血流动力学研究进展：颅颈动脉血流动力学评估影像研究进展

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隋滨滨

首都医科大学附属北京天坛医院放射科

博士，主任医师，副教授。2008年毕业于首都医科大学影像医学与核医学专业。现工作于首都医科大学附属北京天坛医院放射科。专长为神经系统影像诊断。主要研究领域为颅颈动脉粥样硬化斑块成像与相关血流动力学研究。2009年入选北京市科技新星。2012年至美国华盛顿大学血管成像实验室学习交流半年。2015年入选北京市215高层次卫生技术人才培养计划学科骨干。作为负责人承担国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目。发表SCI收录论文多篇。

血流动力学因素在动脉粥样硬化的发生发展及血管重构过程中起到关键性作用^[1-3]。颈动脉局部血流动力学研究已经成为此领域研究的热点问题^[4-6]。颈动脉分叉部位斑块形成及血管狭窄能够通过影响颅内血流状态从而引起临床缺血症状，反之，颅内动脉的血流状态也会对颈动脉分叉部血流动力学状态起到重要影响。

颅内willis动脉环（circle of willis，CoW）是由颅内的几大供血动脉共同构成的环状结构。从血流动力学角度看，CoW具有自动调节功能，能够分配含氧血流至颅内的各大动脉。在颅内动脉狭窄阻塞时，此结构能够提供必要的侧支循环。但CoW存在明显的个体差异，约有50%的正常人群存在变异^[7]，表现为环状结构不完整，部分血管发育不良（图1）。

血管的几何结构是血流动力学的基础^[8-9]。颅内血管的形态和结构的差异必然导致局部血流动力学状态的差异，而远端血管的血流速度、血流阻力等血流动力学因素必然对近端颈动脉分叉部位血流动力学状态产生影响。虽然迄今为止，颈动脉粥样硬化病变被认为主要与局部血流动力学状态改变有关，但由于颅外段颈动脉与颅内动脉的一体性，仅仅对颈动脉分叉局部血流动力学相关参数进行评估显然是不全面的。

近年来，对颈动脉等动脉粥样硬化好发部位的血流动力学参数的评估成为相关领域研究的热点。计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD) 技术在医学领域的应用使得血管动力学模拟方面的研究取得了一定进展^[11-14]。利用CT、MR等影像技术获取血管形态和速度数据，应用CFD方法可以重建局部流场，计算血流动力学参数。基于计算流体力学方法的颈动脉血流动力学研究已经取得了很多令人满意的结果。目前，此领域的研究热点集中于斑块进展与局部血流动力学因素之间的相关性，研究发现局部血流动力学因素在斑块的发展以及表面破裂过程中起到重要作用^[15-17]。

磁共振成像(magnetic resonanceimaging，MRI)具备无创、图像对比分辨率较高、可以同时获取血管的形态、血管壁的特征及血流速度向量值等优势，使得应用MR技术进行血流动力学的在体评估具备可能性。应用相位对比法(phase-contrast，PC)MR成像技术可准确地获取管腔内各个像素点的流体速度，并反映速度在心动周期内的分布和变化特征，是一种成熟的血流定量测量技术。我们的前期研究显示，应用2D PC成像获取的血流速度数据，结合图像后处理技术，可以准确地对正常人群颈动脉的血流速度、血流率以及管壁切应力进行计算，并能够对局部的血流模式进行评估（图2）。但二维成像局限于对轴位单一层面血流数据的测量，对一段范围的血流进行分析存在局限性。近几年发展起来的四维血流磁共振成像技术（four dimensional flow MRI，4D flow MRI）可获取三维方向的速度容积数据及一个时间维，又称为时间分辨的3D PC技术。由于包含血流在三维方向上的信息，可以实时重建在采集范围内任何位置的血流分析信息。所获取血流数据经过后处理，可以经专业血流软件显示三维血流分布，计算血流动力学参数（图3和图4）。这种方法提供了一个无创性定性和定量评估心血管血流状态的方法，给血流动力学的在体评估提供了新的技术平台。与CFD方法相比，这项技术最明显的优势就是可以实现直接在体血流动力学状态显示和分析，从而避免了由于建立假设引起的计算误差。已经有研究应用这种技术对主动脉^[18]、颈动脉^[19]、颅内动脉^[20]等血管进行在体研究，取得了令人满意的结果。不管是血流速度，还是壁切应力数据均有较好的可重复性^[21]。

由于CoW的结构特点和其在侧支循环中所起到的重要作用，越来越多的研究者开始关注CoW结构相关的血流动力学研究^[22]。由于CoW结构直接影响颅内动脉侧支循环代偿能力，颈动脉狭窄后，颅内结构的差别可导致不同的血流模式分布^[23-24]。一些研究应用经颅多普勒超声方法，通过获取血流频谱、血流速度以及阻力指数等参数来间接判断颈动脉狭窄后颅内血流动力学和侧支循环状态^[25-26]。也有研究^[27-28]应用动脉自旋标记动态MR成像技术通过对达峰值时间和量值等参数分析颈动脉狭窄及内膜剥脱术后的脑血流状态。这些研究的局限性在于无法直接显示颅内的血流模式以及血流动力学特点。近年来，一些研究开始应用计算流体力学方法重建颈动脉狭窄状态下颅内的血流动力学模型^[29-31]，发现单侧颈内动脉严重狭窄情况下，不同的CoW结构可导致不同的侧支循环代偿状态。

然而，以上这些研究都主要关注于颈动脉狭窄对颅内血流模式的影响。而由于颈动脉与颅内动脉的一体性，这种影响作用必然是相互的。2006年，Tanaka H等的研究^[32]就发现，变异的CoW结构与基底动脉以及颅内颈内动脉血流率密切相关。说明CoW结构对近心段血管的血流动力学状态会产生影响。

2011年的一项流体力学模拟研究^[33]显示，当CoW结构不完整，无法提供侧支循环状态下，颈动脉狭窄使得远端血管供血下降。这时，为了尽量满足局部脑组织的血供，颈动脉斑块管腔内血流速度会明显增高，额外增加了斑块局部压力，使斑块易于出现破裂。这说明，颅内动脉CoW的结构和血流动力学状态，对狭窄颈动脉的血流动力学状态可产生重要的影响作用。随着流体力学研究在此领域的发展，颅内CoW结构、血流动力学状态与颈动脉血流动力学状态的综合分析必然成为今后研究的发展方向。

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编辑 黄越

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