高分辨率MRI评估早期颈动脉粥样硬化患者双侧颈动脉分叉几何形态差异

江培榕，薛蕴菁*，赵锡海，陈振森，孙 斌，杨哲婷，林若兰，段 青

(1.福建医科大学附属协和医院放射科，福建 福州 350001； 2.清华大学生物医学影像研究中心，北京 100084； 3.华盛顿大学放射系，华盛顿 西雅图 98109)

动脉粥样硬化疾病好发于颈动脉分叉，是导致缺血性卒中的主要因素之一[1-3]。血管分叉处易产生低或振荡的管壁切应力，利于生成斑块[4]。不同血管分叉几何形态对血流动力学的影响程度不一[5-8]，相应的斑块发生风险亦存在差异[9]。文献[10-11]报道，个体内双侧颈动脉粥样硬化斑块存在不对称性，左侧颈动脉斑块发生率、体积及易损性较右侧更高，可能与左右侧颈动脉分叉几何形态差异有关[10]。本研究采用高分辨率MRI评估早期颈动脉粥样硬化患者左右侧颈动脉几何形态的差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2012年1月—2015年6月1 047例接受颈动脉管壁高分辨MRI的颈动脉粥样硬化患者。纳入标准：①中国人群粥样硬化风险评价——第二期研究(Carotid Atherosclerosis Risk Assessment-Ⅱ, CARE-Ⅱ)[12]中的多中心患者，2周内出现缺血性卒中或短暂性脑缺血发作，且至少1支以上颈动脉存在斑块(超声证实内中膜厚度≥1.5 mm)；②根据北美症状性颈动脉内膜实验[13]法，于MR三维时间飞跃(three dimensional time of flight, 3D-TOF)序列最大信号强度投影重建图像上测量颈动脉管腔显示双侧颈动脉无狭窄；③早期颈动脉粥样硬化，依据CAI等[14]的MRI斑块分型标准，双侧颈动脉斑块分型≤Ⅲ型；④图像质量可满足计算双侧颈动脉分叉几何形态参数的要求。

1.2 仪器与方法 采用Philips Achieva 3.0T TX MR仪，8通道颈动脉相控阵表面线圈，以颈动脉分叉为中心进行扫描，范围自颈总动脉至颈内动脉颈段。扫描序列及参数[12]：3D-TOF，TR/TE 20 ms/4.9 ms，FA 20°；T1W，TR/TE 800 ms/10 ms，FA 90°；T2W，TR/TE 4 800 ms/50 ms，FA 90°；磁化准备梯度回波(magnetization prepared rapid gradient echo, MP-RAGE)，TR/TE 8.8 ms/5.3 ms，FA 15°；视野均为14 cm×14 cm，矩阵均为256×256；3D-TOF及MP-RAGE序列扫描层厚为1 mm，其余序列层厚为2 mm。

1.3 图像分析 由2名具有3年以上动脉管壁影像学诊断经验的主治医师采用CASCADE软件[12]以双盲原则对图像进行评价，意见不一致时经讨论决定。①观察颈动脉特征：勾画颈动脉管腔和管壁边界，测量管壁厚度[12]；②分析颈动脉几何形态：首先于3D-TOF轴位图像上手动勾画颈动脉管腔，获得3D颈动脉管腔表面模型；之后参照文献[15]方法，采用VMTK和MATLAB R2014a软件自动识别颈内动脉(internal carotid artery, ICA)、颈外动脉(external carotid artery, ECA)和颈总动脉(common carotid artery, CCA)，计算3D血管中心线、管腔最大内切圆、最大截面面积及拐点[6,15]，得到7个与血流动力学关系紧密[5-6]的几何参数，即颈动脉分叉角、ICA角、ICA平面角、近端面积比、CCA扩张面积比、ICA5～CCA3弯曲度及二维CCA弯曲度。颈动脉分叉角为ICA与ECA的矢量投影到分叉平面上的角度；ICA角为ICA与CCA的矢量投影到分叉平面上的角度；ICA平面角为分叉平面外的CCA与ICA矢量之间的夹角；近端面积比为ICA1和ECA1的管腔横断面积之和除以CCA3的管腔横断面积，即(ICA1+ECA1)/CCA3；CCA扩张面积比为CCAmax/CCA3；见图1。

1.4 统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件。计量资料符合正态分布时以±s表示，否则以中位数(上下四分位数)表示。以Wilcoxon符号秩和检验比较左右侧颈动脉斑块管壁厚度及分叉几何形态参数；以McNemar检验比较左右侧斑块分型。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

92例患者、184支颈动脉纳入研究；其中男44例，女48例，年龄24～81岁，平均(59.5±11.1)岁；体质量指数(23.8±3.6)kg/m2；31例患者有吸烟史，71例有高血压史，17例有糖尿病史，9例有冠心病史，35例有高脂血症史。

2.1 左右侧颈动脉斑块管壁厚度、斑块分型比较 左侧颈动脉管壁厚度[1.24(1.09，1.46) mm]与右侧[1.29(1.10,1.57) mm]差异无统计学意义(Z=-1.12，P=0.26)。92例双侧均存在颈动脉斑块，左侧颈动脉斑块Ⅰ-Ⅱ型47例、Ⅲ型45例，右侧颈动脉斑块Ⅰ-Ⅱ型39例、Ⅲ型53例，左右侧斑块分型差异无统计学意义(P=0.22)。

