CTA無創(chuàng)功能性評估頸內(nèi)動脈狹窄

黃家樂，朱炎杰，周方宇，顧偉瑾，張磊，紀莉華，祁小龍，萬軍

·臨床研究Clinical research·

CTA無創(chuàng)功能性評估頸內(nèi)動脈狹窄

黃家樂，朱炎杰，周方宇，顧偉瑾，張磊，紀莉華，祁小龍，萬軍

目的探索建立一種基于CTA的無創(chuàng)性評估頸內(nèi)動脈（ICA）狹窄技術(shù)。方法將研究對象CTA斷層圖像導(dǎo)入Mimics 10.0圖像處理軟件并重建ICA三維模型，再導(dǎo)入ANSYS 13.0有限元分析軟件，賦予邊界條件后運算得出評估ICA的功能性指標——虛擬的狹窄段前后壓力梯度（TSPG）和血流儲備分數(shù)（FFR）。結(jié)果DSA檢查提示研究對象左側(cè)ICA起始段管腔不規(guī)則狹窄約50%，且可見硬化斑塊形成。根據(jù)本無創(chuàng)性評估技術(shù)，成功模擬得出研究對象左側(cè)ICA虛擬TSPG為13.04 mmHg，虛擬FFR為0.93，提示左側(cè)ICA無功能性狹窄，未達到臨床介入治療標準。結(jié)論本研究建立了一種基于CTA的無創(chuàng)性評估ICA狹窄模擬技術(shù)，并與臨床DSA檢查結(jié)果一致。

頸內(nèi)動脈狹窄；壓力梯度；血流儲備分數(shù)；無創(chuàng)性

DSA檢查被視作臨床上診斷顱內(nèi)外動脈狹窄的金標準，然而其有創(chuàng)性始終使其應(yīng)用受到限制［1-3］。隨著多層螺旋CT（MSCT）廣泛應(yīng)用，CTA在頸內(nèi)動脈（ICA）狹窄診斷中的作用得到臨床認可，且與DSA有很好的一致性［4-5］。近年研究報道狹窄段前后壓力梯度（TSPG）和血流儲備分數(shù)（FFR）是評價動脈狹窄所致缺血嚴重程度的指標［6-8］，有望成為腦動脈狹窄患者血管重建的有力鑒定工具［9-13］。但該兩項指標測定卻受制于有創(chuàng)性和費用高昂。隨著計算流體力學(xué)（CFD）發(fā)展，一種基于CTA的FFR評估CT（FFRCT）已應(yīng)用于冠狀動脈狹窄相關(guān)研究［6-8，14］，其檢測結(jié)果取決于冠狀動脈三維模型重建，血流則通過Navier-Stokes方程（N-S方程）模擬為牛頓流體，整合血管彈性、血流量和最大充血狀態(tài)等多因素［13-14］。該技術(shù)結(jié)合無創(chuàng)模擬技術(shù)CTA和有創(chuàng)性FFR優(yōu)勢，從結(jié)構(gòu)和功能方面評估動脈狹窄，同時避免傳統(tǒng)FFR檢測的有創(chuàng)性及其可能造成的并發(fā)癥，從根本上減少不必要的DSA和血運重建治療，為冠心病早期診斷帶來新希望［15］。DSA、血管超聲、CT腦灌注成像等檢查可為ICA狹窄診斷提供參考，但均存在費用昂貴或指標未量化等不足［1，3，16-20］。我們在前期冠狀動脈FFR無創(chuàng)模擬研究基礎(chǔ)上，采用CFD分析對ICA狹窄進行功能評估，旨在探索出一種虛擬TSPG（vTSPG）和虛擬FFR（vFFR）指標?，F(xiàn)結(jié)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院靜安分院1例患者將此項技術(shù)介紹如下。

