局部血流动力学与颈动脉斑块相关性的影像技术研究

李　晓　刘晓晟*

局部血流动力学与颈动脉斑块相关性的影像技术研究

李晓刘晓晟*

颈动脉粥样硬化是缺血性脑卒中的重要发病原因之一。局部血流动力学对颈动脉粥样硬化斑块的形成、发展、破裂起到至关重要的作用，如低切应力促进斑块形成，高切应力诱发斑块破裂等。基于DSA、CTA及MRI获得的三维影像数据的计算流体力学分析及MR相位对比法可获得血管的血流动力学各参数指标。综合斑块的形态、成分特征及斑块周围的血流动力学特征可为临床提供更有价值的信息。

颈动脉；动脉粥样硬化；计算流体力学；磁共振相位对比法

Int J Med Radiol，2016，39（5）：535-538

缺血性脑卒中和短暂性脑缺血发作是最常见的脑血管病类型，我国脑卒中亚型中，近70%为缺血性脑卒中[1]。颈动脉粥样硬化（carotid atherosclerosis,CAS）是引起缺血性脑卒中的主要原因之一。CAS斑块引起的管腔狭窄及CAS易损斑块破裂、脱落引起脑血管栓塞均可致大脑供血不足，引发缺血性脑卒中[2]。因此明确CAS的形成、发展以及易损斑块破裂的主要影响因素对缺血性脑卒中的预防、治疗具有重要意义。

CAS作为全身动脉粥样硬化（atherosclerosis, AS）的一部分受系统性危险因素的影响，如高血压、糖尿病、高脂蛋白血症、吸烟等,但这些因素并不能说明为何CAS斑块易发生于颈动脉分叉等特定部位。目前认为，斑块的位置特异性与局部血流动力学因素密切相关。医学影像技术的发展及流体力学软件的开发为测量在体血管的局部血流动力学情况提供了技术支持。如计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）及MR相位对比法（phasecontrast MR,PC-MR）已应用到对血管流体力学各因素的检测分析中并已取得一定的成果。本文就局部血流动力学对CAS的影响及影像技术在该方面的应用进行综述。

1　局部血流动力学与CAS斑块

在血流动力学的诸多参数中，壁面剪切力（wall shear stress,WSS）是目前公认的在CAS的发生发展中发挥重要作用的参数。WSS是血液流动对血管壁产生的切线方向张力，即血流对管壁的摩擦力。WSS大小（τ）与管腔半径（R）的立方成反比，与单位面积血流量（Q）和血液黏滞系数（μ）成正比，即τ=4μ Q/R3。生理范围的WSS为0.5～1.2 Pa，低于或高于这个范围的称之为低WSS和高WSS。方向不恒定、与时间平均WSS矢量不一致的WSS称之为震荡WSS。

1.1CAS斑块形成与局部血流动力学CAS斑块好发于颈动脉分叉处。在颈动脉分叉处，血流由颈总动脉分流至颈内动脉及颈外动脉，且在颈总动脉末端及颈内动脉起始处形成局部膨大区域，即颈动脉窦，致使血流在颈动脉分叉区域形成流动分离及流动循环，进而导致该区域形成低WSS及震荡WSS[3]。AS斑块是由炎性细胞、脂质、细胞外基质和其他物质在血管壁上堆积形成。目前主要从分子层面及大体形态两个方面观察WSS与斑块的关系。在分子层面，“切应力理论”认为血流通过产生的机械力影响血管生理功能从而诱发AS的发生发展。一方面，功能紊乱的内皮细胞、炎症和病变血管的分布与WSS的大小和模式密切相关：暴露于低WSS和震荡WSS下的动脉内皮细胞具有高表达炎症因子、高细胞凋亡和衰老率及低细胞增殖的特征[4]，这些都是引发血管内膜发生AS的因素。另一方面，湍流区形成的低WSS通过调节细胞间的缝隙连接而改变管腔的通透性，促使生物活性物质（低密度脂蛋白等）从血液中析出并沉积到血管壁，形成早期的AS斑块[5]。可见，内皮细胞可以探测到WSS大小和方向的变化并做出相应的反应。而在大体层面，有研究者用特殊的模型将实验鼠一侧颈动脉构建成包含高WSS、低WSS及震荡WSS 3个区域的血管，并喂以高脂饮食。在对实验鼠的随访期间发现，处于低WSS及震荡WSS区域的血管壁形成斑块，而作为对照的另一侧正常颈动脉并未发现斑块。处于低WSS环境中的斑块扩大较处于震荡WSS环境中的斑块扩大明显[6]。由此可见，低WSS、震荡WSS是诱发CAS形成的重要因素。

