基于磁共振成像的颈动脉粥样硬化斑块局部血流动力学平台研究

【摘要】

目的 建立颈动脉MRI和计算流体力学相结合的研究平台,分析颈动脉粥样硬化斑块结构学和血流动力学改变,以探讨血流动力学因素在斑块稳定性评价中的价值｡

方法 共l3例颈动脉粥样硬化性脑血管病患者接受颈动脉MRI和增强磁共振血管成像检查,根据斑块形态分析斑块周围血流动力学参数变化｡

结果 共检出颈内动脉粥样硬化斑块15例次,Ⅳ一V型5例次､Ⅵ型8例次､Ⅶ型1例次､Ⅷ型1例次｡斑块周围血流动力学参数分别为管壁切应力(79.864-57.83)Pa､静态压(.7586.814-9313.83)Pa､血流速度(2.764-1.81)m/s,与正常对照组相比,斑块周围管壁切应力呈不均匀升高､静态压不均匀下降,斑块邻近血流为层流､呈喷射状,血流速度明显增加,且差异具有统计学意义(均P=O.ooo)｡

结论颈动脉MRI与计算流体力学相结合可以实现对颈动脉粥样硬化斑块结构学和血流动力学的综合分析,从而揭示了血流动力学因素可以影响颈动脉粥样硬化斑块的发展和稳定性｡

【关键词】颈动脉;动脉硬化;血流动力学;磁共振成像;磁共振血管造影术

颈动脉粥样硬化是缺血性卒中的首要危险因素,而血流动力学改变是其重要影响因素之一｡血管内局部血流动力学异常改变可以通过各种机制直接或间接引起动脉壁结构变化｡采用计算流体力学(CFD)的方法可以模拟在体血管的血流动力学状态,进而评价颈动脉流体力学改变b]｡但是该项方法仅能反映血管内的血流状态,无法结合动脉粥样硬化斑块成分和形态进行分析｡随着影像学技术的进步,MRI和超声检查已经成为目前评价颈动脉粥样硬化斑块成分的常用工具｡其中,以超声技术最早应用于动脉粥样硬化斑块的评价,但Krasinski等b发现,与MRI相比,采用超声技术计算血管壁厚度时,由于存在分辨力低､超声成像角度不同而易导致扫描层面偏斜｡而MRI能够克服上述问题,并以其良好的可重复性在体评价颈动脉粥样硬化斑块成分和形态､识别斑块破裂与否｡因此,采用MRI和计算流体力学相结合的方法分析颈动脉粥样硬化斑块成分,可综合斑块结构学与血流动力学信息,显示斑块局部血流动力学改变,从而评价血流动力学因素在斑块易损性中的作用｡

对象与方法

一、 观察对象

本研究经首都医科大学附属北京天坛医院道德伦理委员会审核批准，所有受试者均对本研究目的、观察方法和对比剂不良反应知情，并签署知情同意书。

1．纳入标准(1)年龄18～80岁。

(2)影像学检查证实存在颈动脉粥样硬化斑块。

(3)斑块分型为Ⅳ～V型及以上且颈动脉呈中至重度狭窄。

2．排除标准

(1)粥样硬化斑块分型I～Ⅱ和Ⅲ型患者。

(2)颈动脉完全闭塞患者。

(3)非动脉粥样硬化性病变引起的颈动脉狭窄患者。

(4)有MRI检查禁忌证患者。

(5)对比剂过敏患者。

(6)肾功能障碍患者。

(7)由任何原因导致的无法承受或配合MRI检查的患者。

3.一般资料

根据纳入与排除标准,共选择2009年4月一2010年12月经首都医科大学附属北京天坛医院神经内科诊断与治疗的动脉粥样硬化性脑血管病(包括缺血性卒中､短暂性脑缺血发作､脑血管狭窄或颅外血管狭窄)患者13例,男性11例,女性2例;年龄50~74岁,平均(66.17±8.13)岁｡同时选择6例同期在我院进行体格检查的健康志愿者作为正常对照组,均为男性,年龄22~51岁,平均(36±9.84)岁｡

二､观察方法

1.仪器与设备

本研究所用检查设备为德国siemens公司生产的TrioTim3.0TMRI扫描仪,最大切换率200T/(m.ms)､最大梯度强度45mT/m｡采用荷兰MachnetBV公司生产的颈动脉专用四通道表面线圈和德国Siemens公司生产的头颈部联合表面线圈｡

2.MRI检查

受试者仰卧位,下颌稍抬起以显露双侧颈部,颈动脉专用四通道表面线圈置于颈部､缚带固定,连接指脉门控,带激光侧对准食指腹侧｡扫描中心设定为颈动脉分叉部,垂直于血管进行横断面扫描,颈动脉分叉部上下各2am｡

(1)三维时间飞跃(3D—TOF)血管成像:重复时间(TR)21ms､回波时间(TE)3.84ms,翻转角(FA)25｡,扫描视野(FOV)14cm×14cm,矩阵320×240,层厚为1mm,激励次数(NEX)为1次,空间分辨率为O.40mm×0.40mm｡

