Willis环形态对单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者脑血流灌注的影响

刘 兰,朱月香,崔书君

(河北北方学院附属第一医院影像学部,张家口 075000;*通讯作者,E-mail:bdliulan@163.com)

脑卒中的发病率和死亡率高,颈动脉闭塞性疾病是导致脑卒中的主要原因。对于颈动脉狭窄患者,根据狭窄程度、血流动力学改变等决定临床治疗方法,但未考虑颅内脑血管的代偿能力,缺乏脑组织血流灌注状态的影像证据。Willis环是连接颈动脉系统和椎-基底动脉系统的动脉环,是发挥代偿作用的重要结构。研究发现完整Willis环可以减少脑梗死的发生率,改善脑梗死区域的血流灌注[1]。Willis环变异率高,特别是前交通动脉(ACoA)、双侧后交通动脉(PCoA)的缺如很常见,侧枝循环代偿能力可能存在差异,但相关方面研究尚少。本研究采用头颅CT灌注成像(CT perfusion imaging,CTPI)观察ACoA和双侧PCoA开放与否对单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者脑组织灌注的影响。

1 材料与方法

1.1 研究对象

收集2016-06～2017-12于河北北方学院附属第一医院就诊的单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者150例。纳入标准:①头颈部CT血管成像(CT angiography,CTA)和CTPI资料完整;②一侧颈内动脉重度狭窄(狭窄率>70%)或闭塞;对侧颈内动脉无狭窄或轻度狭窄(狭窄率<30%);③头颅CT平扫未见大面积梗死灶。排除标准:①大面积脑梗死、脑出血病史;②合并颅内病变,如脑肿瘤、动静脉畸形、多发性硬化等。共收集符合条件的患者150例,患者症状以一侧肢体感觉运动障碍、头痛头晕、短暂性脑缺血发作为主。其中11例患者因图像无法评估而排除,最终纳入139例患者。

1.2 资料收集

收集患者年龄、性别、血管危险因素(高血压、糖尿病、高脂血症、冠心病、吸烟)资料。记录患者入院时美国国立卫生研究院卒中量表(National Institute of health stroke scale,NIHSS)评分。

1.3 检查方法

采用东芝Aquilion 320排CT扫描仪,管电压80 kV,管电流100-310 mA,准直宽度128 mm×0.5 mm,层厚0.5 mm,螺距0.83,矩阵512×512,FOV 25 cm×25 cm,扫描范围从头顶至颅底。经肘静脉以6 ml/s流率高压团注270 mgI/ml碘克沙醇(1 ml/kg)后立即注射生理盐水30 ml,于注射对比剂7 s后进行第一次暴光扫描,动脉期暴光时间间隔为2 s,静脉期为2-5 s,总扫描时间为60 s,共获得19个容积数据。

1.4 图像后处理

将容积数据导入Vitreafx软件可得到头颅CT平扫、头颈部CTA及头颅灌注图像。采用血管探针技术,结合多平面重建(MPR)、曲面重建(CPR)和最大密度投影(MIP),使血管与周围组织的关系清晰显示,对颈内动脉狭窄程度、范围及Willis环分型进行判断。全部病例均采用双盲法,由2名影像诊断医师进行定性评价。

1.5 数据测量和分析

Willis环血管开放情况评价:Willis环组成血管起、止点显示清楚,显影连续,走行光滑,认为血管存在;未显示则认为缺如,前后交通动脉(ACoA)和后交通动脉(PCoA)开放的直径阈值分别为0.4 mm和0.6 mm[2]。

Willis环分型的评价:根据ACoA和双侧PCoA是否开放,将Willis环分为四型进行研究。Ⅰ型:完整Willis环,即ACoA和双侧PCoA均开放;Ⅱ型:双侧PCoA开放,ACoA不开放;Ⅲ型:ACoA开放,双侧PCoA不开放;Ⅳ型:ACoA和双侧PCoA均不开放。以上四型Willis环组成中,双侧大脑前动脉A1段及大脑后动脉P1段均完整,无缺如及发育不良(大脑前动脉A1段、大脑后动脉P1段的直径<1 mm则定为发育不良[2])。