1.2CAS斑块发展与局部血流动力学低WSS和震荡WSS诱发CAS斑块形成，而斑块反过来又改变局部的WSS促使下一个斑块的形成和发展。Steinman等[7]认为在管腔狭窄的区域，由于同样体积的血流通过较小横截面积的血管，血流速度加快导致该区域的WSS升高，而狭窄下游的血管则暴露在低WSS和震荡WSS下。斑块下游的低WSS和震荡WSS诱发新的斑块形成。同样的，新形成的斑块下游又形成低WSS和震荡WSS区。因此在狭窄的下游易形成多发斑块，造成血管狭窄[8]。然而，导致狭窄下游形成低WSS和震荡WSS区的管腔狭窄界值还有待确定。

1.3CAS斑块破裂与局部血流动力学众所周知，斑块可引起管腔狭窄，但其成分及形态却是诱发脑血管事件的决定因素，其中颈动脉易损斑块的破裂、脱落是致病的主要形式。易损斑块在组织病理学上表现为丰富的炎性细胞浸润，斑块内出血、薄纤维帽（＜65 μm），大脂质核心（大于斑块总体积的40%）[9]。目前MRI已可以对CAS斑块的出血、纤维帽、脂质坏死核等不同成分进行观察并进行区分，并根据美国心脏病协会提出的AS病理分型标准对斑块进行MRI分型，从而综合评定斑块的易损性。

近期研究发现，只有5%的易损斑块最终发生斑块破裂[5]，此现象提示仅仅以斑块的形态特征及斑块组成来预测斑块的破裂并不充分，而血流动力学可作为预测斑块破裂的一个补充因素[10]。Groen等[5]随访了1例颈动脉斑块病人，分别于首次发现该病人CAS斑块及10个月后斑块破裂行MRI检查，并根据首次的MR影像重建含斑块的三维颈动脉模型用于斑块周围血流动力学分析，将斑块周围的WSS分布及斑块破裂的位置进行配准发现斑块破裂发生于高WSS的斑块上游。Lovett等[11]对421例含破溃斑块的血管进行分析，发现破溃主要发生在斑块的近心端，而斑块的近心端表面WSS较高。分子生物学研究进一步支持了高WSS能够促使斑块破裂的观点。研究发现，高WSS会上调促炎症性因子表达[12]。曾有研究者通过动物实验得出低WSS与斑块破裂有关的结论[13-14]：低WSS会诱导血管局部发生炎症而引起纤维帽厚度和强度的改变。但Peiffer等[15]指出，这些实验研究是基于未发育成熟的血管，低估了机械力的多样性在AS破裂中的作用。综上可见，高WSS诱发斑块破裂，然而诱发CAS斑块破裂的WSS危机界值目前还存在争议，有待进一步研究。

2　颈动脉血流动力学的影像研究技术

多年来，研究者们致力于血流动力学在CAS发生、发展方面的基础和临床研究。临床观察、动物实验、体外模型实验等多种方法相继被引入到研究当中，为CAS的血流动力学机制研究做出了贡献，但是这些研究的局限性显而易见：临床在体测量非常困难并增加了斑块脱落的危险；动物模型操作复杂，随机性大，建模周期长，与人类组织形态上存在差异[16]；体外理想化的动脉模型实验（如用硅玻璃管模拟血管等）昂贵、费时且受实验设备性能限制，无法获得真实的血流动力学各种参数[17]。近年来CFD及PC-MR的迅猛发展为人们提供了有效的血流动力学研究手段。

2.1CFD是针对各种复杂流动的物理现象，利用计算机和数值方法获得流体运动规律和解决流体问题的专门学科，现已深入运用到与流体有关的各个领域中。如今采用DSA、CTA和MRI等影像手段获得人体血管三维各向同性数据已可用于重组图像进而用于CFD分析。

2.1.1DSA一直被作为检测管腔狭窄的金标准。其通过对血管造影来清晰、动态地显示管腔是否狭窄，狭窄的部位及程度，且DSA获取的图像可用于CFD三维重建以获取血流动力学各参数信息。Schirmer等[18]利用DSA图像构建CFD分析模型，发现在颈动脉狭窄处WSS大小为（107±73）dyn/cm2，在斑块中央可达（1 425±1 012）dyn/cm2，而在再循环区，WSS则低至（19±14）dyn/cm2。可见，基于病变血管的CFD分析，可为进一步探索AS发展过程中的血流动力学因素发挥的作用提供技术支持。但DSA在检查过程中也暴露出一定的劣势，如DSA只能获得血管腔内的情况而无法观察到血管壁及斑块的成分，无法一站式地将斑块形态特征与血流动力学特征相统一。

