CTA无创功能性评估颈内动脉狭窄

黄家乐，朱炎杰，周方宇，顾伟瑾，张磊，纪莉华，祁小龙，万军

·临床研究Clinical research·

CTA无创功能性评估颈内动脉狭窄

黄家乐，朱炎杰，周方宇，顾伟瑾，张磊，纪莉华，祁小龙，万军

目的探索建立一种基于CTA的无创性评估颈内动脉（ICA）狭窄技术。方法将研究对象CTA断层图像导入Mimics 10.0图像处理软件并重建ICA三维模型，再导入ANSYS 13.0有限元分析软件，赋予边界条件后运算得出评估ICA的功能性指标——虚拟的狭窄段前后压力梯度（TSPG）和血流储备分数（FFR）。结果DSA检查提示研究对象左侧ICA起始段管腔不规则狭窄约50%，且可见硬化斑块形成。根据本无创性评估技术，成功模拟得出研究对象左侧ICA虚拟TSPG为13.04 mmHg，虚拟FFR为0.93，提示左侧ICA无功能性狭窄，未达到临床介入治疗标准。结论本研究建立了一种基于CTA的无创性评估ICA狭窄模拟技术，并与临床DSA检查结果一致。

颈内动脉狭窄；压力梯度；血流储备分数；无创性

DSA检查被视作临床上诊断颅内外动脉狭窄的金标准，然而其有创性始终使其应用受到限制［1-3］。随着多层螺旋CT（MSCT）广泛应用，CTA在颈内动脉（ICA）狭窄诊断中的作用得到临床认可，且与DSA有很好的一致性［4-5］。近年研究报道狭窄段前后压力梯度（TSPG）和血流储备分数（FFR）是评价动脉狭窄所致缺血严重程度的指标［6-8］，有望成为脑动脉狭窄患者血管重建的有力鉴定工具［9-13］。但该两项指标测定却受制于有创性和费用高昂。随着计算流体力学（CFD）发展，一种基于CTA的FFR评估CT（FFRCT）已应用于冠状动脉狭窄相关研究［6-8，14］，其检测结果取决于冠状动脉三维模型重建，血流则通过Navier-Stokes方程（N-S方程）模拟为牛顿流体，整合血管弹性、血流量和最大充血状态等多因素［13-14］。该技术结合无创模拟技术CTA和有创性FFR优势，从结构和功能方面评估动脉狭窄，同时避免传统FFR检测的有创性及其可能造成的并发症，从根本上减少不必要的DSA和血运重建治疗，为冠心病早期诊断带来新希望［15］。DSA、血管超声、CT脑灌注成像等检查可为ICA狭窄诊断提供参考，但均存在费用昂贵或指标未量化等不足［1，3，16-20］。我们在前期冠状动脉FFR无创模拟研究基础上，采用CFD分析对ICA狭窄进行功能评估，旨在探索出一种虚拟TSPG（vTSPG）和虚拟FFR（vFFR）指标。现结合复旦大学附属华山医院静安分院1例患者将此项技术介绍如下。

1 ICA狭窄功能评估

本研究对象为我院收治的1例脑缺血患者，由2名经验丰富的高年资血管检测医师对其作经颅多普勒超声（TCD）检查和CTA检查。研究方案经我院伦理委员会审批，并经患者签署知情同意。

研究方法：将患者CTA断层图像导入Mimics 10.0图像处理软件并重建CTA模型图像，再导入ANSYS 13.0有限元分析软件，在血流入口和出口赋予边界条件后，通过ANSYS 13.0软件作有限元分析与运算，最终模拟出vTSPG和vFFR；通过平均阻力优化方式使微血管阻力值适用于所有研究对象，其优点在于可有效减少个体化数据差异因素对模型的影响。

本研究对象为1例50岁男性脑缺血患者，DSA造影提示左侧ICA起始段管腔不规则狭窄约50%，且可见硬化斑块形成（图1），收缩期峰值流速（PSV）为62 cm/s；CTA检查显示左侧ICA狭窄程度为中度。首先导入CTA断层成像，重建左侧ICA截面二维模型图（图2①），根据Mimics 10.0图像处理软件组织灰度值差异，通过阈值设定脂肪与肌肉组织，框定CTA范围，利用多层编辑功能编辑CTA截面图层（主要保留CTA、部分颈总动脉及颈外动脉起始端，删除周围组织）并作三维重建（CT值差异易造成血管壁表面空洞，故在不改变血管解剖结构的基础上，选择性予以手动填充及光滑处理），获得三维模型图（图2②），并以文件格式导出；将ICA三维模型图文件导入ANSYS 13.0软件，在Flotran CFD模块中将模型统一为国际单位，建立封闭的三维血管模型，通过布尔操作将ICA入口、出口作垂直切面，形成开放的动脉系统，为后续ICA血流模拟分析提供必要条件（图2③）。然而对三维模型图进行网格化处理，在动脉截面赋予动脉收缩压及超声所测血流速度，设定血液密度及黏度等流体材质参数，完成上述边界条件赋值后用ANSYS 13.0软件自动迭代算法对模型作有限元分析，最终成功模拟出左侧ICA vTSPG为13.04 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），vFFR为0.93（图3①）；ICA冠状面血流速度分布显示，ICA狭窄近端和远端血流速度基本相等，而狭窄处血流速度由原先62 cm/s显著增加至117 cm/s（图3②）；ICA横断面血流速度分布显示，血液流经狭窄处时截面中央流速明显增大（图3③）。

