【综述】颅内动脉瘤瘤颈参数测算方法与临床应用研究进展

摘要:颅内动脉瘤作为一种病理性血管扩张疾病,是引发出血性卒中的重要原因,但颅内动脉瘤的具体形成机制目前尚不十分明确｡颅内动脉瘤瘤体破裂时常引起蛛网膜下腔出血,导致严重的后遗症甚至死亡｡基于动脉瘤瘤颈形成的多个形态学指标评估动脉瘤稳定性和破裂风险有重要意义｡随着科技发展,将颅内动脉瘤瘤颈相关参数和患者临床信息相结合有助于颅内动脉瘤的精准评估以及自动化辅助评估系统的进一步探索｡该文通过回顾近年来颅内动脉瘤瘤颈相关参数测量与其临床应用,总结分析多种计算机辅助瘤颈分割算法,以期为未来颅内动脉瘤精准测量及应用研究提供参考依据,为其临床诊疗方案的制定提供更科学､更准确的形态量化信息｡

颅内动脉瘤是一种由血管壁损伤引发的扩张型脑血管疾病,约85%的蛛网膜下腔出血由颅内动脉瘤破裂导致｡随着近年来医学影像技术的快速发展,颅内动脉瘤的发生机制､形态量化以及治疗问题越来越引起研究者的注意｡目前的研究结果显示,颅内动脉瘤瘤颈的位置及相关形态学参数在颅内动脉瘤生长､破裂预测中起到了重要作用｡在颅内动脉瘤治疗方面,医师需要在治疗计划中充分考虑颅内动脉瘤的相关形态学参数｡如何根据动脉瘤瘤颈的相关参数判断颅内动脉瘤的破裂风险及生长速度是决定是否进行手术治疗的关键之一｡并且,研究显示,瘤颈部的规则与否是患者发生手术相关脑梗死的独立危险因素,如何针对不同形态的颅内动脉瘤制定最优的手术方案,确保良好的预后效果也是一个重要问题｡近年来,国内外研究者针对颅内动脉瘤瘤颈平面位置及相关参数的量化分析研究取得了进展,本文就颅内动脉瘤瘤颈相关典型参数的测量方法与临床应用进行分析总结｡

1 颅内动脉瘤瘤颈的相关参数

瘤颈研究中常使用的形态学参数可分为直接测量的形态学参数和间接测量的形态学参数｡其中,直接测量的形态学参数包括对颅内动脉瘤瘤颈位置平面(即载瘤动脉与瘤体分界平面)､颈宽(即瘤颈平面的直径)､瘤颈口形态(包括边界凹凸度､椭圆指数､非圆度指数等)的测量参数;间接测量的形态学参数包括动脉瘤高度(即垂直于瘤颈平面中心至动脉瘤圆顶的最长距离)､穹颈比(或顶颈比;即动脉瘤瘤体最大宽度与平均瘤颈直径的比值)｡此外,还有一部分间接测量的参数为形态学与血流动力学结合的参数,包括平均动脉压与瘤颈颈宽的比值,为将伯努利方程与血流动力学进行结合分析的参数｡

部分研究者重点研究颅内动脉瘤瘤颈平面位置,通过分割载瘤动脉与颅内动脉瘤瘤体为动脉瘤治疗方案提供诊疗依据,并通过重建瘤颈部曲线以预测颅内动脉瘤破裂风险｡颅内动脉瘤的治疗目前主要包括开颅动脉瘤夹闭术及血管内介入治疗,瘤颈位置是治疗过程中选择合适的夹闭夹或介入器材的重要参考数据之一｡另一部分研究则在测量瘤颈位置基础上,利用瘤颈及其相关参数对载瘤动脉与瘤体之间的关系进行定量分析,同时分析血液流动在二者之间的作用｡这些参数被用来预测动脉瘤生长､测算动脉瘤破裂风险以及评估相关介入器械的使用安全性｡由于颅内动脉瘤发生率为3%~7%,而其年破裂率在1%以下,治疗方面多以预防动脉瘤破裂､控制生长为主,对瘤颈相关形态学参数的测量可为颅内动脉瘤手术时机的选择提供参考依据｡

