Systematization of types of bifurcation of the common carotid artery taking into account geometrical and hemodynamic features
AbstractObjective. The purpose was to study different types of the common carotid artery bifurcation, taking into account the characteristics of geometry and hemodynamics to predict the risk of developing atherosclerosis and postoperative restenosis.
Patients and methods. At the State Budgetary Healthcare Institution “Research Institute – Regional Clinical Hospital № 1 named after Professor S.V. Ochapovsky” with the support of the Kemerovo State University, a retrospective non-randomized single-center study was conducted, assessing the findings of multislice computed tomography of patients examined in the clinic from 2021 to 2022. The inclusion criteria were intact brachiocephalic arteries at the extracranial level. The study comprised a total of 85 bifurcations of the common carotid artery (CCA) with no atherosclerotic stenosis, dysplastic diseases, vasculitis, nor pathological tortuosity of the internal carotid artery (ICA). The following geometric data were studied: the diameters of the common and internal carotid arteries, the bifurcation angle of the common carotid artery, delta and diameter ratio, with the shape of the bulb of the internal carotid artery also assessed. Three-dimensional models of the bifurcation were constructed, the conditions of blood flow in these models were created, and, using specialized software, hemodynamic parameters responsible for the formation of conditions for the growth of an atherosclerotic plaque were calculated.
Results. Having analyzed the geometric and hemodynamic data in the area of the bifurcation of the common carotid artery in patients without pathology, we came to the conclusion that it is advisable to divide the entire variety of bifurcations of the CCA into groups according to the potential risk of developing atherosclerosis. Types of bifurcation with a high and low risk of atherosclerotic plaque formation were identified, with the bifurcations also divided into types depending on the location of risk zones.
Conclusion. Stratification of the risk of atherosclerosis is useful from the point of view of implementing a personalized approach to the management of patients with subclinical forms of atherosclerosis. The criteria making it possible to identify geometric signs of the risk of developing atherosclerosis can also be used in surgical decision-making in order to improve postoperative outcomes.
Финансирование. Исследование поддержано финансированием Кубанского научного фонда и частично реализовано за счет средств гранта Кубанского научного фонда в рамках проекта № НИП-20.1/22.11.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Концепция и дизайн исследования – Дербилова В.П., Виноградов Р.А.; разработка методологии – Захаров Ю.Н., Борисов В.Г., Дербилова В.П.; сбор и обработка материала – Хетеева Э.Э. Виноградова Э.Р., Тютюников П.К., Мещерякова О.М., Гагин В.А., Воронова И.Г.; статистическая обработка – Дербилова В.П.; написание текста – Дербилова В.П.; редактирование – Виноградов Р.А., Барышев А.Г.
Для цитирования: Дербилова В.П., Виноградов Р.А., Захаров Ю.Н., Борисов В.Г., Хетеева Э.Э., Виноградова Э.Р., Тютюников П.К., Мещерякова О.М., Гагин В.А., Воронова И.Г., Зяблова Е.И., Барышев А.Г. Систематизация типов бифуркации общей сонной артерии с учетом геометрических и гемодинамических особенностей. Ангиология и сосудистая хирургия. Журнал имени академика А.В. Покровского. 2025; 31 (1): 48–57. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2025-31-1-48-57
Keywords: carotid artery bifurcation; computer modeling; carotid artery geometry; intravascular hemodynamics; atherosclerosis, wall shear stress
Введение
Среди основных причин в развитии острого нарушения мозгового кровообращения одна из доминирующих позиций отводится атеросклеротическому поражению прецеребральных артерий [1-3]. Приоритетной задачей современной медицины является уменьшение количества инсультов за счет своевременного диагностирования и устранения хирургическим путем гемодинамически значимых атеросклеротических стенозов внутренней сонной артерии (ВСА) [4]. Основные клинические критерии, на которые опирается хирург в процессе принятия решения о проведении операции, - наличие или отсутствие неврологической симптоматики, степень стеноза и стабильность бляшки [4]. Предпочтительным методом лечения гемодинамически значимого стеноза СА является каротидная эндартерэктомия (КЭАЭ) [4].
Операции КЭАЭ выполняются в разных модификациях [5]. Процесс выбора метода открытой операции в значительной степени является субъективным и зависит от опыта оперирующего хирурга, стратегии и возможностей отделений сосудистой хирургии. Недостаточность точных критериев выбора метода операции также связана с отсутствием четкого определения понятия нормы бифуркации общей сонной артерии (ОСА). Попытки систематизировать знания вариантной анатомии бифуркации ОСА неоднократно проводились, однако не были основаны на гемодинамических особенностях [6-8]. При этом уже показано, что изменение локальной гемодинамики в зоне бифуркации является одним из факторов риска прогрессирования атеросклероза [9-11]. Именно поэтому важно определить, при каких типах бифуркации ОСА риск прогрессирования атеросклероза больше.