(2)T:WI序列:采用快速自旋回波(TSE)序列并通过压脂技术抑制皮下脂肪信号,重复时间3000ms､回波时间65ms,扫描视野14cmx14cm,矩阵320×240,层厚2mm,激励次数2次,空间分辨率O.50mm×O.50mm｡

(3)质子密度加权像(PDWI):采用TSE序列并经压脂技术抑制皮下脂肪信号,重复时间3000ms､回波时间13ms,扫描视野14am×14cm,矩阵320×240,层厚2mm,激励次数2次,空间分辨率0.40mm×0.40mm｡

(4)TWI:采用黑血(双翻转恢复)TSE序列和指脉门控,以及压脂技术抑制皮下脂肪信号,重复时间750ms､回波时间12ms,扫描视野14cm×14em,矩阵320×240,层厚2mm,激励次数为2次,空间分辨率O.40mm×0.40mm｡

(5)结果判断:由一位高年资放射科医师分析颈动脉粥样硬化斑块在上述序列的不同信号强度,以判断斑块成分,并根据其信号强度差异进行斑块分型]｡I~Ⅱ型,血管壁略增厚,无钙化;III型,弥漫性内膜增厚或呈小的偏心斑块,无钙化;1V~V型,纤维帽下可见坏死脂质核,可能有钙化;VI型,复杂斑块,可能存在表面缺陷､出血或血栓形成;VlI型,呈钙化斑块;Ⅷ型,呈纤维斑块,无脂质核,可能有小的钙化灶｡

3.颈动脉增强磁共振血管成像

(1)检查方法:采用头颈部联合表面线圈行颈动脉增强磁共振血管成像(cEMRA)｡颈动脉分叉部扫描范围自颈动脉起始部至颈内动脉岩骨段,先行冠状位扫描作为减影蒙片,然后采用高压注射器经肘正中静脉以3ml/s流速注射对比剂30ml,再追加15m1生理盐水冲管｡重复时间2.73ms､回波时间1.15ms,翻转角25o,扫描视野40dmx40mm,矩阵512×352,层厚0.80mm,共扫描96层｡以增强扫描获得的原始冠状位图像与蒙片进行减影,消除颈部软组织信号,并通过颈动脉分叉部血管的最大密度投影(MIP)重建获得三维图像｡颈动脉狭窄测量方法依据北美症状性颈动脉内膜切除术试验(NASCET)标准,狭窄率(%)=(A—B)/A×100%,其中A为狭窄后相对正常的远心端管腔直径､B为最狭窄处残留管腔直径｡

(2)图像后处理:将颈动脉分叉部CEMRA经减影后的DICOM图像导入计算机,采用医学图像后处理软件重建颈动脉,获得颈动脉分叉部血管三维模型,导入计算流体力学前处理器软件划分计算网格,并设置该段血管各项边界条件,即指定颈总动脉横断面为血流入口､颈外动脉和颈内动脉横断面为血流出口､血管壁为壁面､血管内血流为流体,最后导出网络文件]｡

(3)计算流体力学:将上述网格文件导入计算流体力学软件,首先对导入的网格文件进行检查并进行网格优化､平滑和交换｡分别将颈动脉管壁设为光滑和无渗透性的刚性管壁;颈动脉血流为不可压缩的牛顿流体,流动状态设定为非定常流,血液密度设定为1050kg/m､血液黏稠度为3.50×10~kg/ms｡任何流体均遵循质量和能量守恒定律,经连续方程和Navier.Stokes方程计算,颈内动脉和颈外动脉血流量分别设为55%和45%;假设血液流动于出口处以充分发展,流动方向上无梯度变化,管壁上速度取无滑移边界条件､管壁面上速度为零｡进行流体力学计算时,将入口初始速度定义为用户自定义函数,选择非耦合求解方法和隐式计算方法,空间属性为三维空间,选择绝对速度求解方式,采用Simple方法以二阶迎风格式计算管壁切应力､静态压和血流速度等血流动力学指标,获得该区域之管壁切应力､静态压和血流速度矢量图和数值｡

4.统计分析方法

采用SPSS16.0统计软件进行数据计算与分析｡计量资料以均数±标准差(±s)表示,两组患者颈动脉管壁切应力､静态压和血流速度的比较,行非参数资料的Mann.WhitneyU检验｡以P≤0.05为差异具有统计学意义｡

结果

本组13例患者中3例行双侧颈动脉筛查､10例行单侧颈动脉筛查,共检出颈内动脉粥样硬化斑块l6例次(16支血管),其中1例次颈动脉管壁切应力和静态压升高区域位于正常管壁侧,未纳入本研究｡最终共计获得颈内动脉粥样硬化斑块15例次(右侧7例次､左侧8例次),根据信号强度进行斑块成分分型:Ⅳ~V型5例次､Ⅵ型8例次､Ⅶ型1例次､Ⅷ型1例次｡

