【摘要】

目的?建立頸動(dòng)脈MRI和計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的研究平臺(tái),分析頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊結(jié)構(gòu)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)改變,以探討血流動(dòng)力學(xué)因素在斑塊穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的價(jià)值?

方法?共l3例頸動(dòng)脈粥樣硬化性腦血管病患者接受頸動(dòng)脈MRI和增強(qiáng)磁共振血管成像檢查,根據(jù)斑塊形態(tài)分析斑塊周?chē)鲃?dòng)力學(xué)參數(shù)變化?

結(jié)果?共檢出頸內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊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?斑塊周?chē)鲃?dòng)力學(xué)參數(shù)分別為管壁切應(yīng)力(79.864-57.83)Pa?靜態(tài)壓(.7586.814-9313.83)Pa?血流速度(2.764-1.81)m/s,與正常對(duì)照組相比,斑塊周?chē)鼙谇袘?yīng)力呈不均勻升高?靜態(tài)壓不均勻下降,斑塊鄰近血流為層流?呈噴射狀,血流速度明顯增加,且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P=O.ooo)?

結(jié)論頸動(dòng)脈MRI與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊結(jié)構(gòu)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)的綜合分析,從而揭示了血流動(dòng)力學(xué)因素可以影響頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的發(fā)展和穩(wěn)定性?

【關(guān)鍵詞】頸動(dòng)脈;動(dòng)脈硬化;血流動(dòng)力學(xué);磁共振成像;磁共振血管造影術(shù)

頸動(dòng)脈粥樣硬化是缺血性卒中的首要危險(xiǎn)因素,而血流動(dòng)力學(xué)改變是其重要影響因素之一?血管內(nèi)局部血流動(dòng)力學(xué)異常改變可以通過(guò)各種機(jī)制直接或間接引起動(dòng)脈壁結(jié)構(gòu)變化?采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法可以模擬在體血管的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài),進(jìn)而評(píng)價(jià)頸動(dòng)脈流體力學(xué)改變b]?但是該項(xiàng)方法僅能反映血管內(nèi)的血流狀態(tài),無(wú)法結(jié)合動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分和形態(tài)進(jìn)行分析?隨著影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,MRI和超聲檢查已經(jīng)成為目前評(píng)價(jià)頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分的常用工具?其中,以超聲技術(shù)最早應(yīng)用于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的評(píng)價(jià),但Krasinski等b發(fā)現(xiàn),與MRI相比,采用超聲技術(shù)計(jì)算血管壁厚度時(shí),由于存在分辨力低?超聲成像角度不同而易導(dǎo)致掃描層面偏斜?而MRI能夠克服上述問(wèn)題,并以其良好的可重復(fù)性在體評(píng)價(jià)頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分和形態(tài)?識(shí)別斑塊破裂與否?因此,采用MRI和計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的方法分析頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊成分,可綜合斑塊結(jié)構(gòu)學(xué)與血流動(dòng)力學(xué)信息,顯示斑塊局部血流動(dòng)力學(xué)改變,從而評(píng)價(jià)血流動(dòng)力學(xué)因素在斑塊易損性中的作用?

對(duì)象與方法

一、 觀察對(duì)象

本研究經(jīng)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院道德倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)，所有受試者均對(duì)本研究目的、觀察方法和對(duì)比劑不良反應(yīng)知情，并簽署知情同意書(shū)。

1．納入標(biāo)準(zhǔn)(1)年齡18～80歲。

(2)影像學(xué)檢查證實(shí)存在頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊。

(3)斑塊分型為Ⅳ～V型及以上且頸動(dòng)脈呈中至重度狹窄。

2．排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)粥樣硬化斑塊分型I～Ⅱ和Ⅲ型患者。

(2)頸動(dòng)脈完全閉塞患者。

(3)非動(dòng)脈粥樣硬化性病變引起的頸動(dòng)脈狹窄患者。

(4)有MRI檢查禁忌證患者。

(5)對(duì)比劑過(guò)敏患者。

(6)腎功能障礙患者。

(7)由任何原因?qū)е碌臒o(wú)法承受或配合MRI檢查的患者。

3.一般資料

根據(jù)納入與排除標(biāo)準(zhǔn),共選擇2009年4月一2010年12月經(jīng)首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科診斷與治療的動(dòng)脈粥樣硬化性腦血管病(包括缺血性卒中?短暫性腦缺血發(fā)作?腦血管狹窄或顱外血管狹窄)患者13例,男性11例,女性2例;年齡50~74歲,平均(66.17±8.13)歲?同時(shí)選擇6例同期在我院進(jìn)行體格檢查的健康志愿者作為正常對(duì)照組,均為男性,年齡22~51歲,平均(36±9.84)歲?

