Willis環形態對單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者腦血流灌注的影響

劉 蘭,朱月香,崔書君

(河北北方學院附屬第一醫院影像學部,張家口 075000;*通訊作者,E-mail:bdliulan@163.com)

腦卒中的發病率和死亡率高,頸動脈閉塞性疾病是導致腦卒中的主要原因。對于頸動脈狹窄患者,根據狹窄程度、血流動力學改變等決定臨床治療方法,但未考慮顱內腦血管的代償能力,缺乏腦組織血流灌注狀態的影像證據。Willis環是連接頸動脈系統和椎-基底動脈系統的動脈環,是發揮代償作用的重要結構。研究發現完整Willis環可以減少腦梗死的發生率,改善腦梗死區域的血流灌注[1]。Willis環變異率高,特別是前交通動脈(ACoA)、雙側后交通動脈(PCoA)的缺如很常見,側枝循環代償能力可能存在差異,但相關方面研究尚少。本研究采用頭顱CT灌注成像(CT perfusion imaging,CTPI)觀察ACoA和雙側PCoA開放與否對單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者腦組織灌注的影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

收集2016-06～2017-12于河北北方學院附屬第一醫院就診的單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者150例。納入標準:①頭頸部CT血管成像(CT angiography,CTA)和CTPI資料完整;②一側頸內動脈重度狹窄(狹窄率>70%)或閉塞;對側頸內動脈無狹窄或輕度狹窄(狹窄率<30%);③頭顱CT平掃未見大面積梗死灶。排除標準:①大面積腦梗死、腦出血病史;②合并顱內病變,如腦腫瘤、動靜脈畸形、多發性硬化等。共收集符合條件的患者150例,患者癥狀以一側肢體感覺運動障礙、頭痛頭暈、短暫性腦缺血發作為主。其中11例患者因圖像無法評估而排除,最終納入139例患者。

1.2 資料收集

收集患者年齡、性別、血管危險因素(高血壓、糖尿病、高脂血癥、冠心病、吸煙)資料。記錄患者入院時美國國立衛生研究院卒中量表(National Institute of health stroke scale,NIHSS)評分。

1.3 檢查方法

采用東芝Aquilion 320排CT掃描儀,管電壓80 kV,管電流100-310 mA,準直寬度128 mm×0.5 mm,層厚0.5 mm,螺距0.83,矩陣512×512,FOV 25 cm×25 cm,掃描范圍從頭頂至顱底。經肘靜脈以6 ml/s流率高壓團注270 mgI/ml碘克沙醇(1 ml/kg)后立即注射生理鹽水30 ml,于注射對比劑7 s后進行第一次暴光掃描,動脈期暴光時間間隔為2 s,靜脈期為2-5 s,總掃描時間為60 s,共獲得19個容積數據。

1.4 圖像后處理

將容積數據導入Vitreafx軟件可得到頭顱CT平掃、頭頸部CTA及頭顱灌注圖像。采用血管探針技術,結合多平面重建(MPR)、曲面重建(CPR)和最大密度投影(MIP),使血管與周圍組織的關系清晰顯示,對頸內動脈狹窄程度、范圍及Willis環分型進行判斷。全部病例均采用雙盲法,由2名影像診斷醫師進行定性評價。

1.5 數據測量和分析

Willis環血管開放情況評價:Willis環組成血管起、止點顯示清楚,顯影連續,走行光滑,認為血管存在;未顯示則認為缺如,前后交通動脈(ACoA)和后交通動脈(PCoA)開放的直徑閾值分別為0.4 mm和0.6 mm[2]。

Willis環分型的評價:根據ACoA和雙側PCoA是否開放,將Willis環分為四型進行研究。Ⅰ型:完整Willis環,即ACoA和雙側PCoA均開放;Ⅱ型:雙側PCoA開放,ACoA不開放;Ⅲ型:ACoA開放,雙側PCoA不開放;Ⅳ型:ACoA和雙側PCoA均不開放。以上四型Willis環組成中,雙側大腦前動脈A1段及大腦后動脈P1段均完整,無缺如及發育不良(大腦前動脈A1段、大腦后動脈P1段的直徑<1 mm則定為發育不良[2])。

感興趣區的選擇:手動選擇健側大腦前動脈或大腦中動脈作為輸入動脈,上矢狀竇作為輸出靜脈,軟件分析自動獲得興趣區的時間-密度曲線(time-density curve,TDC),利用奇異值分解(singular value decomposition,SVD)去卷積算法生成灌注參數圖,即腦血容量(cerebral blood volume,CBV)、腦血流量(cerebral blood flow,CBF)、平均通過時間(mean transit time,MTT)和達峰時間(time to peak,TTP)。在橫軸面上對稱性勾畫感興趣區(region of interest,ROI),包括雙側額、頂、枕、顳葉皮層和丘腦,ROI面積設置為1 mm2,盡可能避開腦溝、血管、鈣化及梗死區域。計算患側/健側腦區灌注參數相對比(rCBF、rCBV、rMTT、rTTP)。