1 ICA狹窄功能評估

本研究對象為我院收治的1例腦缺血患者，由2名經(jīng)驗豐富的高年資血管檢測醫(yī)師對其作經(jīng)顱多普勒超聲（TCD）檢查和CTA檢查。研究方案經(jīng)我院倫理委員會審批，并經(jīng)患者簽署知情同意。

研究方法：將患者CTA斷層圖像導(dǎo)入Mimics 10.0圖像處理軟件并重建CTA模型圖像，再導(dǎo)入ANSYS 13.0有限元分析軟件，在血流入口和出口賦予邊界條件后，通過ANSYS 13.0軟件作有限元分析與運算，最終模擬出vTSPG和vFFR；通過平均阻力優(yōu)化方式使微血管阻力值適用于所有研究對象，其優(yōu)點在于可有效減少個體化數(shù)據(jù)差異因素對模型的影響。

本研究對象為1例50歲男性腦缺血患者，DSA造影提示左側(cè)ICA起始段管腔不規(guī)則狹窄約50%，且可見硬化斑塊形成（圖1），收縮期峰值流速（PSV）為62 cm/s；CTA檢查顯示左側(cè)ICA狹窄程度為中度。首先導(dǎo)入CTA斷層成像，重建左側(cè)ICA截面二維模型圖（圖2①），根據(jù)Mimics 10.0圖像處理軟件組織灰度值差異，通過閾值設(shè)定脂肪與肌肉組織，框定CTA范圍，利用多層編輯功能編輯CTA截面圖層（主要保留CTA、部分頸總動脈及頸外動脈起始端，刪除周圍組織）并作三維重建（CT值差異易造成血管壁表面空洞，故在不改變血管解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇性予以手動填充及光滑處理），獲得三維模型圖（圖2②），并以文件格式導(dǎo)出；將ICA三維模型圖文件導(dǎo)入ANSYS 13.0軟件，在Flotran CFD模塊中將模型統(tǒng)一為國際單位，建立封閉的三維血管模型，通過布爾操作將ICA入口、出口作垂直切面，形成開放的動脈系統(tǒng)，為后續(xù)ICA血流模擬分析提供必要條件（圖2③）。然而對三維模型圖進行網(wǎng)格化處理，在動脈截面賦予動脈收縮壓及超聲所測血流速度，設(shè)定血液密度及黏度等流體材質(zhì)參數(shù)，完成上述邊界條件賦值后用ANSYS 13.0軟件自動迭代算法對模型作有限元分析，最終成功模擬出左側(cè)ICA vTSPG為13.04 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），vFFR為0.93（圖3①）；ICA冠狀面血流速度分布顯示，ICA狹窄近端和遠端血流速度基本相等，而狹窄處血流速度由原先62 cm/s顯著增加至117 cm/s（圖3②）；ICA橫斷面血流速度分布顯示，血液流經(jīng)狹窄處時截面中央流速明顯增大（圖3③）。

圖1 DSA造影所見

圖2 左側(cè)ICA三維建模和網(wǎng)格劃分

2 討論

DSA檢查仍然是目前診斷顱內(nèi)外動脈狹窄的金標準，但有創(chuàng)性、缺乏功能性診斷等缺點使之在臨床應(yīng)用中受到限制［21-23］。大量臨床試驗研究證實TSPG和FFR作為兩項功能性指標，在評估動脈狹窄引起缺血性病變方面具有重要意義［9-11］。近年冠狀動脈狹窄段壓力無創(chuàng)測量研究證實，體外CTA行無創(chuàng)FFR模擬具有重要診斷價值［6-8］。Koo等［7］報道對103例冠狀動脈狹窄患者159支血管行無創(chuàng)模擬FFR檢測，診斷準確度、靈敏度、特異度分別為84.3%、87.9%、82.2%，受測者特征——曲線下面積（AUC）為0.90，均優(yōu)于有創(chuàng)FFR檢測。Min等［6］總結(jié)分析來自5國17中心252例冠心病患者血管數(shù)據(jù)，結(jié)果提示無創(chuàng)FFR檢測的準確度、靈敏度、特異度分別為73%、90%、54%，無創(chuàng)FFR數(shù)據(jù)與有創(chuàng)FFR相比較具有良好相關(guān)性（AUC 0.81，95%CI 0.75～0.86，P＜0.001）。