2 颅内动脉瘤瘤颈参数提取算法

颅内动脉瘤瘤颈形态学参数一般可以通过手动划分或使用计算机进行辅助测量获得｡在实际临床操作中,基于影像学手动划分瘤颈常需要操作者具有丰富的临床经验,且研究结果表明,经验丰富的操作者在划分时也常受到主观判断的影响,不同的操作者之间往往存在较大的差异性｡这是因为手动划分时需要基于医学影像图像选择最佳工作视角,进行瘤颈线或瘤颈平面的划分,而最佳工作视角的选择具有较大的主观性｡即使是基于DSA对动脉瘤进行手动划分,不同操作者根据视觉判断的瘤颈位置仍存在较大差异｡一项分析手动测量瘤颈形态学参数可靠性的研究,通过3名观察者(包括2名放射学研究员和1名神经放射科医师)对56个动脉瘤的瘤颈位置､瘤囊的最大直径以及瘤颈宽度进行手动测量并进行一致性检验(1为完全一致),结果显示,3名观察者对瘤颈宽度测量结果一致性为0.53~0.66,而对瘤颈位置的测量结果一致性仅能达到0.20~0.41｡而另一项研究同样选择了3名观察者(均为神经外科医师)分别对33个动脉瘤的瘤囊最大宽度､最大直径以及瘤颈宽度进行2次手动测量,并进行差异性检测,结果显示,观察者间与观察者内的误差范围在12%~18%｡上述研究均出现了受操作视角的影响,不同观察者在瘤颈相关参数的手动测量中存在较大误差的现象｡

对颅内动脉瘤的分割可直接影响动脉瘤瘤体与载瘤动脉的分界线的界定｡目前研究者将医学图像处理学､医学影像技术､计算机图形学等多个学科相融合对瘤颈进行测量,已实现了多种半自动化或自动化的瘤颈参数测量,其中Saalfeld等开发了对颅内动脉瘤瘤颈的半自动测量算法或系统｡Saalfeld等基于计算机图形学提出了4点测量法:通过动脉瘤瘤体穹顶顶点､中心线上点与瘤体表面点之间的关系确定4个瘤颈点,使用快速行进法连接得到瘤颈线,该方法所得的瘤颈点在载瘤动脉上的投影可以用来判断瘤颈附近是否有未被划分的增生子瘤瘤颈｡Geng等通过在瘤体和载瘤动脉表面上选取合适的点进行区域膨胀,使膨胀区与瘤体进行重合,通过区域相减也成功将瘤体与载瘤动脉分离,并测算出瘤颈直径及瘤体高度等一系列形态学参数｡另外,在目前已成熟应用的2款半自动测量软件系统中,Stroke VCAR系统主要用于辅助诊断,其可基于CT血管成像(CTA)的影像图像直接进行瘤颈划分;而SurgicalPreview VR软件则是基于深度学习和形态学建立血管三维模型进行瘤颈划分,同时可以自动计算其他相关的形态学参数｡

Cárdenes等､Piccinelli等､Jerman等团队的算法或系统实现了对颅内动脉瘤瘤颈的自动化测量｡Piccinelli等､Cárdenes等的团队在测量瘤颈参数时所建立的载瘤动脉模型均基于veronoi图｡Piccinelli等的算法重点是通过计算等距离线的重心点,对其进行3次样条拟合,建立穿过瘤颈向瘤体穹顶行进的参考线｡利用参考线上的点建立多角度切片对瘤体进行多方位切割,判断所切割的平面是否为封闭的平面,并以第一个面积最小的切面作为瘤颈平面｡此外,该团队的测量方法可以通过建立分支向量计算瘤体与载瘤动脉夹角,以预测动脉瘤的生长方向｡而Cárdenes等虽然建立模型的方法与前者相同,但在计算瘤颈线时引入了黎曼几何中测地线的概念,其利用向量场和欧式几何的概念计算出载瘤动脉及瘤体表面点与中心线上点的关系确定瘤颈上的两个点,结合测地线的概念和二阶龙格-库塔方程进行计算可以得到两条方向相反的测地线,这种方法可以确保划分瘤颈线时的路径最短,降低瘤颈分割线划分在载瘤动脉或动脉瘤瘤体上的可能性｡Jerman等则在载瘤动脉上通过模型表面点建立向量场并使用数学累加器建立载瘤动脉中心线,利用动脉瘤瘤颈处高斯曲面曲率低于动脉瘤其他部分的原理确定瘤颈分割平面｡该团队建立的曲率方程和距离方程使瘤颈平面的测量更加精准､高效｡在自动化测量方法中,Larrabide等和Bogunovic'等的方法同样为在拓扑学的基础上使用了基于水平集框架内的几何可变型模型｡Larrabide等建立载瘤动脉的中心线进行膨胀直至将动脉瘤瘤体与载瘤动脉隔离分开,以分离口作为瘤颈平面位置｡而Bogunovic'等使用测地线的计算方法,并对水平集函数表达做出了进一步优化,梯度描述函数与图像梯度大小成反比,可以起到阻止模型向边界演化的作用｡针对颅内动脉瘤所开发的自动化测量系统中,Ou等利用深度学习搭建了一种集自动检测､测量､报告于一体的动脉瘤综合检测系统,该系统通过对U-Net网络设计的修改设置了系统编码器-解码器的结构,即通过检测网络定位疑似动脉瘤区域,采用测量网络检测形态学参数,采用位置网络定位动脉瘤位置并进行分类｡该系统测量动脉瘤瘤颈线时的主要原理为测量动脉瘤上体素至瘤颈区域上点的最短距离,确定瘤颈周围的点,通过最小二乘法进行拟合瘤颈平面之后测算出其他瘤颈相关参数｡

