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4D血流MRI检查重度颈动脉狭窄患者手术前后的血流动力学

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发表时间:2019-12-07 18:41作者:武汉新启迪Xinqidi来源:www.qidibio.com

4D血流MRI检查重度颈动脉狭窄患者手术前后的血流动力学

摘要

颈动脉内膜切除术(CEA)影响颈动脉内膜解剖,导致手术前后血流动力学改变。我们观察了常规动脉内膜切除术前后颈动脉狭窄的血流动力学。阿离体实验采用颈动脉假体,该模型采用了模拟CEA的方法,并采用4D血流MRI进行了高时空分辨率的斑块修复实验。我们评价了一个由归一化时间平均壁面剪应力(NTA)和振荡剪切指数(OSI)组成的颈动脉异常区域,以解释连续的高剪切区(高NTA、WSS和低OSI)和混沌低剪切区,即易狭窄区(低NTA、WSS和高OSI)。使用规范化血流动力学参数(例如,NTA_我们观察到有斑块的颈动脉狭窄易发区明显大于无斑块颈动脉的相应区域。在颈内动脉狭窄易发区发现一个大的再循环血流区,有斑块的颈动脉部分阻断了进入ICA的血流通路,因此手术后血流速度不像预期的那样恢复。

导言

血管粥样硬化的病理生理与血管血流动力学效应之间的关系已经用多种方法进行了几十年的研究。1,2,3,4,5,6...近年来,应用计算流体力学(CFD)研究了颈动脉内膜剥脱和补片修复对颈动脉容积血流动力学的影响。格尔西奥蒂等人.7提示该补片可能导致流体动力学不佳,如低和振荡的WSS。哈里森也得到了类似的结果,等人.8,世卫组织透露,修整后的补片可能会比更大、更大的补片提供更好的血流动力学好处。多曼,等人.9探索两种闭合技术之间的长期颈动脉再狭窄,并建议应避免颈动脉球部过大的增宽。

时间分辨三维(3D)相位对比磁共振成像(MRI),通常称为四维(4D)流磁共振成像,是一种多功能的流量测量方法,可以同时为CFD验证和容器几何形状提供基准数据。可复制性体内应用4D血流MRI进行血流动力学分析已得到证实10,11,12,因此可以在复杂的血流动力学条件下使用。哈洛夫等人.13颈动脉内膜剥脱术(CEA)对颈动脉血流动力学的影响体内4D血流MRI,显示术后颈内动脉(ICA)收缩期WSS和振荡剪切指数(OSI)明显下降。然而,据我们所知,对常规CEA前后颈动脉容积血流动力学的变化以及修复前后颈动脉血流动力学结果的比较,目前还很少用4D血流MRI对其进行详细的研究。

我们观察了常规动脉内膜切除术前后严重颈动脉狭窄的体积血流动力学,比较了两例修补前后的血流动力学变化。离体实验计划实现高时空分辨率。选择2例重度颈动脉狭窄患者,其中1例行颈动脉补片术,1例行颈动脉修补术(CEA);每名患者的颈动脉模型都是在CEA前后用计算机断层成像(CT)三维打印机制作的,每个患者的颈动脉模型都是特定的、真实的、真实的。一种自定义的闭环流动电路与甘油溶液混合在去离子水中,用来模拟病人特定的搏动血流。用4D血流MRI测量搏动血流,观察其血流动力学参数,如WSS和OSI的联合参数,并在CEA前后进行比较,以评价血流动力学特征的变化。

方法

学习人口

对10例患者中2例颈动脉狭窄患者进行回顾性研究。2014年8月,一名68岁的男性患者接受了CEA修补术,另一名70岁的男性患者在2014年12月接受了初次关闭的CEA治疗。选择对侧颈动脉作为对照组。因此,六种颈动脉模型(前、后和对侧颈动脉模型,以及两组患者)在本研究中被包括在内(图1)。1)。术后1周行颈动脉CT检查。这项研究得到了退伍军人健康服务医疗中心伦理委员会的批准,患者在那里接受了手术,并按照相关的指导方针和条例进行了手术。在网上公开刊物上公布识别资料的知情同意书已获双方同意。

