基于磁共振成像的頸動脈粥樣硬化相關血流動力學研究進展

隋濱濱，薛蘊菁，高培毅

動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是嚴重威脅人類生命健康的疾病之一，其導致的心腦血管疾病的發病率和死亡率均居各類疾病前列[1-2]。血流動力學方面的研究顯示，動脈粥樣硬化斑塊病變多位于血管分叉、彎曲等血流動力學狀態復雜或突然發生變化的部位，提示動脈血流動力學狀態與動脈粥樣硬化病變的發生發展密切相關[3-6]。

1 動脈粥樣硬化的血流動力學發病機制假說

AS是一種以大動脈內膜粥樣硬化性損害為特征的血管病變[7-8]，主要累及大、中型動脈，引起不同程度的血管腔閉塞，使受阻動脈遠端缺血而導致局部組織壞死。目前占主流地位的是學者Ross[9]于20世紀90年代提出的損傷應答學說，該學說的主要觀點認為，AS是一種針對血管壁內皮細胞和平滑肌細胞受損的慢性過度炎癥纖維增殖性反應，粥樣硬化斑塊形成的途徑之一是各種原因引起的內皮細胞損傷，在血流動力學因素作用下發生血管內皮細胞通透性改變，低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）進入內皮，內皮細胞分泌單核細胞趨化蛋白21（monocyte chemotactic protein 21，MCP21）使單核細胞進入血管內皮并吞噬LDL，最終形成泡沫細胞，后者即是AS形成的基礎。

血流動力學應用流體力學理論和方法研究血液在血管內流動規律及其影響因素，可用于探討血液流動變化與血管病理生理學之間的關系。AS是由多種危險因素長期累積形成，表現為血管物理性狀的改變，是其血流動力學環境、血液成分及其流變學改變的直接反映。血流狀態的穩定性、血流速度和方向以及血流對血管壁細胞（內皮細胞和平滑肌細胞）產生的切應力大小都會因血管幾何構型的改變而發生復雜的變化[10-11]。學模型，結合圖像后處理技術，對局部血流速度、壁應力的大小、分布及時間變化進行直接在體測量，重建血流速度擬合圖及管壁切應力偽彩圖，從而評估動脈局部血流模式[15-16]。

2 磁共振成像技術在動脈血流動力學評價中的應用

包括計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲及介入在內的影像學技術能夠提供有關血管形態和血流速度的數據，越來越多的研究者開始應用影像學方法對動脈血流動力學狀態進行評估[12-13]。其中，MRI圖像分辨率高，成像不受部位限制，定位準確，能夠同時實現對血管幾何形態、血管壁特征、血流速度的無創性測量，在此方面顯示出良好的應用前景。利用MRI血管成像技術獲取的血管幾何形態數據，應用醫學圖像分析及后處理軟件，可提取并重建頸動脈分叉三維結構圖像；應用相位對比法（phase contrast MRI，PC-MRI）成像技術，可相對準確地獲取血管內每個像素點的血流速度向量值，反映一個心動周期內血流速度的變化，提供血流動力學評估的必要信息。

基于MR數據對動脈血流動力學的評估可通過計算流體力學方法（computed fluid dynamics，CFD）實現。將影像獲取的血管形態和速度數據導入專業后處理工作站，應用專業軟件可以重建局部流體場，計算血流速度、血流率、壁應力、靜態壓力等多項血流動力學參數，顯示一個心動周期內局部血流狀態及變化[13-14]。基于PC-MR數據，通過建立合理的數

3 基于MRI技術的頸動脈分叉血管壁切應力研究

頸動脈分叉附近區域是動脈粥樣硬化病變的最好發部位之一。頸動脈粥樣硬化病變是卒中的首要危險因素[17]。對頸動脈血流動力學因素的研究，有助于深入了解動脈粥樣硬化病變的發病機制和發展過程。

3.1 正常及狹窄頸動脈分叉相關血流動力學研究 Younis等[18]研究顯示，分叉部位外側壁附近容易形成血流分離區，導致局部存在低血流、低管壁切應力（wall shear stress，WSS）和高振蕩切應力區域；分叉下游區易出現逆流并有次級血流模式形成。通過建立低剪切應力誘導兔頸動脈粥樣硬化模型，周仕勇等[19]發現低WSS可促使脂質在血管壁內膜的堆積。現有多項研究發現，低WSS、隨時間變化的切應力和高振蕩切應力是動脈粥樣硬化病變形成的重要影響因素。