1.6 統計學分析

采用SPSS17.0統計軟件。計量資料以均數±標準差表示,計數資料以頻數和百分數表示,四組間樣本率的比較采用R×C表χ2檢驗,四組間均數比較采用方差分析,樣本均數兩兩組間比較采用LSD-t法。檢驗水準α定為0.05。

2 結果

2.1 基線資料比較

共收集Ⅰ型25例,男11例,女14例,平均年齡(58.7±4.7)歲;Ⅱ型20例,男9例,女11例,平均年齡(56.6±3.4)歲;Ⅲ型72例,男32例,女40例,平均年齡(54.9±4.6)歲;Ⅳ型22例,男10例,女12例,平均年齡(51.3±5.3)歲。組間年齡、性別、患有高血壓、糖尿病、高脂血癥、吸煙史、飲酒史差異無統計學意義(均P>0.05,見表1)。

入院時NIHSS評分組間差異具有統計學意義(P<0.05)。組間兩兩比較,Ⅱ型和Ⅳ型組的NIHSS評分高于Ⅰ、Ⅲ型組,差異具有統計學意義(均P<0.05,見表1)。

表1 Willis環不同分型患者基線資料比較例(%)
Table1ComparisonofbaselinedataamongpatientswithdifferenttypesofWillisringscases(%)

組別年齡(歲)性別(男)高血壓糖尿病高脂血癥吸煙史飲酒史入院NIHSS評分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評分與Ⅰ型比較，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型P值分別為0.008，0.012，0.000；Ⅱ型與Ⅲ型比較，P=0.037；Ⅲ型與Ⅳ型比較，P=0.002

2.2 Willis環不同分型患者腦區灌注參數比較

感興趣區灌注參數值經方差分析顯示,額葉、頂葉皮層rCBV、rMTT、rTTP組間差異有統計學意義(均P<0.05),rCBF組間差異無統計學意義(P>0.05);顳葉皮層rMTT、rTTP組間差異有統計學意義(均P<0.05),rCBF和rCBV組間差異無統計學意義(P>0.05);枕葉皮層和丘腦rCBF、rCBV、rMTT、rTTP組間差異均無統計學意義(均P>0.05,見表2)。Ⅰ-Ⅳ型單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者灌注參數圖見圖1-4。

表2 Willis環不同分型患者腦區灌注參數比較Table 2 Comparison of cerebral perfusion parameters among patients with different types of Willis rings

與Ⅰ型比較,*P<0.05;與Ⅱ型比較,#P<0.05;與Ⅲ型比較,△P<0.05

差異腦區灌注參數兩兩比較顯示,額葉皮層:Ⅱ型組rCBV值小于Ⅰ和Ⅲ型組,Ⅱ和Ⅳ型組rMTT值和rTTP值高于Ⅰ和Ⅲ型組,差異均具有統計學意義(均P<0.05);頂葉和顳葉皮層:Ⅱ和Ⅳ型組頂葉皮層rCBV值小于Ⅰ型組,Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型組的頂葉和顳葉皮層rMTT值和rTTP值高于Ⅰ型組,差異均具有統計學意義(均P<0.05)。余差異腦區灌注參數組間差異均無統計學意義(均P>0.05,見表3)。

3 討論

血管的先天變異、動脈粥樣硬化及其他原因使少于50%的人Willis環完整。早期對Willis環形態的研究主要依靠尸體解剖。Kapoor等[3]對腦組織標本進行研究,發現僅45.2%標本的Willis環完整,而54.8%標本的Willis環不完整。隨著影像技術的發展,CTA能夠準確、清楚地顯示Willis環的形態。Li等[4]利用CTA技術觀察了160例健康中國人的Willis環,發現僅27%的人Willis環完整,79%的Willis環前半循環完整,31%的Willis環后半循環完整。本研究連續納入139例單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者,以Ⅲ型居多(51.8%),而僅18.0%患者的Willis環完整,可能提示單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者Willis環不完整率可能高于健康人。

頭顱CT灌注成像(CTPI)能夠評估腦組織血流動力學改變情況,聯合CTA檢查,能無創、準確地顯示頭頸部血管狹窄的部位和程度,為腦血管疾病的診療和轉歸提供影像證據,已廣泛應用于腦血管疾病的評估中[5-7]。常用灌注參數包括腦血流量(CBF),指單位時間內流經一定腦組織的血流量;腦血容量(CBV),指單位腦組織體積內的血容量;平均通過時間(MTT)表示血液流經感興趣腦組織的平均時間;達峰時間(TTP)指對比劑到達感興趣區開始到濃度達到峰值的時間[8]。研究發現MTT和TTP與腦血流灌注路徑長短和血流快慢有關,能更敏感地反映腦灌注異常[9,10]。本研究結果顯示,顳葉皮層的rMTT和rTTP值組間差異均有統計學意義,而rCBF和rCBV值的組間差異無統計學意義,提示MTT和TTP在反映腦血流灌注差異更加的敏感,與以往研究相一致。

