Vector mapping of intravascular flows to assess wall shear stress in patients with internal carotid artery stenosis
AbstractObjective. The purpose of this study was to evaluate the dynamics of changes in the shear stress of the internal carotid artery wall by visualizing the vector flow before and after carotid endarterectomy.
Patients and methods. We examined 30 apparently healthy male and female volunteers (34±2.2 years), 23 patients with pathology of the internal carotid artery prior to carotid endarterectomy (65±2.9 years), and 14 patients (of the 23 surgically treated patients) on POD 4–5 after carotid endarterectomy (61.6±2.7 years).
The study was carried out on an ultrasound machine Mindray Resona 7 (China) equipped with a linear transducer (3–11 MHz) and the updated V flow software. Systolic blood flow velocity (Vs) before and after stenosis is correlated with the wall shear stress (WSS) by vector analysis. The WSS was analyzed in the internal carotid artery downstream and upstream of the plaque. The change in the direction of the WSS vector during the cardiac cycle was described using the oscillatory shear index (OSI). The turbulence of the flow, the wall thickness 1 cm proximal to the bifurcation of the common carotid artery, and the percentage of stenosis at the plaque level before and after surgery were evaluated. Stenosis of the internal carotid artery was determined by longitudinal scanning using the ECST method. The intra-group correlation coefficient was calculated when measuring the stress and shear of the wall.
Results. The average values of turbulence in stenosis were higher in systole than in diastole (p<0.001). The turbulent flow correlated with the wall shear stress before the operation (-0.5137; p<0.05). The adequacy of correction of ICA stenosis >70% was assessed by the blood flow rate and the ratio of WSS to the proximal and distal bed. The criteria for adequate correction were considered normalized values of intravascular blood flows, wall shear stress, and oscillatory shear index.
Conclusion. In stenosis of the internal carotid artery, the wall shear stress was significantly higher in the direction of blood flow, which is characteristic of turbulence. Movement speeds at medium and high values of deformation serve as one of the indicators for assessing pathology and identifying areas of vessel stenosis. In the postoperative period, the direction of the flow vectors corresponds to normal values, which serves as an additional criterion for the effectiveness of surgical correction. Recording of the wall shear stress using vector flow mapping in patients with cerebrovascular diseases is a new direction for evaluating the results of surgical treatment.
Funding. The study had no financial support.
Conflict of interest. The authors declare no conflicts of interest.
Authors’ contribution. Study conception and design – Sandrikov V.A., Gavrilenko A.V.; data collection and handling – Kulagina T.Yu., Dutikova E.F., Lebedeva E.Yu.; statistical processing – Zhigulina O.A., Dutikova E.F.; draft manuscript preparation – Sandrikov V.A., Kulagina T.Yu.; manuscript revision – Gavrilenko A.V.
For citation: Sandrikov V.A., Dutikova E.F., Gavrilenko A.V., Kulagina T.Yu., Zhigulina O.A., Lebedeva E.Yu. Vector mapping of intravascular flows to assess wall shear stress in patients with internal carotid artery stenosis. Angiology and Vascular Surgery. Journal named after Academician A.V. Pokrovsky. 2023; 29 (4): 14–20. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2023-29-4-14-20
Keywords: internal carotid artery stenosis; blood flow velocity; wall shear stress; oscillatory shear index
References
1. Pokrovsky A.V. Clinical angiology. A guide for doctors: in 2 volumes. M.: Medicine. 2004; 799. (in Russian)
2. Peiffer V., Sherwin S.J., Weinberg P.D. Does low and oscillatory wall shear stress correlate spatially with early atherosclerosis? A systematic review. Cardiovascular Research. 2013; 99 (2): 242–250.