正常对照组受试者颈内动脉球部中央血流较快,呈层流,外侧管壁局部血流速度减慢,出现回流和涡流;颈内动脉球部外侧管壁局部可见较低切应力区域,静态压分布尚均匀(图1)｡与正常对照组相比,颈动脉粥样硬化组患者颈内动脉粥样硬化斑块导致管腔局部呈不规则狭窄,斑块周围管壁切应力不均匀升高､静态压不均匀下降,斑块邻近区域血流表现为层流,呈喷射状流向斑块远侧,流速明显增加(图2,3)｡两组受试者颈内动脉管壁切应力､静态压和血流速度比较,组间差异具有统计学意义(均P=0.ooo,表1);颈动脉粥样硬化组患者颈内动脉粥样硬化斑块远端静态压略下降,局部管腔扩张,并可见局部低切应力和涡流区｡

讨论

一、基于MRI的颈动脉血流动力学研究平台的建立以往的血流动力学研究主要基于理想化的血管几何模型或动物模型1这些方法均无法直接反映人体血流动力学状态。对颈动脉分叉部的三维血流进行模拟时血管几何模型须是个体化的颈动脉三维实体,在本研究中,我们采用CEMRA获得颈动脉分叉部解剖学影像，但在MRI上仅能获得颈动脉二维DICOM图像，如何将颈动脉分叉部的二维影像重建成计算流体力学所需的三维血管几何实体，需通过其他计算机后处理软件来实现。计算流体力学可结合其他影像学技术，如CTA、DSA等，以实现复杂血管模型血流模拟，但由于CTA和DSA对动脉粥样硬化斑块的识别能力较低，尚不足以评价斑块易损性。而MRI则是斑块成像的理想方法，采用多个不同的序列可以对血管形态进行定量分析，同时能够识别斑块成分。因此，我们通过颈动脉MRI检查与计算流体力学相结合的方法建立斑块评价平台，从斑块结构学和血流动力学两方面对斑块易损性进行评价。

计算流体力学技术是利用计算机与离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟分析,与影像学检查技术相结合,获得传统医学试验难以测量的指标,如速度矢量､流线和管壁切应力等流动特性参数｡数字模型越符合人体解剖特征,所反映的变化越真实可信｡在本研究中,我们采用CRMRA图像重建模型,准确地模拟了颈动脉分叉部管腔结构和血流动力学变化,根据超声所测得的速度分布图,采用c语言编辑速度函数,划分网格时采用非结构三维四面体混合网格Tet/Hybrid技术｡这种网格的生成过程比较复杂但有良好的适应性,尤其对具有复杂边界的流场计算十分有效,选用分离式隐式求解器解决不可压缩流动,采用Simple方法以二阶迎风格式计算,可以提高复杂流动的计算精度,减少离散误差｡经过计算获得颈动脉分叉部的血流速度,以及血流动力学参数大小､方向和分布情况后,通过图像和数值的方式将计算域上的结果表示出来｡

二、血流动力学对颈动脉粥样硬化斑块的影响

Frauenfelder等利用计算流体力学的方法分析冠状动脉粥样硬化性病变周围血流动力学变化，发现狭窄段管壁压力下降、切应力增加、血流速度增快，与本研究结果相一致。Fukumoto等n引利用三维血管内超声对20例急性冠状动脉综合征患者进行分析，发现切应力局部增加与斑块破裂相关。相对于人们对切应力的关注，关于压力对斑块影响的相关研究极少且结果尚存争议。Fukumoto等研究发现，斑块周围压力上升，而根据Bernoulli公式，血管狭窄处血流速度增加可引起局部压力下降。本研究所纳入的动脉粥样硬化性脑血管病患者狭窄管腔周围局部静态压明显下降，与Li等的研究结果一致。狭窄段血管血流速度增加可使局部静态压下降，从而引起局部血管变形重塑，从而影响斑块之稳定性。

颈动脉粥样硬化斑块远端管腔局部扩张，并可见低切应力区域及涡流、回流等现象。一方面，在低切应力区域和内皮细胞凋亡区域，血小板源性生长因子(PDGF)生成增加，并与炎性因子相结合，使具有基质生成作用的合成型平滑肌细胞得以存活并保持活性。另一方面，斑块下游血流紊乱可以促进血小板聚集和激活，使脂质成分渗透并在内膜下聚集，导致局部血栓形成，促进斑块远端动脉粥样硬化进展。

本研究有其局限性。第一，样本量较小，目前仅初步揭示了颈动脉粥样硬化斑块周围管壁切应力、静态压及血流速度的变化。由于斑块形态、结构多种多样，尚待大样本临床试验证据加以验证。第二，尽管大量文献证实多序列MRI技术能够识别斑块成分，并与病理检查结果之间具有良好的一致性，且已应用于临床诊断，但本研究颈动脉粥样硬化斑块未经病理检查证实，依然是一个缺憾。