二?觀察方法

1.儀器與設(shè)備

本研究所用檢查設(shè)備為德國(guó)siemens公司生產(chǎn)的TrioTim3.0TMRI掃描儀,最大切換率200T/(m.ms)?最大梯度強(qiáng)度45mT/m?采用荷蘭MachnetBV公司生產(chǎn)的頸動(dòng)脈專用四通道表面線圈和德國(guó)Siemens公司生產(chǎn)的頭頸部聯(lián)合表面線圈?

2.MRI檢查

受試者仰臥位,下頜稍抬起以顯露雙側(cè)頸部,頸動(dòng)脈專用四通道表面線圈置于頸部?縛帶固定,連接指脈門(mén)控,帶激光側(cè)對(duì)準(zhǔn)食指腹側(cè)?掃描中心設(shè)定為頸動(dòng)脈分叉部,垂直于血管進(jìn)行橫斷面掃描,頸動(dòng)脈分叉部上下各2am?

(1)三維時(shí)間飛躍(3D—TOF)血管成像:重復(fù)時(shí)間(TR)21ms?回波時(shí)間(TE)3.84ms,翻轉(zhuǎn)角(FA)25?,掃描視野(FOV)14cm×14cm,矩陣320×240,層厚為1mm,激勵(lì)次數(shù)(NEX)為1次,空間分辨率為O.40mm×0.40mm?

(2)T:WI序列:采用快速自旋回波(TSE)序列并通過(guò)壓脂技術(shù)抑制皮下脂肪信號(hào),重復(fù)時(shí)間3000ms?回波時(shí)間65ms,掃描視野14cmx14cm,矩陣320×240,層厚2mm,激勵(lì)次數(shù)2次,空間分辨率O.50mm×O.50mm?

(3)質(zhì)子密度加權(quán)像(PDWI):采用TSE序列并經(jīng)壓脂技術(shù)抑制皮下脂肪信號(hào),重復(fù)時(shí)間3000ms?回波時(shí)間13ms,掃描視野14am×14cm,矩陣320×240,層厚2mm,激勵(lì)次數(shù)2次,空間分辨率0.40mm×0.40mm?

(4)TWI:采用黑血(雙翻轉(zhuǎn)恢復(fù))TSE序列和指脈門(mén)控,以及壓脂技術(shù)抑制皮下脂肪信號(hào),重復(fù)時(shí)間750ms?回波時(shí)間12ms,掃描視野14cm×14em,矩陣320×240,層厚2mm,激勵(lì)次數(shù)為2次,空間分辨率O.40mm×0.40mm?

(5)結(jié)果判斷:由一位高年資放射科醫(yī)師分析頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊在上述序列的不同信號(hào)強(qiáng)度,以判斷斑塊成分,并根據(jù)其信號(hào)強(qiáng)度差異進(jìn)行斑塊分型]?I~Ⅱ型,血管壁略增厚,無(wú)鈣化;III型,彌漫性內(nèi)膜增厚或呈小的偏心斑塊,無(wú)鈣化;1V~V型,纖維帽下可見(jiàn)壞死脂質(zhì)核,可能有鈣化;VI型,復(fù)雜斑塊,可能存在表面缺陷?出血或血栓形成;VlI型,呈鈣化斑塊;Ⅷ型,呈纖維斑塊,無(wú)脂質(zhì)核,可能有小的鈣化灶?

3.頸動(dòng)脈增強(qiáng)磁共振血管成像

(1)檢查方法:采用頭頸部聯(lián)合表面線圈行頸動(dòng)脈增強(qiáng)磁共振血管成像(cEMRA)?頸動(dòng)脈分叉部掃描范圍自頸動(dòng)脈起始部至頸內(nèi)動(dòng)脈巖骨段,先行冠狀位掃描作為減影蒙片,然后采用高壓注射器經(jīng)肘正中靜脈以3ml/s流速注射對(duì)比劑30ml,再追加15m1生理鹽水沖管?重復(fù)時(shí)間2.73ms?回波時(shí)間1.15ms,翻轉(zhuǎn)角25o,掃描視野40dmx40mm,矩陣512×352,層厚0.80mm,共掃描96層?以增強(qiáng)掃描獲得的原始冠狀位圖像與蒙片進(jìn)行減影,消除頸部軟組織信號(hào),并通過(guò)頸動(dòng)脈分叉部血管的最大密度投影(MIP)重建獲得三維圖像?頸動(dòng)脈狹窄測(cè)量方法依據(jù)北美癥狀性頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)試驗(yàn)(NASCET)標(biāo)準(zhǔn),狹窄率(%)=(A—B)/A×100%,其中A為狹窄后相對(duì)正常的遠(yuǎn)心端管腔直徑?B為最狹窄處殘留管腔直徑?