在过去的几十年中,为了实现精准化测量颅内动脉瘤瘤颈处相关参数,针对颅内动脉瘤瘤颈位置及相关参数的测量涌现出了多种方法｡较早期的颅内动脉瘤瘤颈测量方法主要针对囊状动脉瘤,研究思路多以复原载瘤动脉健康血管状态与病理状态的载瘤动脉进行模型的加减划分瘤颈｡而近年来的瘤颈分割研究思路多集中在利用瘤颈处与载瘤动脉间某些参数或特征异常如瘤颈处高斯曲率值明显高于其他部位,进而达到分割动脉瘤瘤颈的目的;研究模型也从针对单一的囊状动脉瘤转向了复杂型动脉瘤,包括位置复杂型动脉瘤如位于血管分叉处的动脉瘤以及类型复杂的动脉瘤如多子囊动脉瘤等｡在这过程中还有许多团队对研究过程中常出现的问题进行了迭代优化,包括Antiga等通过基础拓扑操作使网格可以通过血管实际大小建立尺寸函数,以防止过度细化网格而使影像图像受小尺度噪声的影响｡Chen等提出了使用格子玻尔兹曼测地线活动轮廓法 (lattice boltzmann geodesic active  contour  method, LBGM)进行动脉瘤的分割,解决了在CTA图像中常用的血管轮廓分割模型即Mumford Shah模型因载瘤动脉与动脉瘤成像强度对比度低而不可使用的问题｡其与高斯滤波､Canny算子的结合使用,大大提升了颅内动脉瘤边界的清晰度,降低了对颅内动脉瘤的分割难度｡此外,在三维旋转血管造影术(three-dimensional  rotational  angiography, 3DRA)图像中同样存在边界模糊问题,由此MacDonald等结合上采样分辨率和梯度增强的方法对传统的基于梯度的图像分割进行修改,该方法不仅解决了3DRA图像边界模糊的问题,还为解决影像图像中存在的血管相互黏连问题提供了研究思路｡

3 瘤颈参数的临床应用

颅内动脉瘤瘤颈参数在临床上主要用于预测动脉瘤的生长和破裂风险､术前判断夹闭夹的使用位置和介入器材的使用种类及型号､评估手术效果等｡临床研究中常用的两个参数为瘤颈宽度和顶颈比,其中顶颈比指瘤颈颈宽与动脉瘤颈平面至穹顶的高度的比值｡这两种参数常与颅内动脉瘤破裂风险联系在一起,即破裂动脉瘤的颈宽值和顶颈比值往往较未破裂动脉瘤更高｡颅内动脉瘤常按瘤颈分为宽颈型和窄颈型,即将动脉瘤瘤颈宽度>4mm或顶颈比<2的动脉瘤定义为宽颈型动脉瘤｡