3. Goddi A., Bartolotto C., Fiorina I., et al. High-frame rate vector flow imaging of the carotid bifurcation. Insights into Imaging. 2017; 8: 319–328. DOI: https://doi.org/10.1007/s13244-017-0554-5
4. Du Y., Goddi A., Bortolotto C., et al. Wall shear stress measurements based on ultrasound vector flow imaging: theoretical studies and clinical examples. Journal of Ultrasound in Medicine. 2020; 39 (8): 1649–1664. DOI: https://doi.org/10.1002/jum.15253
5. Qiu Y., Yang D., Zhang Q., et al. V Flow technology in measurement of wall shear stress of common carotid arteries in healthy adults: feasibility and normal values. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 2020; 74 (4): 453–462. DOI: https://doi.org/10.3233/CH-190719
6. Pokrovsky A.V., Dan V.N., Beloyartsev D.F. Carotid artery restenosis in the long term after carotid endarterectomy. Materials of the 8th All-Russian Congress of Cardiovascular Surgeons. М. 2002; 126. (in Russian)
7. Gavrilenko A.V., Kuklin A.V., Fomina V.V. Conventional and eversion carotid endarterectomy for internal carotid artery stenosis. Pirogov Russian Journal of Surgery. 2018; 2: 87–92. DOI: https://doi.org/10.17116/hirurgia2018287-92 (in Russian)
8. Yiu B.Y., Lai S.S., Yu A.C. Vector projectile imaging: time-resolved dynamic visualization of complex flow patterns. Ultrasound in Medicine and Biology. 2014; 40 (9): 2295–2309. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio. 2014.03.014
9. Soulis J.V., Fytanidis D.K., Giannoglou G., Lampri O.P. Relative residence time and oscillatory shear index of non-Newtonian flow models in aorta. 10th Int. Work. Bioengineering vs. Biomedical Engineering. 2011; 1: 1–3.
У практически здоровых людей не наблюдалось корреляционной зависимости между вихревым потоком и напряжением сдвига стенки (r=-0,277). При стенозе ВСА как до операции, так и после эндартерэктомии прослеживалась связь между этими показателями (r=-0,5137; 0,7377). Принимая во внимание такое взаимоотношение кровотока с напряжением сдвига стенки, появилась возможность оценки не только структурных, но и гемодинамических нарушений в артериальной системе, и в частности при динамическом наблюдении за пациентами в послеоперационном периоде.
Полученные результаты по скоростям движения при средних и высоких скоростях деформации WSS и OSI могут стать одними из показателей для оценки патологии с выявлением участков с наиболее проблемными участками стенозов артерий.
Обсуждение
В настоящее время УЗ-методы исследования сосудистой стенки с высоким разрешением являются наиболее востребованными и эффективными методами визуализации для характеристики патологии СА. Эти методы играют важную роль в ранней диагностике и проведении агрессивного лечения для снижения риска мозговых осложнений [5]. С помощью ультразвука мы исследовали векторы сдвига стенки ВСА в 3 точках у пациентов со стенозом и визуализацией просвета сосуда в области стеноза. Рассчитывали напряжение стенки и скорости векторов потока до и после бляшки. Это позволило более подробно оценить напряжение сдвига стенки посредством сопоставления проекции сосуда с процентом стеноза. Измерение кровотока признается простым, быстрым и выполнимым методом при оценке качества операции и диагностики рестеноза в ближайшем и отдаленном периодах [6, 7].
В последние годы достигнут значительный прогресс в визуализации изображений сосудистого русла, и в частности оценки турбулентности потоков, основанных на векторном анализе. В литературе обсуждаются новые подходы для оценки развития атеросклероза на основании изучения напряжения сдвига стенки (WSS) и индекса колебания (OSI) у пациентов с патологией артериального русла [8, 9].
)
Были проанализированы напряжения сдвига стенки, индекс колебательного сдвига (OSI) до и после операции в сравнении с нормой (рис. 4, 5). Чтобы обнаружить отрицательные напряжения сдвига, соответствующие обратному потоку, мы выполняли оценку сдвига на основе ориентации кровотока с привязкой к фазам сердечного цикла.