感兴趣区的选择:手动选择健侧大脑前动脉或大脑中动脉作为输入动脉,上矢状窦作为输出静脉,软件分析自动获得兴趣区的时间-密度曲线(time-density curve,TDC),利用奇异值分解(singular value decomposition,SVD)去卷积算法生成灌注参数图,即脑血容量(cerebral blood volume,CBV)、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通过时间(mean transit time,MTT)和达峰时间(time to peak,TTP)。在横轴面上对称性勾画感兴趣区(region of interest,ROI),包括双侧额、顶、枕、颞叶皮层和丘脑,ROI面积设置为1 mm2,尽可能避开脑沟、血管、钙化及梗死区域。计算患侧/健侧脑区灌注参数相对比(rCBF、rCBV、rMTT、rTTP)。

1.6 统计学分析

采用SPSS17.0统计软件。计量资料以均数±标准差表示,计数资料以频数和百分数表示,四组间样本率的比较采用R×C表χ2检验,四组间均数比较采用方差分析,样本均数两两组间比较采用LSD-t法。检验水准α定为0.05。

2 结果

2.1 基线资料比较

共收集Ⅰ型25例,男11例,女14例,平均年龄(58.7±4.7)岁;Ⅱ型20例,男9例,女11例,平均年龄(56.6±3.4)岁;Ⅲ型72例,男32例,女40例,平均年龄(54.9±4.6)岁;Ⅳ型22例,男10例,女12例,平均年龄(51.3±5.3)岁。组间年龄、性别、患有高血压、糖尿病、高脂血症、吸烟史、饮酒史差异无统计学意义(均P>0.05,见表1)。

入院时NIHSS评分组间差异具有统计学意义(P<0.05)。组间两两比较,Ⅱ型和Ⅳ型组的NIHSS评分高于Ⅰ、Ⅲ型组,差异具有统计学意义(均P<0.05,见表1)。

表1 Willis环不同分型患者基线资料比较例(%)
Table1ComparisonofbaselinedataamongpatientswithdifferenttypesofWillisringscases(%)

组别年龄(岁)性别(男)高血压糖尿病高脂血症吸烟史饮酒史入院NIHSS评分Ⅰ型58.7±4.711(44.0)20(80.0)10(40.0)15(60.0)8(32.0)11(44.0)5.64±1.64Ⅱ型56.6±3.49(45.0)15(75.0)9(45.0)11(55.0)7(35.0)9(45.0)9.00±2.37Ⅲ型54.9±4.632(44.4)55(76.4)34(47.2)40(55.5)30(41.7)36(50.0)7.01±2.17Ⅳ型51.3±5.310(45.5)16(72.7)9(40.9)13(59.1)8(36.4)11(50.0)8.50±3.72F/χ20.5630.0121.7890.5370.2230.8920.3813.679P 0.6421.0000.6170.9110.9740.8270.9440.012

入院NIHSS评分与Ⅰ型比较，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型P值分别为0.008，0.012，0.000；Ⅱ型与Ⅲ型比较，P=0.037；Ⅲ型与Ⅳ型比较，P=0.002

2.2 Willis环不同分型患者脑区灌注参数比较

感兴趣区灌注参数值经方差分析显示,额叶、顶叶皮层rCBV、rMTT、rTTP组间差异有统计学意义(均P<0.05),rCBF组间差异无统计学意义(P>0.05);颞叶皮层rMTT、rTTP组间差异有统计学意义(均P<0.05),rCBF和rCBV组间差异无统计学意义(P>0.05);枕叶皮层和丘脑rCBF、rCBV、rMTT、rTTP组间差异均无统计学意义(均P>0.05,见表2)。Ⅰ-Ⅳ型单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者灌注参数图见图1-4。