图1
figure1

4D血流MRI测量重建颈动脉几何图形。每例患者选择对侧颈动脉作为对照。

实验装置

颈动脉模型离体利用CT图像在3D打印机上制作了4D血流MRI测量结果如下。将存储在DICOM格式文件中的CT图像加载到MATLAB(美国Mathworks,R2017a)中,利用等曲面函数重建颈动脉的几何形状。等表面被导出为一个立体刻录(STL)格式的文件,并通过一个STL编辑程序(MeshMixer v3.4.35,Autodesk,USA)被平滑地裁剪。最后,用基于STL的3D打印机制作了壁厚为1mm的颈动脉模型(表格2,Formlabs,USA)。试验材料为刚性半透明塑料树脂,层厚(垂直增量)为0.025 mm。

如图所示,一个定制的闭环流程电路被设置为产生特定于病人的脉动流。2...该流量电路由一个流量计(IR-Opflow 1,Tecflow International,荷兰)、一个丙烯酸储能器、一个微齿轮泵(GJ-N21.JF1S.SE,美国微泵)和一个数据采集仪(NI USB-6361,美国国家仪器公司)组成,可同时获取实时流量数据,并向泵系统提供病人专用脉冲。用聚氨酯软管连接各种部件。通过连接相同内径(4mm)和相同长度(1m)的聚氨酯软管,每个下游分支的流动阻力是相同的。只有颈动脉模型和部分软管在磁共振内腔内,以防止磁场扭曲。将6 mmol/L硫酸铜水溶液与甘油按3:2的体积比(去离子水与甘油)混合,作为工作液,其粘度和密度与人血相似(粘度为0.004 Pa·s;密度为1100 kg/m)。3)。使用硫酸铜溶液是因为它提高了磁流变信号的信噪比。14,15.

图2
figure2

闭环流电路原理图。只有与颈动脉相关的幻影部分在MRI机器的孔内,以防止磁场扭曲。

4D血流MRI测量

表中给出了4D流磁共振测量的详细条件。1...在韩国基础科学研究所安装了4.7台Tesla核磁共振机(BioSpec 47/40,Bruker,德国),在本研究中使用了传统的鸟笼无线电频率线圈。调整颈动脉位置,使分叉点尽可能靠近视野中心。空间分辨率为0.35mm各向同性。采用平衡四点速度编码法对体积速度数据进行了测量。16以相同的编码速度值沿每个笛卡尔轴。利用数据采集仪将触发脉冲引入MRI机,实现了前瞻选通。最后,通过从抽运过程中获取的磁共振相位数据中减去时间分辨三维三分量(3C)速度场,以补偿由涡流或系统漂移引起的mri测量的固有误差。14,17,18.

表1 4D血流MRI测量条件。

血流动力学参数

我们首先评估了两种血流动力学参数,NTA、WSS和OSI。OSI指示WSS载体在颈动脉表面的心脏周期中改变方向的频率。NTA_WSS是由CCA中的动态压力归一化的心脏周期的平均WSS,它被认为是流体流动的动能。虽然颈动脉血流的血流动力学条件不同,但采用NTA_WSS,而不是WSS,可以将目前的结果与文献报道的其他结果进行比较。

我们还根据两个条件定义了一个异常区:一个连续的高剪切区(NTA\WSS>0.25和OSI<0.05)和一个混沌的低切变区,即易狭窄区(NTA~WSS<0.05和OSI>0.15)。根据Malek的建议,确定了狭窄易发区的阈值标准,等人.3...我们同时观察了两个异常区域,并检查了常规CEA对颈动脉血流动力学的影响。详细的定义和计算过程的所有血流动力学参数在本研究可以找到补充信息。