一项有关颅内动脉瘤破裂相关形态学的研究,纳入了52例患者,共104个镜像位置动脉瘤,结果显示,与未破裂组(52个动脉瘤)相比,破裂组(52个动脉瘤)的颈宽更宽[(5.96±1.02)mm比(4.46±1.51)mm],差异具有统计学意义(P=0.008);多因素Logistic回归分析结果显示,系数估计值的标准误差较小(Std.Error=0.283, P=0.012),提示颈宽与颅内动脉瘤破裂独立相关｡Pierot等的研究中纳入了517例动脉瘤患者,经介入术治疗后显示,动脉瘤瘤颈宽度≤4mm患者(451例)术后完全闭塞率高于瘤颈宽度>4mm者(66例),组间差异有统计学意义(82.9%比68.2%, P=0.005),提示瘤颈宽度是影响介入治疗后动脉瘤闭塞程度的重要因素之一｡Tong等针对动脉瘤支架尺寸选择的研究中纳入了496例患者共513个动脉瘤,动脉瘤瘤颈平均直径为(6.66±3.59)mm,平均支架长度为(23.07±5.58)mm,并将长度差定义为支架长度-(瘤颈宽度+10mm),平均长度差为(6.41±4.06)mm,在结合血管造影结果及O′Kelly-Marotta量化表分析后,结果显示,颅内动脉瘤治疗中是否使用球囊辅助与长度差有关(OR=1.12,95% CI:1.02~1.23,P=0.021),且与未使用球囊辅助相比,使用球囊辅助的长度差更长[(6.29±3.99)mm比(8.81±4.80)mm, P=0.002];同时长度差更大的患者在平均(39.17±19.19)个月术后随访时更容易出现支架内再狭窄(狭窄率≥25%;OR=1.07,95% CI:1.00~1.16, P= 0.042)｡上述研究表明,颈宽对于评定动脉瘤类型､制定手术方案以及预估术后效果起到了重要作用,但由于颈宽参数过于单一,在进行评估时需要结合其他参数进行考虑｡  

Brinjikji等对175例患者共185个动脉瘤进行了回顾性分析,结果显示,在纵横比(即瘤颈颈宽与动脉瘤颈平面至穹顶的高度的比值)<1.2的27个动脉瘤中有24例使用了包括支架或球囊重塑等在内的弹簧圈辅助技术,而纵横比>1.6的110个动脉瘤中有87例未使用弹簧圈辅助技术,这表明当纵横比<1.2时,手术更倾向于使用弹簧圈辅助技术(P<0.01),当纵横比>1.6时,手术更倾向于不使用弹簧圈辅助技术(P<0.01)｡Matsukawa等的研究则通过对683例接受夹闭手术治疗的动脉瘤患者(均为单一动脉瘤)分别在术后30d､6个月和12个月采用改良Rankin量表(mRS)进行神经系统功能评估,并将在最后一次评估后,将mRS最终评分增加大于1分及以上者定义为发生神经功能恶化,结果显示,术后6个月时65例患者发生神经功能恶化,该部分患者动脉瘤的长宽比(瘤颈颈宽与动脉瘤瘤体最宽处的比值)显著大于未发生神经功能恶化的患者(r=0.74,P<0.01)｡这似乎表明了长宽比与动脉瘤患者治疗后神经功能状态有关,但该研究并未做更深入的分析｡Leemans等对31例患者共38个在生长的动脉瘤进行了平均218周的观察,结果显示,随着动脉瘤的生长,顶颈比从中位值1.00(0.85,1.04)增长至1.03(0.93, 1.18),瘤颈宽度中位数由3.60(2.50, 5.50)mm增长至4.50(3.20, 6.90)mm,瘤囊直径中位数由3.60(2.60, 5.50)mm增长至5.04(3.90,7.90)mm,提示动脉瘤顶颈比会随动脉瘤生长而增长,且由于动脉瘤瘤颈的生长速度小于动脉瘤瘤囊的生长速度,导致了瘤体进一步向不规则的形态生长｡该研究对顶颈比在预测动脉瘤生长的作用也进行了讨论,但由于受所采用的影像图像分辨率的限制,对于增长极小的动脉瘤并不能进行有效检出,导致结果仅能表明顶颈比值高的动脉瘤容易生长,并不能对动脉瘤生长变化得出完全肯定的结论｡另有研究者使用了瘤颈的二维形态学参数,即瘤颈颈平面的形状｡Mittenentzwei等通过使用Sylvia Saalfeld团队开发的瘤颈平面分割算法进行颈平面分割,评估了84个颅内动脉瘤后发现,开口面积(动脉瘤的颈平面面积)与瘤体体积(r=0.70)､瘤体表面积(r=0.74)均呈强线性相关,这表明开口面积对瘤体增长预测分析有着重要的意义｡