Материал и методы
Ретроспективное нерандомизированное одноцентровое исследование проводилось с использованием данных мультиспиральной компьютерной томографии и предварительно было одобрено этическим комитетом ФГБОУ ВО КубГМУ Минздрава России. В исследование включены пациенты разного возраста (25-73 года), которым проводилось исследование в условиях ГБУЗ "НИИ-ККБ № 1 им. проф. С.В. Очаповского" с января 2021 г. по декабрь 2022 г. Пациенты обследованы по поводу травмы, онконастороженности, аневризматической болезни интракраниальных артерий, острого нарушения мозгового кровообращения.
Критерии исключения: наличие васкулита, расслоения брахиоцефальных артерий, гемодинамически значимых и незначимых стенозов ВСА, патологической извитости ВСА. Всего обследованы 43 пациента с абсолютно интактной бифуркацией ОСА, из них 26 (60,5%) женщин и 17 (39,5%) мужчин в возрасте от 26 до 73 лет. Средний возраст - 49,3 (±14,2) года, медианный возраст - 51 (36,5-59,5) год. Всего исследовано 85 бифуркаций ОСА. Одна бифуркация ОСА исключена из исследования в связи с наличием гемодинамически незначимого стеноза.
Исследование проводилось на компьютерном томографе Siemens somatom definition flash 256. Компьютерно-томографические (КТ) сканы изучались с помощью программы Vidar Dicom Viewer 3.
Изучали следующие геометрические параметры: форму луковицы ВСА, диаметры общей сонной артерии (ОСА) проксимальнее бифуркации на 1 см, максимальный диаметр луковицы внутренней сонной артерии (ВСА), диаметр ВСА дистальнее луковицы, угол бифуркации ОСА, дельты всех измеренных диаметров, соотношение диаметров. Данные КТ легли в основу построения трехмерных моделей бифуркации ОСА. Процесс моделирования состоял из 4 этапов и выполнялся с помощью специализированного программного обеспечения: ClearCanvas, Salome, SimVascular, MeshMixer. Этапы построения трехмерной модели сосуда включали построение геометрической модели сосуда и расчетной сетки для моделирования течения; формирование данных о течении в сосуде, численные расчеты течения на каком-то интервале времени и использование этих расчетов для получения необходимых характеристик течения. Численные расчеты выполнялись с помощью SimVascular, а постпроцессинг и анализ результатов расчетов - в программе ParaView.
Для всех моделей задавались одинаковые параметры крови: динамическая вязкость - 4×10-3 Па×с, плотность - 1060 кг/м3. Длительность кардиоцикла считалась равной 0,9 с, что соответствует частоте пульса 67. Форма графика изменения объемной скорости в ОСА построена на основании данных из источников литературы [12-14].
Для каждой модели мы определяли зоны, имеющие потенциально высокий риск развития атеросклероза. При этом за основу взято положение, что данные зоны характеризуются более длительным нахождением частиц крови вблизи внутренней стенки сосуда. Это оценивалось посредством определения высоких значений гемодинамического показателя RRT (Relative Residence Time), при расчете которого учитывается и низкое значение пристеночного напряжения сдвига (Wall Shear Stress, WSS) и осцилляторность. Области внутренней стенки сосуда, где гемодинамический показатель RRT превышает пороговое значение 6,25 Па-1, считается рисковой зоной. Пример расположения рисковой зоны в области бифуркации ОСА отображен на рис. 1.
)
Для детального изучения область бифуркации разбивалась на сегменты, в которых вычислялись площадь рисковой зоны и интегральное значение показателя RRT (обозначаемое далее "RRT_int"), характеризующее суммарное воздействие на стенку сосуда фактора WSS в данной зоне в течение одного кардиоцикла. Эта методика была подробно описана [14]. Статистический анализ и визуализация полученных данных проводились с использованием среды для статистических вычислений R 4.3.2 (R Foundation for Statistical Computing, Вена, Австрия).
Результаты
Для подтверждения значимости влияния на кровоток размера луковицы были изучены диаметры ОСА, луковицы ВСА и дистального сегмента ВСА, разница их диаметров и соотношение их диаметров. Для уменьшения риска ошибки расчетов геометрических величин использовались аксиальные срезы КТ и трехмерная реконструкция, измерения проведены в одной программе. В обоих случаях мы получили сопоставимые статистически значимые зависимости.
Из 85 исследованных сонных артерий 35,3% имели тип луковицы с широким основанием, 44,7% - шарообразный и 16% - V-образный.
Бифуркация ОСА с шарообразной формой луковицы ВСА характеризуется округлой формой луковицы ВСА и сужением дистального сегмента ВСА. На рис. 2 представлены трехмерная КТ-реконструкция бифуркации ОСА и ее модель с изображенной зоной риска.
)
Бифуркации с широким основанием ВСА изображены на рис. 3. ВСА отходит широким основанием, не имеет отдельно выраженной луковицы и постепенно сужается в дистальном направлении. Как правило, при данном типе бифуркации наружная сонная артерия (НСА) является продолжением ОСА. ВСА отходит под большим углом, в связи с этим угол бифуркации при данном типе всегда >45°.