(2)圖像后處理:將頸動(dòng)脈分叉部CEMRA經(jīng)減影后的DICOM圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī),采用醫(yī)學(xué)圖像后處理軟件重建頸動(dòng)脈,獲得頸動(dòng)脈分叉部血管三維模型,導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)前處理器軟件劃分計(jì)算網(wǎng)格,并設(shè)置該段血管各項(xiàng)邊界條件,即指定頸總動(dòng)脈橫斷面為血流入口?頸外動(dòng)脈和頸內(nèi)動(dòng)脈橫斷面為血流出口?血管壁為壁面?血管內(nèi)血流為流體,最后導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)文件]?

(3)計(jì)算流體力學(xué):將上述網(wǎng)格文件導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)軟件,首先對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格文件進(jìn)行檢查并進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化?平滑和交換?分別將頸動(dòng)脈管壁設(shè)為光滑和無(wú)滲透性的剛性管壁;頸動(dòng)脈血流為不可壓縮的牛頓流體,流動(dòng)狀態(tài)設(shè)定為非定常流,血液密度設(shè)定為1050kg/m?血液黏稠度為3.50×10~kg/ms?任何流體均遵循質(zhì)量和能量守恒定律,經(jīng)連續(xù)方程和Navier.Stokes方程計(jì)算,頸內(nèi)動(dòng)脈和頸外動(dòng)脈血流量分別設(shè)為55%和45%;假設(shè)血液流動(dòng)于出口處以充分發(fā)展,流動(dòng)方向上無(wú)梯度變化,管壁上速度取無(wú)滑移邊界條件?管壁面上速度為零?進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算時(shí),將入口初始速度定義為用戶自定義函數(shù),選擇非耦合求解方法和隱式計(jì)算方法,空間屬性為三維空間,選擇絕對(duì)速度求解方式,采用Simple方法以二階迎風(fēng)格式計(jì)算管壁切應(yīng)力?靜態(tài)壓和血流速度等血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo),獲得該區(qū)域之管壁切應(yīng)力?靜態(tài)壓和血流速度矢量圖和數(shù)值?

4.統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與分析?計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,兩組患者頸動(dòng)脈管壁切應(yīng)力?靜態(tài)壓和血流速度的比較,行非參數(shù)資料的Mann.WhitneyU檢驗(yàn)?以P≤0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?

結(jié)果

本組13例患者中3例行雙側(cè)頸動(dòng)脈篩查?10例行單側(cè)頸動(dòng)脈篩查,共檢出頸內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊l6例次(16支血管),其中1例次頸動(dòng)脈管壁切應(yīng)力和靜態(tài)壓升高區(qū)域位于正常管壁側(cè),未納入本研究?最終共計(jì)獲得頸內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊15例次(右側(cè)7例次?左側(cè)8例次),根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行斑塊成分分型:Ⅳ~(yú)V型5例次?Ⅵ型8例次?Ⅶ型1例次?Ⅷ型1例次?

正常對(duì)照組受試者頸內(nèi)動(dòng)脈球部中央血流較快,呈層流,外側(cè)管壁局部血流速度減慢,出現(xiàn)回流和渦流;頸內(nèi)動(dòng)脈球部外側(cè)管壁局部可見(jiàn)較低切應(yīng)力區(qū)域,靜態(tài)壓分布尚均勻(圖1)?與正常對(duì)照組相比,頸動(dòng)脈粥樣硬化組患者頸內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊導(dǎo)致管腔局部呈不規(guī)則狹窄,斑塊周?chē)鼙谇袘?yīng)力不均勻升高?靜態(tài)壓不均勻下降,斑塊鄰近區(qū)域血流表現(xiàn)為層流,呈噴射狀流向斑塊遠(yuǎn)側(cè),流速明顯增加(圖2,3)?兩組受試者頸內(nèi)動(dòng)脈管壁切應(yīng)力?靜態(tài)壓和血流速度比較,組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P=0.ooo,表1);頸動(dòng)脈粥樣硬化組患者頸內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊遠(yuǎn)端靜態(tài)壓略下降,局部管腔擴(kuò)張,并可見(jiàn)局部低切應(yīng)力和渦流區(qū)?