表2 Willis环不同分型患者脑区灌注参数比较Table 2 Comparison of cerebral perfusion parameters among patients with different types of Willis rings

与Ⅰ型比较,*P<0.05;与Ⅱ型比较,#P<0.05;与Ⅲ型比较,△P<0.05

差异脑区灌注参数两两比较显示,额叶皮层:Ⅱ型组rCBV值小于Ⅰ和Ⅲ型组,Ⅱ和Ⅳ型组rMTT值和rTTP值高于Ⅰ和Ⅲ型组,差异均具有统计学意义(均P<0.05);顶叶和颞叶皮层:Ⅱ和Ⅳ型组顶叶皮层rCBV值小于Ⅰ型组,Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型组的顶叶和颞叶皮层rMTT值和rTTP值高于Ⅰ型组,差异均具有统计学意义(均P<0.05)。余差异脑区灌注参数组间差异均无统计学意义(均P>0.05,见表3)。

3 讨论

血管的先天变异、动脉粥样硬化及其他原因使少于50%的人Willis环完整。早期对Willis环形态的研究主要依靠尸体解剖。Kapoor等[3]对脑组织标本进行研究,发现仅45.2%标本的Willis环完整,而54.8%标本的Willis环不完整。随着影像技术的发展,CTA能够准确、清楚地显示Willis环的形态。Li等[4]利用CTA技术观察了160例健康中国人的Willis环,发现仅27%的人Willis环完整,79%的Willis环前半循环完整,31%的Willis环后半循环完整。本研究连续纳入139例单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者,以Ⅲ型居多(51.8%),而仅18.0%患者的Willis环完整,可能提示单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者Willis环不完整率可能高于健康人。

头颅CT灌注成像(CTPI)能够评估脑组织血流动力学改变情况,联合CTA检查,能无创、准确地显示头颈部血管狭窄的部位和程度,为脑血管疾病的诊疗和转归提供影像证据,已广泛应用于脑血管疾病的评估中[5-7]。常用灌注参数包括脑血流量(CBF),指单位时间内流经一定脑组织的血流量;脑血容量(CBV),指单位脑组织体积内的血容量;平均通过时间(MTT)表示血液流经感兴趣脑组织的平均时间;达峰时间(TTP)指对比剂到达感兴趣区开始到浓度达到峰值的时间[8]。研究发现MTT和TTP与脑血流灌注路径长短和血流快慢有关,能更敏感地反映脑灌注异常[9,10]。本研究结果显示,颞叶皮层的rMTT和rTTP值组间差异均有统计学意义,而rCBF和rCBV值的组间差异无统计学意义,提示MTT和TTP在反映脑血流灌注差异更加的敏感,与以往研究相一致。

A.右侧颈内动脉重度狭窄; B.Willis环完整; C-F.分别为CBF,CBV,TTP,MTT图,双侧感兴趣脑区参数值相差较小图1 Ⅰ型组右侧颈内动脉重度狭窄患者影像表现Figure 1 Imaging of a patient with right internal carotid artery severe stenosis in type Ⅰ group

A.左侧颈内动脉重度狭窄;B.Ⅱ型Willis环;C-F.分别为CBF,CBV,TTP,MTT图,患侧兴趣脑区CBF和CBV值较健侧明显降低,TTP和MTT值明显升高图2 Ⅱ型组左侧颈内动脉重度狭窄患者影像表现Figure 2 Imaging of a patient with left internal carotid artery severe stenosis in type Ⅱ group

A.左侧颈内动脉重度狭窄;B.Ⅲ型Willis环;B-E.分别为CBF,CBV,TTP,MTT图,患侧感兴趣脑区CBF和CBV值较健侧稍降低,TTP和MTT值稍升高图3 Ⅲ型组左侧颈内动脉重度狭窄患者影像表现Figure 3 Imagings of a patient with left internal carotid artery severe stenosis in type Ⅲ group