)
V-образная бифуркации ОСА характеризуется практически равнозначным разделением ОСА на ВСА и НСА, т. е. углы ВСА и НСА практически равнозначны. Другой важной отличительной особенностью является отсутствие расширения в области луковицы (рис. 4).
)
Шарообразные луковицы характеризовались несколько большими значениями RRT [9,1 (4,7-15,8) Па-¹×см²] по сравнению с луковицами с широким основанием [7,3 (4,3-11,9) Па-¹×см²] и V-образными [4,5 (3,1-7) Па-¹×см²] (p=0,059). Луковицы с широким основанием характеризовались суммарной площадью зон риска 0,43 (0,24-0,67) см², шарообразные - 0,52 (0,32-0,88) см², V-образные - 0,31 (0,22-0,48) см².
Установлена закономерность, что при увеличении диаметра луковицы ВСА, а также при увеличении разницы диаметров и соотношения луковицы ВСА к дистальному сегменту ВСА увеличивается величина параметров RRT и S.
Так, луковица ВСА с диаметром <6,6 мм имеет меньше зон риска развития атеросклероза по сравнению с луковицами >6,6 мм.
Медианное соотношение диаметра луковицы ВСА к диаметру сегмента ВСА, расположенному дистальнее луковицы, составило 1,6. Оказалось, что более высокие значения этого параметра ассоциированы с риском прогрессирования атеросклероза.
References
1. Pahwa R., Jialal I. Atherosclerosis. StatPearls Publishing. 2023.
2. Arintaya P., Rungroj K., Wanwarang W., et. al. Management of atherosclerosis risk factors for patients at high cardiovascular risk in real-world practice: a multicentre study. Singapore Medical Journal. 2017; 58 (9): 535–542. DOI: https://doi.org/10.11622/smedj.2017044
3. Zaromytidou M., Siasos G., Coskun A.U., et al. Intravascular hemodynamics and coronary artery disease: New insights and clinical implications. Hellenic Journal of Cardiology. 2016; 57 (6): 389–400. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hjc.2016.11.019
4. Bokeriya L.A., Pokrovskiy A.V. Natsional’nye rekomendatsii po vedeniyu patsientov s zabolevanaiyami brahiotsefal’nykh arteriy. Moskva. 2013; 72. (in Russian)
5. Bokeria L.A., Bakhmetyev A.S., Kovalenko V.I. and others. Selection of the carotid endarterectomy method for atherosclerotic lesions of the internal carotid artery. Annals of Surgery. 2017; 22 (5): 265–271. (in Russian)
6. Samotesov P.A., Levenets A.A., Kan I.V., et al. Variant anatomy of bifurcation of common carotid arteries in men. Siberian Scientific Medical Journal. 2012; 5: 31–33. (in Russian)
7. Shumilina M.V., Arakelyan V.S., Darvish N.A. Algoritm ul’trazvukovogo obsledovaniya brahiotsefal’nykh sosudov. Metodicheskie rekomendatsii. Moskva. 2019; 52. (in Russian)
8. Thomas J.B., Antiga L., Che S.L., et al. Variation in the carotid bifurcation geometry of young versus older adults: implications for geometric risk of atherosclerosis. Stroke. 2005; 36 (11): 2450–6. DOI: https://doi.org/10.1161/01.STR.0000185679.62634.0a
9. Libby P., Ridker P.M., Maseri A. Inflammation and atherosclerosis. Circulation. 2002; 105 (9): 1135–1143. DOI: https://doi.org/10.1161/hc0902.104353
10. Sekou G., Y L.T., France H.M. Relationship between carotid artery atherosclerosis and bulb geometry. 2018; 34 (7): 1081–1090. DOI: https://doi.org/10.1007/s10554-018-1319-z
11. Malek A.M. Hemodynamic Shear Stress and Its Role in Atherosclerosis. JAMA. 199; 282 (21): 2035. DOI: https://doi.org/10.1001/jama.282.21.2035
12. Ul’trazvukovaya diagnostika sosudistykh zabolevaniy: Rukovodstvo dlya vrachey. Pod red. V.P. Kulikova. 2-e izdanie. Moskva: OOO «Firma STROM». 2011; 512. (in Russian)
13. Derbilova V.P., Vinogradov R.A., Zakharov Yu.N., et al. Computer simulation of hemodynamic parameters in the normal bifurcation of the common carotid artery. Angiology and Vascular Surgery. 2022; 28 (1): 29–35. DOI: https://doi.org/10.33029/1027-6661-2022-28-1-29-35 (in Russian)
14. Borisov V.G., Zakharov Yu.N., Derbilova V.P., et al. The influence of inlet flow asymmetry on the carotid bifurcation hemodynamics. IC-MSQUARE-2023. Journal of Physics: Conference Series. 2024; 2701: 012010 DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2701/1/012010
15. Sosudistaya khirurgija: natsional’noe rukovodstvo. Kratkoe izdanie. Pod red. I.I. Zatevahina, A.I. Kirienko. Moskva: GJeOTAR-Media. 2022; 608. DOI: https://doi.org/10.33029/9704-6536-3-SK-2022-1-608 (in Russian)
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.