A.右側頸內動脈重度狹窄; B.Willis環完整; C-F.分別為CBF,CBV,TTP,MTT圖,雙側感興趣腦區參數值相差較小圖1 Ⅰ型組右側頸內動脈重度狹窄患者影像表現Figure 1 Imaging of a patient with right internal carotid artery severe stenosis in type Ⅰ group

A.左側頸內動脈重度狹窄;B.Ⅱ型Willis環;C-F.分別為CBF,CBV,TTP,MTT圖,患側興趣腦區CBF和CBV值較健側明顯降低,TTP和MTT值明顯升高圖2 Ⅱ型組左側頸內動脈重度狹窄患者影像表現Figure 2 Imaging of a patient with left internal carotid artery severe stenosis in type Ⅱ group

A.左側頸內動脈重度狹窄;B.Ⅲ型Willis環;B-E.分別為CBF,CBV,TTP,MTT圖,患側感興趣腦區CBF和CBV值較健側稍降低,TTP和MTT值稍升高圖3 Ⅲ型組左側頸內動脈重度狹窄患者影像表現Figure 3 Imagings of a patient with left internal carotid artery severe stenosis in type Ⅲ group

A.左側頸內動脈重度狹窄;B.Ⅳ型Willis環;C-E.分別為CBF,CBV,TTP,MTT圖,患側感興趣腦區CBF和CBV值較健側明顯降低,TTP和MTT值明顯升高圖4 Ⅳ型組右側頸內動脈重度狹窄患者影像表現Figure 4 Imagings of a patient with right internal carotid artery severe stenosis in type Ⅳ group

當頸內動脈重度狹窄/閉塞時,顱內側支循環將不同程度地發揮作用,包括Willis環和皮層軟腦膜吻合支,以Willis環代償為主。顱內側支循環的建立與腦梗死嚴重程度和轉歸具有相關性[11],良好的側枝循環能夠保證缺血半暗帶及時得到血流再灌注,減輕神經功能損害,改善預后。Willis環完整是預后良好的獨立影響因素,可能與以下因素有關:①完整的Willis環使側枝循環通路很好地建立,為缺血腦組織血流再灌注提供條件[12];②增強了軟腦膜動脈吻合支的血流動力,保證軟腦膜側枝循環發揮作用;③能夠減輕缺血再灌注損傷,緩沖腦缺血和再灌注的血流動力學改變,減輕腦組組損傷[13]。本研究顯示,Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ型差異腦區的rMTT和rTTP值均顯著高于Ⅰ型,提示對于單側頸內動脈重度狹窄/閉塞患者,完整的Willis環對頸內動脈供血腦區缺血狀態的代償作用顯著,而后循環供血腦區(枕葉皮層及丘腦)不受Willis環形態的影響。

ACoA和PCoA作為Willis環構成中的主要側枝循環血管,變異率很高,但對于兩者的代償效果尚無明確的血流灌注證據。根據解剖學基礎,可能通過以下通路發揮代償作用,Ⅲ型患者的患側腦區可通過ACoA由健側頸內動脈代償;Ⅱ型患者的患側腦區可通過同側的PCoA由基底動脈代償;但Ⅳ型患者則得不到有效的一級代償,患側腦區處于低灌注狀態。陳珍等[14]通過建立三維Willis環模型研究發現,當一側頸內動脈狹窄率大于50%時,Willis環內血液重新分配,ACoA側枝循環作用比PCoA更加重要。本研究發現,只有Ⅱ和Ⅳ型額葉皮層的灌注參數與Ⅲ型組間有顯著差異,而Ⅱ型和Ⅳ型組間無顯著差異,提示ACoA對額葉皮層缺血狀態的代償作用較PCoA顯著,與之前的研究結果相一致[14,15],而在頂、顳葉皮層未見顯著體現。此外,患者入院時NIHSS評分組間比較發現,Ⅱ型和Ⅳ型組的NIHSS評分明顯高于Ⅰ、Ⅲ型,提示Ⅱ型和Ⅳ型患者的神經功能缺失程度較I型和Ⅲ型嚴重,與額葉皮層的低灌注狀態相關。

本研究尚存在不足之處:①患者數量較少,有待增加樣本量研究;②Willis環變異類型多樣,今后需進一步詳細進行分類研究;③本研究僅考慮了Willis環形態對于側枝循環發揮代償作用的影響,而血管閉塞性疾病的血管代償機制比較復雜,是多種途徑共同作用的結果,尚需深入研究。

綜上所述,Willis環形態對單側頸內動脈重度狹窄或閉塞患者腦組織缺血狀態起到不同程度的代償,Willis環完整對頸內動脈系統供血腦區代償作用顯著,Willis環前半循環完整對額葉皮層的代償作用比后半循環完整明顯。此外,CTPI能為單側頸內動脈重度狹窄或閉塞患者腦組織灌注狀態的評估提供客觀影像學依據,具有重要的臨床價值。