图1 DSA造影所见

图2 左侧ICA三维建模和网格划分

2 讨论

DSA检查仍然是目前诊断颅内外动脉狭窄的金标准，但有创性、缺乏功能性诊断等缺点使之在临床应用中受到限制［21-23］。大量临床试验研究证实TSPG和FFR作为两项功能性指标，在评估动脉狭窄引起缺血性病变方面具有重要意义［9-11］。近年冠状动脉狭窄段压力无创测量研究证实，体外CTA行无创FFR模拟具有重要诊断价值［6-8］。Koo等［7］报道对103例冠状动脉狭窄患者159支血管行无创模拟FFR检测，诊断准确度、灵敏度、特异度分别为84.3%、87.9%、82.2%，受测者特征——曲线下面积（AUC）为0.90，均优于有创FFR检测。Min等［6］总结分析来自5国17中心252例冠心病患者血管数据，结果提示无创FFR检测的准确度、灵敏度、特异度分别为73%、90%、54%，无创FFR数据与有创FFR相比较具有良好相关性（AUC 0.81，95%CI 0.75～0.86，P＜0.001）。

FFRCT技术基于冠状动脉供血特点、血管管径比例关系及最大充血状态可诱发等原理获得vTSPG和vFFR［13］。ICA是脑动脉系统之一，其颅外段并无分支。本研究在前期无创测定冠状动脉狭窄功能性指标研究基础上，旨在通过三维建模和CFD法获得vTSPG和vFFR，从而有效地评估ICA功能性狭窄。本例患者CTA检查显示左侧ICA中度程度狭窄，TCD显示PSV为62 cm/s，DSA造影提示左侧ICA起始段血管腔不规则狭窄约50%，可见硬化斑块形成；采用CFD法对该患者三维ICA模型作有限元分析，得出vTSPG为13.04 mmHg，vFFR为0.93，提示ICA无功能性狭窄，未达临床介入治疗标准，这与DSA检查结果有较好的一致性。由此可见，通过上述方法获得的ICA vTSPG、vFFR量化指标，综合了TCD和CTA检查的优势，可更直观精确地反映ICA解剖学狭窄程度及其血流动力学异常状况，在评估ICA狭窄程度、指导临床决策等方面具有潜在价值。

图3 左侧ICA无创性血流动力学分析

本研究提出通过无创方法获得ICA vTSPG和vFFR量化指标，从而对ICA狭窄及其血流动力学作出有意义的评价。尽管本研究无创模拟获得的功能性诊断仅限于个例，缺乏与有创TSPG和FFR金标准的对照研究，但研究结果仍具有重要前景。相信无创性检测ICA狭窄段压力方法将通过大样本临床验证，对评价ICA狭窄严重度、是否行血管再生术产生重要作用。

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Noninvasive functional assessment of internal carotid artery stenosis using CT angiography

HUANG Jia-le，ZHU Yan-jie，ZHOU Fang-yu，GU Wei-jing，ZHANG Lei，JI Li-hua，QI Xiao-long，WAN Jun. School of Medicine，Tongji University，Shanghai 20092 China

WAN Jun，E-mail：anniy2000@vip.163.com

ObjectiveTo establish a noninvasive technique，which is based on CT angiography（CTA），to evaluate the stenosis of internal carotid artery（ICA）.MethodsThe cross-sectional images of astudy subject were imported into Mimics 10 image processing software，and an ICA 3D model was reconstructed.Then，ANSYS 13.0 finite element analysis software was imported，after boundary conditions were defined the functional indicators for assessment of ICA，including virtual trans-stenotic pressure gradient（TSPG）and fractional flow reserve（FFR），were calculated.ResultsDSA examination of the study subject showed that the initial segment of left ICA had an irregular stenosis of about 50%with the formation of atherosclerotic plaque.This noninvasive assessment technique successfully simulated the left ICA of the study subject，which revealed that the left ICA virtual TSPG was 13.04 mmHg，and the virtual FFR was 0.93，indicating that the left ICA had no functional stenosis，which meant that the lesion had not yet developed to the standard that required for clinical treatment.ConclusionIn this study，a CTA-based noninvasive assessment virtual technique of ICA stenosis is successfully established，and the results are quite consistent with the clinical DSA findings.（J Intervent Radiol，2015，24：1106-1109）

internal carotid artery stenosis；trans-stenotic pressure gradient；fractional flow reserve；non-invasion

R692.5

B

1008-794X（2015）-12-1106-04

2015-03-27）

（本文编辑：边佶）

10.3969/j.issn.1008-794X.2015.12.020

上海市卫生与计划生育委员会面上项目（20134088）

200092上海同济大学医学院（黄家乐、朱炎杰、周方宇、祁小龙）；复旦大学附属华山医院静安分院介入科（顾伟瑾、张磊、纪莉华、万军）

万军E-mail：anniy2000@vip.163.com