2.2 左右侧颈动脉分叉几何形态参数比较 左侧颈动脉ICA平面角、近端面积比、CCA扩张面积比、ICA5～CCA3弯曲度及二维CCA弯曲度均大于右侧(P均<0.05)；左右侧颈动脉分叉角、ICA角差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表1及图2。

3 讨论

左右侧颈动脉斑块不对称[10]，而血流动力学影响局部颈动脉斑块的产生[4-8]。目前定量分析颈动脉分叉血流动力学的主要方法有MR四维血流成像[16]和以计算机流体力学(computational flow dynamics, CFD)法仿真血流情况[5-7]，但均存在扫描时间长及专业知识要求高等不足，尚未广泛用于临床。既往研究[5-6,8]表明，特定的颈动脉分叉几何形态参数可间接反映血流动力学情况。本研究采用高分辨率MRI分析相关参数，评估早期颈动脉粥样硬化患者左右侧颈动脉几何形态的差异。

图1 颈动脉分叉几何形态学参数示意图 A.3D颈动脉管腔表面模型，软件自动识别ICA、ECA、CCA的3D中心线(灰色虚线)及沿血管分布的最大内切圆(灰色实线圆圈)，CCA0、ICA0、ECA0(黑点)为血管起始，其余灰点(CCA1～3、ICA1～5、ECA1)为最大内切圆的圆心，深灰色区域为ICA1、ECA1、CCA3的管腔横断面积，分叉角代表颈动脉分叉角； B.以CCA～ICA与CCA～ECA的3D中心线的空间平均值作一条新的3D中心线(黑色实线)，延伸至分流处，沿新中心线于分流处近端自动识别最大CCA横截面积(CCAmax)； C.ICA5与CCA3之间的3D中心线长度为L(灰色虚线)，两者之间直线距离为D(黑色箭头实线)，L/D-1为ICA5～CCA3弯曲度； D.CCA分流处近端CCA～ICA 3D中心线最大扭矩点为拐点(红点)，拐点与CCA3间的3D中心线投影到自动计算出的最佳拟合平面(灰色方块)，该平面上CCA3到拐点的中心线长度为L1(灰色虚线)和两点间直线距离为D1(黑色箭头实线)，L1/D1-1为二维CCA弯曲度； E.ICA平面角示意图(灰色实线为软件自动定义的分叉平面)

表1 左右侧颈动脉几何形态参数比较[中位数(上下四分位数)]

图2 患者男，80岁，双侧颈动脉Ⅲ型斑块(*示血管腔，箭示斑块) A～E.分别为左侧颈动脉3D-TOF重建图像、3D-TOF原始图像、T1WI、T2WI及MP-RAGE图像； F～J.分别为右侧颈动脉3D-TOF重建图像、3D-TOF原始图像、T1WI、T2WI及MP-RAGE图像

本研究发现人体左右侧颈动脉分叉几何形态存在显著差异，可能与双侧颈动脉起源血管不同有关。左侧颈总动脉多起自主动脉弓，右侧颈总动脉多起自头臂干。动脉粥样硬化疾病与颈动脉分叉几何形态相互作用，观察颈动脉几何形态与斑块形成的关系时，多针对较早期、尚未导致管腔发生显著改变的斑块[9-10]。本研究排除颈动脉存在狭窄及斑块分型>Ⅲ型者，意在将粥样硬化疾病对颈动脉几何形态的影响最小化。

近端面积比、CCA扩张面积比反映分叉处管腔的扩张程度，管腔扩张促进血流分流及产生继发的低的、振荡的管壁切应力，利于斑块生成[5-6,8]。本研究结果显示，左侧颈动脉分叉近端面积比、CCA扩张面积比显著大于右侧颈动脉分叉，与既往研究[10]得出的左侧颈动脉斑块的发生率及体积大于右侧颈动脉的结论相符。另一方面，SCHULZ等[17]认为左右侧颈动脉流入/流出面积比(类似本研究中的近端面积比)差异无统计学意义，可能由于该研究所用为DSA图像，成像角度受限，结果准确性有待考证；且纳入管腔狭窄<30%的颈动脉，而几何形态参数结果受斑块本身的影响较大。

本研究中左侧颈动脉分叉ICA5～CCA3弯曲度，二维CCA弯曲度均大于右侧颈动脉分叉。既往研究[6,8]表明，血管弯曲度大易产生旋流，从而抑制产生低的、振荡的管壁切应力。原因可能在于血管弯曲度对低管壁切应力的抑制作用与血管扩张对低管壁切应力的促进作用同时存在，且后者的作用更大，以至于左侧颈动脉仍呈现更高的斑块发生率。

本研究发现左侧颈动脉ICA平面角大于右侧，而左右侧颈动脉分叉角、ICA角差异无统计学意义。LEE等[5]针对年轻健康人的研究结果表明，上述角度与局部低的、振荡的管壁切应力无明显相关，提示其对斑块生成可能不具显著作用，但该研究样本量较小(25名)，且未分别对左右侧颈动脉进行观察。有关ICA平面角、颈动脉分叉角和ICA角对颈动脉分叉血流动力学的影响尚待进一步深入研究。

综上所述，早期颈动脉粥样硬化患者左右侧颈动脉分叉几何形态存在显著差异，可能导致左右侧颈动脉斑块发生率不同，这一认识有助于动脉粥样硬化疾病的诊断及病理机制研究。本研究局限性：①样本量较小；②未采用MR四维血流成像或CFD方法验证血流动力学变化。