结果

异常区

在分析了4D血流MRI所获得的血流数据,如归一化时间平均切应力(NTA)和OSI(见补充信息)后,图中显示了一个易发生动脉粥样硬化早期发展或破裂的异常区域。3...用红色突出显示连续的高切变区域,而蓝色高亮显示的区域表示一个混乱的低切变区域(或狭窄易发区域)。术后患者颈动脉空心线勾画出术前颈动脉形态。结果表明,对照组及术后患者的ICA球主要以混沌低切变为主。尤其是比较术前和术后颈动脉,颈内动脉球囊内的混沌低切变区是CEA术后管腔恢复的结果。相反,ICA内连续的高切变区在手术后消失。

图3
figure3

异常区域的等高线图。红色区域表现为连续的高剪切区(NTA、WSS>0.25和OSI<0.05),蓝色区域表现为狭窄易发区(NTA、WSS、WSS、OSI>0.15)。术后颈动脉病例中的空心线代表了术前颈动脉形态的轮廓。

为进行定量分析,在图中计算了异常区域与ICA和颈总动脉(CCA)表面之和的面积比。4...有趣的是,在斑块病例中,术后颈动脉异常区的比率几乎是对照组的三倍,而在无斑块情况下降至不足三分之一。CEA前后颈动脉的比值变化相似。另一方面,无论是补片病例还是非补片病例,术后颈动脉连续高切区的比例都可以忽略不计。与颈动脉斑块/术前病例相比,非斑块/术前颈动脉颈内动脉的锥形狭窄在持续高剪切区增加了11%。混沌低切变(狭窄易发)区是造成患者颈动脉病变的主要原因,无论是对照组还是术后颈动脉病例。

图4
figure4

异常区与颈内动脉、颈总动脉表面之和面积之比。

颈动脉的流场和几何形状

为了找出斑块和非斑块病例异常区域差异的原因,我们检查了颈动脉的内部流场和几何形状。在图中。5,速度幅度等高线的流线图显示在术后颈动脉横截面上的峰值流速(t=0.3s在图中)。补充资料S1)。颈内动脉球部有明显的血流再循环区(白点线),且在颈动脉斑块/术后颈动脉的血流再循环区明显大于无斑块/术后颈动脉。事实上,颈动脉补片/术后颈动脉再循环区的体积约为未补片/术后颈动脉的3倍(补片/术后病例为0.601 mL,无补片/术后病例为0.197 mL)。这一差异归因于这两条颈动脉之间的几何差异。斑块的ICA-CCA扩散角与无斑块的颈动脉病例从正面看似乎是相似的,但它们与侧视的角度有明显的不同。因此,有理由认为颈动脉补片/术后颈动脉的大面积再循环是由血流通道的突然容积扩张引起的。

图5
figure5

流线在峰值流速和ICA-CCA扩散角。a)补丁和(b)没有补丁的案子。仅为简单起见,才提出术后颈动脉。速度幅度等高线显示在流线图旁边。在流线图中用白色虚线表示ICA的回流区。

颈动脉分支流速比

再循环区体积的不同导致ICA的流量有明显的差异。图形6显示每个颈动脉分支(ICA和颈外动脉(ECA))与其自身CCA的流量比。每支颈动脉平均流量除以CCA平均流量,计算其比值。对照病例显示,颈动脉斑块和非斑块颈动脉病例的ICA和ECA之间的血流速度几乎都是均匀的。显然,术前颈动脉的颈内动脉血流速度明显低于ECA,这是由于斑块和无斑块病例的管腔狭窄所致。然而,在无斑块患者中,ICA血流恢复到CEA后的水平,而在斑块患者中,由于回流区大,其血流速度仅为ECA的三分之一。如图所示,颈动脉斑块/术后颈动脉ICA的这个大的再循环区出现在整个心脏周期。补充信息S3。它的大小不时变化,但它通常占据整个心脏周期的ICA灯泡的大部分。

图6
figure6

颈动脉分支流速比。将颈动脉各支的平均血流速度按平均CCA流量归一化,计算出该比值。

讨论

离体本研究进行了一些实验,尽管体内研究当然比离体研究表明,它们可以探索实际的生理条件。然而,体内4d流磁共振成像通常需要很长的扫描时间,并且受到有限的空间分辨率的限制,最终降低了wss的准确性。19,20...特别是管径较窄的血管,如狭窄血管,其WSS受到空间分辨率的严重影响。自离体幻影研究相对来说不受扫描时间的限制,因此可以获得更高的分辨率和更高的wss精度。20...我们认为,利用高空间分辨率是有利的。离体研究获得精确的血流动力学参数,如wss,并观察由流体小尺度运动组成的再循环区。21.