2.1.2CTA相比于基于MR重建的三维模型，CTA重建的模型具有分辨率高的优点。Hayase等[19]利用CTA重建的血管模型发现CAS病人经内膜剥脱术或支架成形术后血流动力学发生变化，如血管经内膜剥脱术后其血流速度最大值仅为支架成形术后的2/3等。这为CAS病人手术的选择提供了另一条思路。但CTA重建影像在血流动力学处理中需要去除骨骼，且CTA分析斑块成分的能力有限，使其应用受限。

2.1.3MRIMRI三维重建主要依靠对比增强MR血管成像（contrast enhanced-MRA,CE-MRA)及时间飞跃法（time of flight，TOF）技术[20]。Sui等[21]应用CEMRA重建三维颈动脉模型，分析不同狭窄程度的颈动脉，发现轻、中、重3种不同狭窄程度的血管，斑块周围压力分别为（-259.34±320.10）Pa、（-954.39± 967.05）Pa、（-2 026.66±2 512.18）Pa，且差异均有统计学意义，表示随着血管狭窄度增大，压力增高。由此可见压力随血管狭窄程度变化明显。此外，TOF亦可用于血管的三维重建，与TOF相比，CE-MRA的优势在于其受血流状态的影响小，而TOF易受血流状态影响造成重建的血管形态失真。但MRI的 TOF序列可使病人无需对比剂即可获得血管的三维影像用于血流动力学分析。此外，MRI的优势在于可以利用不同的序列获得血管形态、斑块形态及所含成分的信息，实现斑块形态学与局部血流动力学的结合。

2.2PC-MR除CFD可用于CAS的血流动力学研究外，PC-MR在血流动力学研究方面也日益重要[22]。现今PC-MR已由原来的2D PC-MR发展到4D PC-MR，能够提供更丰富的血流信息。自20世纪80年代2D-PC磁共振问世以来，PC-MR就作为心血管MRI检查的常规检查部分。而今发展的三维速度编码及三维空间编码（4D PC-MR）进一步促进PCMR在心血管血流动力学方面的应用。4D PC-MR较2D PC-MR的优势在于其可回顾性分析空间上任意点的血流信息，获得速度、WSS、压力等信息。相较于CFD，4D-PC可根据检测到的速度自动分析出管壁上及管腔内的血流动力学各参数值，免去繁杂的血管建模工作，但其对高WSS检测的敏感性较低。此外，在应用PC-MR技术时需注意速度编码敏感度的设定，即PC-MR可以捕获的最大血流速度。当实际速度超过设定的编码速度时，速度值发生翻转，即超过阈值的速度由原来的大速度转变为小速度。然而，若编码速度设定过大，则速度噪声也会相应增大。因此，选取合适的速度编码敏感度对血流动力学研究的准确性至关重要。

医学影像技术是研究血流动力学的重要手段，随着技术的不断发展，基于三维影像数据运用CFD进行血流模拟及4D PC-MR这两种方法所获得的血流动力学参数信息可与斑块的形态学信息结合，为诊断CAS斑块及判断斑块的预后提供更有意义的信息，并有望成为临床、科研工作中可靠的新工具和新方法。

3　总结与展望

颈动脉的特殊解剖结构决定了该处特殊的血流动力学特征，而局部血流动力学与CAS斑块的形成、发展及破裂密切相关。随着技术的进步，采用三维动脉成像与CFD相结合的方法及4D PC-MR技术可综合斑块的形态特征及局部血流动力学信息，更好地评价局部血流动力学因素在CAS斑块的形成、发展及破裂中的作用。导致CAS斑块破裂的WSS危机界值、WSS与斑块内成分的关系以及局部血流动力学因素与血管重塑关系等尚需进一步研究。

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（收稿2015-10-16）

Imaging study on correlation between carotid atherosclerosis and focal hemodynamics

LI Xiao,LIU Xiaosheng.

Department of Radiology,Ren Ji Hospital,School of Medicine,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200127,China

Carotid atherosclerosis is believed to be one of the major causes for ischemic stroke.Focal hemodynamics is closely associated with carotid atherosclerosis,in aspects of formation,development,and rupture.For example,low wall shear stress promotes the formation of plaque and high wall shear stress induces the rupture of plaque. Both computational fluid dynamics derived from three-dimensional images obtained from DSA,CTA,and MRI,and phase contrast MR can be used to obtain hemodynamic parameters.Combining the morphology,composition of plaque,and the hemodynamic around plaque will provide more valuable information to clinic.

Carotid artery;Atherosclerosis;Computational fluid dynamics;Phase contrast MR

10.19300/j.2016.Z3637

R445;R543.4

A

上海交通大学医学院附属仁济医院放射科，上海200127

刘晓晟，E-mail：miaxiaosheng@gmail.com

*审校者

国家自然科学基金（81271575）