)
)
Таким образом, анализ степени напряжения сосудистой стенки на определенном расстоянии направлен на оценку стенотического процесса. Так, если в норме WSS в максимальном своем значении составляет более 3,5 Пa, то при стенозе более 70-80% не превышает 0,9 Пa. После эндартерэктомии напряжение стенки приближается к нормальным значениям, увеличиваясь практически в 3 раза и приближаясь к ≥3 Па.
Полученные результаты отражают локальное напряжение сосудистой стенки, что дает дополнительную информацию для оценки зон патологии, а после операции - возможность оценить результаты хирургической коррекции.
Коэффициент достоверности наблюдений у пациентов до и после операции составил 0,84. Показателем дефектов стенки сосуда является напряжение, оказываемое кровью на ткани сосуда, обычно выражаемое амплитудой вектора напряжения сдвига стенки (WSS) и его колебательным индексом сдвига. Так, напряжение стенки ВСА после эндартерэктомии практически приближается к нормальным значениям, а индекс колебания уменьшается на 44%. Индекс колебания практически ни у одного пациента не вернулся к нормальным значениям. Это связано только с одним - толщина стенки артерии, где не выполнялась эндартерэктомия, не изменяется.
Заключение
Регистрация напряжения сдвига стенки с помощью векторного картирования внутрисосудистых потоков крови у пациентов с цереброваскулярными заболеваниями направлена на оценку патологии и результатов хирургического лечения. Максимальные и средние значения напряжения сдвига стенки и изменение направления векторов потока при стенозе ВСА как до, так и после операции не взаимосвязаны. На уровне бляшек напряжение сдвига стенки значительно выше по направлению кровотока, что характерно для турбулентности. Нормализация скоростей кровотока, снижение градиента скоростей, напряжения сдвига стенки после операции эндартерэктомии из ВСА свидетельствуют об успешности операции.
Литература
1. Покровский А.В. Клиническая ангиология. Руководство для врачей: в 2 томах. М.: Медицина. 2004; 799.
2. Peiffer V., Sherwin S.J., Weinberg P.D. Does low and oscillatory wall shear stress correlate spatially with early atherosclerosis? A systematic review. Cardiovascular Research. 2013; 99 (2): 242-250.
3. Goddi A., Bartolotto C., Fiorina I., et al. High-frame rate vector flow imaging of the carotid bifurcation. Insights into Imaging. 2017; 8: 319-328. DOI: https://doi.org/10.1007/s13244-017-0554-5
4. Du Y., Goddi A., Bortolotto C., et al. Wall shear stress measurements based on ultrasound vector flow imaging: theoretical studies and clinical examples. Journal of Ultrasound in Medicine. 2020; 39 (8): 1649-1664. DOI: https://doi.org/10.1002/jum.15253
5. Qiu Y., Yang D., Zhang Q., et al. V Flow technology in measurement of wall shear stress of common carotid arteries in healthy adults: feasibility and normal values. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 2020; 74 (4): 453-462. DOI: https://doi.org/10.3233/CH-190719
6. Покровский А.В., Дaн В.Н., Белоярцев Д.Ф. Рестенозы сонных артерий в отдаленные сроки после каротидной эндартерэктомии. Материалы 8-го Всероссийского съезда сердечно-сосудистых хирургов. М. 2002; 126.
7. Гавриленко А.В., Куклин А.В., Фомин В.В. Классическая и эверсионная каротидная эндартерэктомия у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2018; 2: 87-92. DOI: https://doi.org/10.17116/hirurgia2018287-92
8. Yiu B.Y., Lai S.S., Yu A.C. Vector projectile imaging: time-resolved dynamic visualization of complex flow patterns. Ultrasound in Medicine and Biology. 2014; 40 (9): 2295-2309. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio. 2014.03.014
9. Soulis J.V., Fytanidis D.K., Giannoglou G., Lampri O.P. Relative residence time and oscillatory shear index of non-Newtonian flow models in aorta. 10th Int. Work. Bioengineering vs. Biomedical Engineering. 2011; 1: 1-3.
All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)
п?? GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems п?? including machine learning models and neural networks п?? is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.