域较正常血管更多，球部低WSS区也相对缩小或消失，WSS在狭窄区域的入口处及狭窄段升高，最大值范围68～235 Pa，而在狭窄下游降低；中至重度狭窄血管段的局部血液流速明显加快，在狭窄中心区域的血流为层流模式，呈喷射状向颈内动脉远端流动，狭窄下游可见明显涡流和回流。狭窄中央区和血流喷射区存在异常高WSS区，最大值范围201～563 Pa，在狭窄下游可见低WSS区，且与下游的血液紊流区相对应。

3.2 颈动脉斑块易损性与局部血流动力学相关研究进展 斑块易损性与临床缺血事件的发生密切相关。近年来，对颈动脉斑块局部血流动力学的研究提示斑块局部血流动力学与斑块内容物、表面形态的变化有密切相关性，在斑块易损性的发展中起到重要作用[23-27]。

斑块破裂通常发生于斑块上游肩部位置，研究发现流体力学分布与斑块破裂位置一致。Cicha等[28]发现86%的斑块破裂出现在斑块近端，局部可见明显增高的WSS；而斑块远端可见内皮细胞的侵蚀，局部出现低WSS，血流明显紊乱，符合斑块向远端血管进一步发展的血流动力学机制。Jing等[29]通过比较纤维帽破裂组与完整组，发现纤维帽破裂组的最大WSS、平均WSS均明显高于纤维帽完整组；而破裂组的最小静态压、平均静态压明显低于完整组，从而提出，WSS和静态压的协同作用可能是导致斑块破裂的因素；WSS在局部区域升高会造成内皮细胞受损；而周围压力急剧降低可能造成斑块急剧变形，容易引起斑块破裂。而Teng等[30-31]的研究应用流固耦合的方法发现，斑块局部的结构应力（斑块壁应力）远高于血流剪切力，认为前者可能是导致斑块破裂的主因，而后者可能起到对管腔表面的长期弱化作用。

斑块出血是影响斑块稳定性的重要因素。出血斑块较无出血斑块相比，斑块应力明显增高[32]。研究发现[33]，斑块局部的最大主应力、牵拉力的大小和变化在斑块内的新生血管周围最为明显，提示斑块局部的机械力环境可能通过引起新生血管破裂从而导致斑块内出血的形成和发展。另外，一项对斑块超微超顺磁性氧化铁增强MR研究[34]也发现，斑块炎性反应与局部生物机械应力之间存在密切相关性。

综上所述，颈动脉斑块的发生、发展及稳定性变化可能是动脉局部血流动力学特性的综合作用。随着MR技术的发展和图像分辨率的提高，动脉血流动力学的分析将成为今后易损性患者评估的重要方面。由于目前多数研究应用的流体力学重建需要建立大量的数学及流体力学假设才能完成，在体流体力学模型的建立和发展可能是未来动脉血流动力学评估的一个潜在方向。

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【点睛】

本文对基于MR成像的颈动脉粥样硬化相关血流动力学研究进展进行综述，旨在加深对本领域的了解，并为进一步研究打下基础。