A.左侧颈内动脉重度狭窄;B.Ⅳ型Willis环;C-E.分别为CBF,CBV,TTP,MTT图,患侧感兴趣脑区CBF和CBV值较健侧明显降低,TTP和MTT值明显升高图4 Ⅳ型组右侧颈内动脉重度狭窄患者影像表现Figure 4 Imagings of a patient with right internal carotid artery severe stenosis in type Ⅳ group

当颈内动脉重度狭窄/闭塞时,颅内侧支循环将不同程度地发挥作用,包括Willis环和皮层软脑膜吻合支,以Willis环代偿为主。颅内侧支循环的建立与脑梗死严重程度和转归具有相关性[11],良好的侧枝循环能够保证缺血半暗带及时得到血流再灌注,减轻神经功能损害,改善预后。Willis环完整是预后良好的独立影响因素,可能与以下因素有关:①完整的Willis环使侧枝循环通路很好地建立,为缺血脑组织血流再灌注提供条件[12];②增强了软脑膜动脉吻合支的血流动力,保证软脑膜侧枝循环发挥作用;③能够减轻缺血再灌注损伤,缓冲脑缺血和再灌注的血流动力学改变,减轻脑组组损伤[13]。本研究显示,Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型差异脑区的rMTT和rTTP值均显著高于Ⅰ型,提示对于单侧颈内动脉重度狭窄/闭塞患者,完整的Willis环对颈内动脉供血脑区缺血状态的代偿作用显著,而后循环供血脑区(枕叶皮层及丘脑)不受Willis环形态的影响。

ACoA和PCoA作为Willis环构成中的主要侧枝循环血管,变异率很高,但对于两者的代偿效果尚无明确的血流灌注证据。根据解剖学基础,可能通过以下通路发挥代偿作用,Ⅲ型患者的患侧脑区可通过ACoA由健侧颈内动脉代偿;Ⅱ型患者的患侧脑区可通过同侧的PCoA由基底动脉代偿;但Ⅳ型患者则得不到有效的一级代偿,患侧脑区处于低灌注状态。陈珍等[14]通过建立三维Willis环模型研究发现,当一侧颈内动脉狭窄率大于50%时,Willis环内血液重新分配,ACoA侧枝循环作用比PCoA更加重要。本研究发现,只有Ⅱ和Ⅳ型额叶皮层的灌注参数与Ⅲ型组间有显著差异,而Ⅱ型和Ⅳ型组间无显著差异,提示ACoA对额叶皮层缺血状态的代偿作用较PCoA显著,与之前的研究结果相一致[14,15],而在顶、颞叶皮层未见显著体现。此外,患者入院时NIHSS评分组间比较发现,Ⅱ型和Ⅳ型组的NIHSS评分明显高于Ⅰ、Ⅲ型,提示Ⅱ型和Ⅳ型患者的神经功能缺失程度较I型和Ⅲ型严重,与额叶皮层的低灌注状态相关。

本研究尚存在不足之处:①患者数量较少,有待增加样本量研究;②Willis环变异类型多样,今后需进一步详细进行分类研究;③本研究仅考虑了Willis环形态对于侧枝循环发挥代偿作用的影响,而血管闭塞性疾病的血管代偿机制比较复杂,是多种途径共同作用的结果,尚需深入研究。

综上所述,Willis环形态对单侧颈内动脉重度狭窄或闭塞患者脑组织缺血状态起到不同程度的代偿,Willis环完整对颈内动脉系统供血脑区代偿作用显著,Willis环前半循环完整对额叶皮层的代偿作用比后半循环完整明显。此外,CTPI能为单侧颈内动脉重度狭窄或闭塞患者脑组织灌注状态的评估提供客观影像学依据,具有重要的临床价值。