動脈粥樣硬化病變造成的血管狹窄可引起血流動力學的變化，主要表現為局部切應力增加、壓力下降、血液流速增快[18，20]。這些都導致一系列細胞水平和血管重構的改變。高切應力誘導纖維帽變薄，抑制平滑肌細胞的增殖和活性[21]；狹窄區血液流速增加會導致局部靜態壓下降，從而引起局部血管變形重塑[22]。

Xue等[6]研究發現，正常頸動脈球部管腔中心流速較快，接近層流，而周邊大部分流速減慢，出現渦流；頸動脈球部存在一個較大范圍的低WSS區，頸內、外動脈的外側壁分別存在一個小范圍低WSS區。輕度狹窄的頸動脈球部，層流模式的血流區域較正常血管更多，球部低WSS區也相對縮小或消失，WSS在狹窄區域的入口處及狹窄段升高，最大值范圍68～235 Pa，而在狹窄下游降低；中至重度狹窄血管段的局部血液流速明顯加快，在狹窄中心區域的血流為層流模式，呈噴射狀向頸內動脈遠端流動，狹窄下游可見明顯渦流和回流。狹窄中央區和血流噴射區存在異常高WSS區，最大值范圍201～563 Pa，在狹窄下游可見低WSS區，且與下游的血液紊流區相對應。

3.2 頸動脈斑塊易損性與局部血流動力學相關研究進展 斑塊易損性與臨床缺血事件的發生密切相關。近年來，對頸動脈斑塊局部血流動力學的研究提示斑塊局部血流動力學與斑塊內容物、表面形態的變化有密切相關性，在斑塊易損性的發展中起到重要作用[23-27]。

斑塊破裂通常發生于斑塊上游肩部位置，研究發現流體力學分布與斑塊破裂位置一致。Cicha等[28]發現86%的斑塊破裂出現在斑塊近端，局部可見明顯增高的WSS；而斑塊遠端可見內皮細胞的侵蝕，局部出現低WSS，血流明顯紊亂，符合斑塊向遠端血管進一步發展的血流動力學機制。Jing等[29]通過比較纖維帽破裂組與完整組，發現纖維帽破裂組的最大WSS、平均WSS均明顯高于纖維帽完整組；而破裂組的最小靜態壓、平均靜態壓明顯低于完整組，從而提出，WSS和靜態壓的協同作用可能是導致斑塊破裂的因素；WSS在局部區域升高會造成內皮細胞受損；而周圍壓力急劇降低可能造成斑塊急劇變形，容易引起斑塊破裂。而Teng等[30-31]的研究應用流固耦合的方法發現，斑塊局部的結構應力（斑塊壁應力）遠高于血流剪切力，認為前者可能是導致斑塊破裂的主因，而后者可能起到對管腔表面的長期弱化作用。

斑塊出血是影響斑塊穩定性的重要因素。出血斑塊較無出血斑塊相比，斑塊應力明顯增高[32]。研究發現[33]，斑塊局部的最大主應力、牽拉力的大小和變化在斑塊內的新生血管周圍最為明顯，提示斑塊局部的機械力環境可能通過引起新生血管破裂從而導致斑塊內出血的形成和發展。另外，一項對斑塊超微超順磁性氧化鐵增強MR研究[34]也發現，斑塊炎性反應與局部生物機械應力之間存在密切相關性。

綜上所述，頸動脈斑塊的發生、發展及穩定性變化可能是動脈局部血流動力學特性的綜合作用。隨著MR技術的發展和圖像分辨率的提高，動脈血流動力學的分析將成為今后易損性患者評估的重要方面。由于目前多數研究應用的流體力學重建需要建立大量的數學及流體力學假設才能完成，在體流體力學模型的建立和發展可能是未來動脈血流動力學評估的一個潛在方向。

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【點睛】

本文對基于MR成像的頸動脈粥樣硬化相關血流動力學研究進展進行綜述，旨在加深對本領域的了解，并為進一步研究打下基礎。