除了上述动脉瘤颈部形态学参数,还有研究者对瘤颈部血流动力学相关数据进行了研究｡一项有关评估血流导向装置置入治疗动脉瘤的效果评价研究中,2名研究者对38例患者共41个颅内动脉瘤进行瘤颈部血流动力学定性分析,结果显示,术后6个月,经血流导向装置置入治疗后有残余瘤颈患者(11/19)的动脉瘤颈部近端区比无残余瘤颈的患者(3/21)更容易出现近端流入区(血液由血流起始端经瘤颈直接流入瘤囊的区域;P=0.004),提示经血流导向装置置入治疗后有近端流入区的患者的动脉瘤更不容易闭塞｡Voss等对3例颅内动脉瘤患者进行了共24次介入术的血流动力学仿真分析,结果显示,介入材料(弹簧圈､支架)与术后动脉瘤颈流入率的改变相关,在对3个动脉瘤进行模拟支架置入术后显示,动脉瘤颈流入率较模拟前出现了明显降低,病例1降低了75.0%,病例2降低了95.4%;使用支架辅助弹簧圈栓塞模拟后,剪切浓度指数较未置入支架辅助弹簧圈栓塞前大幅度增加(病例1:增加了572.0%病例2:增加了322.2%),且病例3中血液在瘤颈口流入面积增加了9.4%,这表明实验虽然对动脉瘤的血流动力学状况有很好的改善效果,但对血流的改变似乎无法完全达到改善效果｡浙江大学医学院附属第一医院为评估颅内动脉瘤患者的动脉瘤破裂风险,建立了由形态学参数和血流动力学结合的新参数———平均动脉压-动脉瘤颈比(mean arterial pressure-aneurysmal  neck ratio,MAPN),对454例颅内动脉瘤患者进行分析的结果显示,动脉瘤破裂组(186例)的平均MAPN值(28.38±14.58比36.62±18.96,P<0.01)高于未破裂组(268例),与纵横比､瘤颈的评估结果进行诊断能力的受试者工作特征曲线对比分析,结果显示,MAPN曲线下面积高于纵横比及瘤颈(曲线下面积分别为0.640､0.611､0.607,均P<0.01)｡这些结果表明,MAPN对于动脉瘤破裂风险有一定的评估能力,且该能力较单一的形态学参数预估效果更好｡虽然多项研究认为宽颈型动脉瘤比窄颈型动脉瘤更容易生长破裂[15,35-36],但Tang等对104个动脉瘤进行了分析,结果显示,窄颈型动脉瘤(52例)的平均剪应力[(6.98±5.71)Pa比(4.71±3.58)Pa,P=0.017]､平均归一化剪应力[(0.97±0.61)Pa比(0.70±0.41) Pa,P=0.009]均高于宽颈型动脉瘤(52例),提示较窄的瘤颈开口促进了血流喷射和流动的不稳定性,较高的流速和较强的冲击力会加速血管壁的损伤和重塑,也提示窄颈型动脉瘤更容易生长｡

4 总结与展望

本文总结了颅内动脉瘤瘤颈参数的测算方法以及这些参数的临床应用情况｡目前研究表明,瘤颈相关参数测量的方法虽然很多,但在实际应用时,多数方法由于使用的是理想化颅内动脉瘤模型且多只针对囊状动脉瘤,所以应用范围并不广｡未来针对瘤颈处的参数测量应覆盖多种颅内动脉瘤瘤型｡近几年瘤颈参数在临床应用的结果表明,动脉瘤瘤颈参数在制定动脉瘤治疗方案､预测破裂风险及生长情况等方面有着重要的作用｡但无论是形态学参数还是血流动力学参数,均存在单一化评估的功能不足,而采用两者结合的综合性参数可以更准确评判动脉瘤的发展情况｡然而现有文献证据等级等尚存在不足,更缺少临床应用方面的研究｡未来通过瘤颈参数对颅内动脉瘤进行评估时,可结合多种参数对动脉瘤情况进行综合判断｡