FFRCT技術(shù)基于冠狀動脈供血特點、血管管徑比例關(guān)系及最大充血狀態(tài)可誘發(fā)等原理獲得vTSPG和vFFR［13］。ICA是腦動脈系統(tǒng)之一，其顱外段并無分支。本研究在前期無創(chuàng)測定冠狀動脈狹窄功能性指標研究基礎(chǔ)上，旨在通過三維建模和CFD法獲得vTSPG和vFFR，從而有效地評估ICA功能性狹窄。本例患者CTA檢查顯示左側(cè)ICA中度程度狹窄，TCD顯示PSV為62 cm/s，DSA造影提示左側(cè)ICA起始段血管腔不規(guī)則狹窄約50%，可見硬化斑塊形成；采用CFD法對該患者三維ICA模型作有限元分析，得出vTSPG為13.04 mmHg，vFFR為0.93，提示ICA無功能性狹窄，未達臨床介入治療標準，這與DSA檢查結(jié)果有較好的一致性。由此可見，通過上述方法獲得的ICA vTSPG、vFFR量化指標，綜合了TCD和CTA檢查的優(yōu)勢，可更直觀精確地反映ICA解剖學(xué)狹窄程度及其血流動力學(xué)異常狀況，在評估ICA狹窄程度、指導(dǎo)臨床決策等方面具有潛在價值。

圖3 左側(cè)ICA無創(chuàng)性血流動力學(xué)分析

本研究提出通過無創(chuàng)方法獲得ICA vTSPG和vFFR量化指標，從而對ICA狹窄及其血流動力學(xué)作出有意義的評價。盡管本研究無創(chuàng)模擬獲得的功能性診斷僅限于個例，缺乏與有創(chuàng)TSPG和FFR金標準的對照研究，但研究結(jié)果仍具有重要前景。相信無創(chuàng)性檢測ICA狹窄段壓力方法將通過大樣本臨床驗證，對評價ICA狹窄嚴重度、是否行血管再生術(shù)產(chǎn)生重要作用。

［1］張善春，遲路湘.血管超聲與腦血管造影診斷頸動脈狹窄的對比研究［J］.中華老年心腦血管病雜志，2012，14：408-410.

［2］Brott TG，Hobson RW 2nd，Howard G，et al.Stenting versus endarterectomy for treatment of carotid-artery stenosis［J］.N Engl J Med，2010，363：11-23.

［3］蘇克江.頸動脈狹窄患者的卒中預(yù)防內(nèi)膜切除術(shù)，支架置人血管成形術(shù)，還是最佳的藥物治療？［J］.國際腦血管病雜志，2009，17：393-399.

［4］肖國棟，胡偉，徐格林，等.鈣化斑塊對雙源64層CT血管成像診斷頸動脈狹窄的影響［J］.中國腦血管病雜志，2008，5：298-302.

［5］李星亮，楊笑一，張玉強，等.評估頸內(nèi)動脈顱內(nèi)段血管狹窄三種影像學(xué)方法的對比分析［J］.介入放射學(xué)雜志，2014，23：333-336.

［6］Min JK，Leipsic J，Pencina MJ，et al.Diagnostic accuracy of fractional flow reserve from anatomic CT angiography［J］.JAMA，2012，308：1237-1245.

［7］Koo BK，Erglis A，Doh JH，et al.Diagnosis of ischemia-causing coronary stenoses by noninvasive fractional flow reserve computed from coronary computed tomographic angiograms.Results from the prospective multicenter DISCOVER-FLOW（Diagnosis of Ischemia-Causing Stenoses Obtained via Noninvasive Fractional Flow Reserve）study［J］.J Am Coll Cardiol，2011，58：1989-1997.