討論

一、基于MRI的頸動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)的建立以往的血流動(dòng)力學(xué)研究主要基于理想化的血管幾何模型或動(dòng)物模型1這些方法均無(wú)法直接反映人體血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。對(duì)頸動(dòng)脈分叉部的三維血流進(jìn)行模擬時(shí)血管幾何模型須是個(gè)體化的頸動(dòng)脈三維實(shí)體,在本研究中,我們采用CEMRA獲得頸動(dòng)脈分叉部解剖學(xué)影像，但在MRI上僅能獲得頸動(dòng)脈二維DICOM圖像，如何將頸動(dòng)脈分叉部的二維影像重建成計(jì)算流體力學(xué)所需的三維血管幾何實(shí)體，需通過(guò)其他計(jì)算機(jī)后處理軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算流體力學(xué)可結(jié)合其他影像學(xué)技術(shù)，如CTA、DSA等，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜血管模型血流模擬，但由于CTA和DSA對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的識(shí)別能力較低，尚不足以評(píng)價(jià)斑塊易損性。而MRI則是斑塊成像的理想方法，采用多個(gè)不同的序列可以對(duì)血管形態(tài)進(jìn)行定量分析，同時(shí)能夠識(shí)別斑塊成分。因此，我們通過(guò)頸動(dòng)脈MRI檢查與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的方法建立斑塊評(píng)價(jià)平臺(tái)，從斑塊結(jié)構(gòu)學(xué)和血流動(dòng)力學(xué)兩方面對(duì)斑塊易損性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)與離散化的數(shù)值方法對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析,與影像學(xué)檢查技術(shù)相結(jié)合,獲得傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)試驗(yàn)難以測(cè)量的指標(biāo),如速度矢量?流線和管壁切應(yīng)力等流動(dòng)特性參數(shù)?數(shù)字模型越符合人體解剖特征,所反映的變化越真實(shí)可信?在本研究中,我們采用CRMRA圖像重建模型,準(zhǔn)確地模擬了頸動(dòng)脈分叉部管腔結(jié)構(gòu)和血流動(dòng)力學(xué)變化,根據(jù)超聲所測(cè)得的速度分布圖,采用c語(yǔ)言編輯速度函數(shù),劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)三維四面體混合網(wǎng)格Tet/Hybrid技術(shù)?這種網(wǎng)格的生成過(guò)程比較復(fù)雜但有良好的適應(yīng)性,尤其對(duì)具有復(fù)雜邊界的流場(chǎng)計(jì)算十分有效,選用分離式隱式求解器解決不可壓縮流動(dòng),采用Simple方法以二階迎風(fēng)格式計(jì)算,可以提高復(fù)雜流動(dòng)的計(jì)算精度,減少離散誤差?經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得頸動(dòng)脈分叉部的血流速度,以及血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)大小?方向和分布情況后,通過(guò)圖像和數(shù)值的方式將計(jì)算域上的結(jié)果表示出來(lái)?

二、血流動(dòng)力學(xué)對(duì)頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的影響

Frauenfelder等利用計(jì)算流體力學(xué)的方法分析冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性病變周?chē)鲃?dòng)力學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)狹窄段管壁壓力下降、切應(yīng)力增加、血流速度增快，與本研究結(jié)果相一致。Fukumoto等n引利用三維血管內(nèi)超聲對(duì)20例急性冠狀動(dòng)脈綜合征患者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)切應(yīng)力局部增加與斑塊破裂相關(guān)。相對(duì)于人們對(duì)切應(yīng)力的關(guān)注，關(guān)于壓力對(duì)斑塊影響的相關(guān)研究極少且結(jié)果尚存爭(zhēng)議。Fukumoto等研究發(fā)現(xiàn)，斑塊周?chē)鷫毫ι仙?，而根?jù)Bernoulli公式，血管狹窄處血流速度增加可引起局部壓力下降。本研究所納入的動(dòng)脈粥樣硬化性腦血管病患者狹窄管腔周?chē)植快o態(tài)壓明顯下降，與Li等的研究結(jié)果一致。狹窄段血管血流速度增加可使局部靜態(tài)壓下降，從而引起局部血管變形重塑，從而影響斑塊之穩(wěn)定性。

頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊遠(yuǎn)端管腔局部擴(kuò)張，并可見(jiàn)低切應(yīng)力區(qū)域及渦流、回流等現(xiàn)象。一方面，在低切應(yīng)力區(qū)域和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡區(qū)域，血小板源性生長(zhǎng)因子(PDGF)生成增加，并與炎性因子相結(jié)合，使具有基質(zhì)生成作用的合成型平滑肌細(xì)胞得以存活并保持活性。另一方面，斑塊下游血流紊亂可以促進(jìn)血小板聚集和激活，使脂質(zhì)成分滲透并在內(nèi)膜下聚集，導(dǎo)致局部血栓形成，促進(jìn)斑塊遠(yuǎn)端動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。

本研究有其局限性。第一，樣本量較小，目前僅初步揭示了頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊周?chē)鼙谇袘?yīng)力、靜態(tài)壓及血流速度的變化。由于斑塊形態(tài)、結(jié)構(gòu)多種多樣，尚待大樣本臨床試驗(yàn)證據(jù)加以驗(yàn)證。第二，盡管大量文獻(xiàn)證實(shí)多序列MRI技術(shù)能夠識(shí)別斑塊成分，并與病理檢查結(jié)果之間具有良好的一致性，且已應(yīng)用于臨床診斷，但本研究頸動(dòng)脈粥樣硬化斑塊未經(jīng)病理檢查證實(shí)，依然是一個(gè)缺憾。