异常区域的wss和osi标准是通过参考文献中的各种研究来确定的,但他们的研究结果仍在争论中。7,8,22...我们认为,不同的截止值可以归因于不同的流动条件,研究队列的特点,以及流动可视化工具的差异(如CFD和4D流磁共振成像)。通过排除这种差异的影响,比较无量纲形式的截止值是有利的。因此,我们建议对混沌低切变(狭窄易发区)区域进行分类时,NTA、WSS和OSI的分类值分别为0.05和0.15,而对连续高剪切区的分类则分别为0.25和0.05。狭窄易发区的阈值来自Malek,等人.3主要是因为它们提供了计算NTA\WSS的所需的丰富信息。然而,这些截断值需要通过精确的、大规模的和随机的临床试验来确认具有统计学意义,这样才能在外科医生的诊断工作中充分利用它们。

结果发现,如图所示,在斑块和无斑块情况下,回流区的大小不同,因为它受到了颈动脉血流几何学的突然变化(即ICA球部的体积膨胀)的影响。5...过宽的ICA灯泡必然导致大的再循环。23,这可能在低振荡wss的混沌低切变(狭窄易)区的生长中起着至关重要的作用。2,24...这与先前关于ICA/CCA面积比与动脉粥样硬化易发性壁参数面积之间的显著关系的发现是一致的。25或扰动流22...最近多曼等人.9同时证实颈内动脉球部较大的扩张与较高的低WSS暴露量有关,因此在癌胚抗原(CEA)后5年内,颈内动脉重塑为最佳大小的倾向较高。他们建议CEA术后颈动脉关闭应避免颈动脉球部过宽。然而,应彻底调查过度加宽是否会导致再狭窄而非重构,以达到最佳流量。同样,应该强调的是,我们并不是在质疑斑块本身的效用,而是在一个突然扩大的ICA球茎中存在一个回流区,这可能会影响和抑制ICA的血流,尽管CEA手术成功了。此外,我们并不是建议完全消除再循环。这是一种常见的现象,在分支或突然变化的流道,并经常出现在健康的颈动脉。

如结果部分所述,斑块情况下ICA灯泡中的再循环区域充当了流动扰动(图1)。6)。一般来说,更多的血液流向ICA而不是人类的ECA。如果再循环区很大,可以阻断血流通道,就像本研究中补片修复的病人一样,ICA在整个心脏周期中可能没有足够的血流(图一)。补充信息(S3)。因此,尽管做了手术,血流的动态可能并没有明显的改善。

本研究的局限性之一是研究对象太少。两名患者参与,这是一个有限的数目,以获得可重复的显着性结果。我们的最终目标是在高时空分辨率的详细定量实验数据基础上获得有意义的临床见解。离体4D血流MRI。今后应进行大规模的人口研究,包括健康的腮腺病在内的多种病例。在流数据的积累和分析过程中,NTA、UV、WSS、UV和OSI的阈值可能会发生变化。术后1周复查CT图像。因此,我们的结果反映了术后早期的结果,这是因为CEA后血流动力学的立即改变。众所周知,动脉的直径适应于血流动力学的急慢性变化,如流量或wss。26...应分析手术后3个月获得的随访数据,以了解这种适应是如何发生的,以及它最终将如何影响长期血流动力学。此外,考虑将颈动脉假体转变为一种模拟实际颈动脉血管力学特性的弹性材料是合理的,并进行考虑流体-结构相互作用的实验。最后,对病人的分流比进行实验,可以得到更真实的数据,因为WSS分布受下游阻力的影响。研究血流条件对颈动脉分叉处WSS分布结果的影响也是非常有趣的。




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