［8］Qi X，Lü H，Zhou F，et al.A novel noninvasive method for measuring fractional flow reserve through three-dimensional modeling［J］. Arch Med Sci，2013，9：581-583.

［9］De Bruyne B，Manoharan G，Pijls NH，et al.Assessment of renal artery stenosis severity by pressure gradient measurements［J］.J Am Coll Cardiol，2006，48：1851-1855.

［10］Bley TA，Johnson KM，F(xiàn)rancois CJ，et al.Noninvasive assessment of transstenotic pressure gradients in porcine renal artery stenoses by using vastly undersampled phase-contrast MR angiography［J］. Radiology，2011，261：266-273.

［11］Wasilewski J，Mirota K，Hawranek M，et al.Invasive and noninvasive fractional flow reserve index in validation of hemodynamic severity of intracoronary lesions［J］.Postepy Kardiol Interwencyjnej，2013，9：160-169.

［12］Melikian N，De Bondt P，Tonino P，et al.Fractional flow reserve and myocardial perfusion imaging in patients with angiographic multivessel coronary artery disease［J］.JACC Cardiovasc Interv，2010，3：307-314.

［13］Taylor CA，F(xiàn)onte TA，Min JK.Computational fluid dynamics applied to cardiac computed tomography for noninvasive quantification of fractional flow reserve：scientific basis［J］.J Am Coll Cardiol，2013，61：2233-2241.

［14］Taylor CA，F(xiàn)onte TA，Min JK.Computational fluid dynamics applied to cardiac computed tomography for noninvasive quantification of fractional flow reserve：scientific basis［J］.J Am Coll Cardiolm，2013，61：2233-2241.

［15］陸怡菡，曾蒙蘇.FFRCT：無創(chuàng)冠脈血流儲備分數(shù)檢測方式［J］.中國醫(yī)學(xué)計算機成像雜志，2014，20：200-204.

［16］刁永鵬，劉昌偉，宋小軍，等.兩種頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)式治療頸動脈狹窄的臨床分析［J］.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報，2014，93：131-134.

［17］劉建林，楊林，馬強，等.頸動脈內(nèi)膜切除與支架置入治療癥狀性頸動脈狹窄的療效比較［J］.中華神經(jīng)外科雜志，2012，28：382-385.

［18］孫巖，張十一，劉洋，等.顱外段頸動脈狹窄的手術(shù)治療［J］.中國普通外科雜志，2011，20：1383-1385.

［19］何文娟，沈加林，李飛平，等.CT腦灌注評估頸動脈狹窄的血流動力學(xué)改變［J］.實用放射學(xué)雜志，2011，27：334-337.

［20］Lloyd-Jones D，Adams R，Carnethon M，et al.Heart disease and stroke statistics-2009 update：a report from the American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee［J］.Circulation，2009，119：e21-e181.

［21］王銘義，王峰.腦灌注成像在頸動脈狹窄介入治療中的應(yīng)用［J］.介入放射學(xué)雜志，2011，20：915-919.

［22］Howell GM，Makaroun MS，Chaer RA.Current management of extracranial carotid occlusive disease［J］.J Am Coll Surg，2009，208：442-453.

［23］Kobayashi A.Endovascular approaches for acute ischaemic stroke：the current evidence and organizational issues［J］.Adv Int Cardiol，2012，8：216-224.

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）

（本文編輯：邊佶）

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

上海市衛(wèi)生與計劃生育委員會面上項目（20134088）

200092上海同濟大學(xué)醫(yī)學(xué)院（黃家樂、朱炎杰、周方宇、祁小龍）；復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院靜安分院介入科（顧偉瑾、張磊、紀莉華、萬軍）

萬軍E-mail：anniy2000@vip.163.com