L’osservazione che le placche aterosclerotiche tendono a verificarsi nei pressi arteriosa biforcazioni e curve ha portato alla ampiamente accettato il concetto che emodinamico forze giocare un ruolo importante nello sviluppo e nella progressione dell’aterosclerosi.1 Poiché queste forze sono determinate principalmente dalla geometria del vaso, è stato suggerito che alcuni individui potrebbero essere a più alto rischio di sviluppare aterosclerosi in virtù della loro particolare geometria vascolare.2 Uno studio iniziale ha mostrato poca differenza tra diametri di ramo e angoli misurati da angiogrammi planari di arterie carotidi normali e malate;3 tuttavia, studi successivi su una varietà di vasi ramificati, inclusa la biforcazione carotidea, hanno prestato un supporto qualificato a questa ipotesi di rischio geometrico.4-9

Centrale per la nozione di rischio geometrico per l’aterosclerosi è l’ipotesi che la geometria del vaso varia sufficientemente ampiamente in tutta la popolazione. Una recente analisi di angiogrammi su quasi 3000 pazienti nello studio chirurgico carotideo europeo (ECST) ha mostrato in modo convincente che vi erano importanti variazioni interindividuali nei rapporti di diametro e area della biforcazione carotidea.10 Tuttavia, nonostante il tentativo di minimizzare gli effetti secondari della malattia sulla geometria escludendo i vasi con stenosi ≥30%, gli autori hanno ammesso che i primi cambiamenti ateromatosi non rilevabili negli angiogrammi convenzionali potrebbero aver portato a una sovrastima della variazione anatomica. Che questo possa essere stato il caso è suggerito dall’esperienza clinica di routine che le arterie carotidi dilatate e tortuose sono più frequenti nei soggetti più anziani rispetto ai giovani. Quindi, verso il nostro obiettivo di chiarire la relazione tra emodinamica vascolare e aterosclerosi, abbiamo deciso di testare, quantitativamente, l’ipotesi che le biforcazioni carotidee dei giovani adulti, in effetti, mostrino una minore variabilità interindividuale rispetto a quelle dei soggetti più anziani.

Metodi

Il gruppo giovane era composto da 25 volontari apparentemente sani (24±4 anni; intervallo, da 19 a 38 anni; 14 M:11 F). Un gruppo di controllo di 25 soggetti anziani (63±10 anni; intervallo, da 42 a 75 anni; 12 M:13 F) è stato reclutato tra i pazienti asintomatici seguiti presso il Stroke Prevention and Atherosclerosis Research Centre (Londra). I criteri di inclusione erano ≤ 30% stenosi bilateralmente sulla base di un precedente esame ecografico duplex e nessuna controindicazione per la risonanza magnetica. Il comitato di revisione etica della nostra università ha approvato il protocollo sperimentale e tutti i soggetti hanno dato il consenso informato.

Le caratteristiche demografiche di base del gruppo più anziano erano le seguenti: 14 (56%) erano ipertesi, 4 (16%) avevano diabete mellito, 1 (4%) era un fumatore corrente, 5 (20%) erano exsmokers, BMI era 27.6±2.8 kg/m2, colesterolo totale era 5.44±1.17 mmol/L, trigliceridi erano 1.97±1.81 mmol/L, e totale placca area11 era 0.881±0.611 cm2. I dati demografici non sono stati raccolti per il gruppo giovane.

Imaging and Lumen Reconstruction

La risonanza magnetica è stata eseguita su uno scanner Signa 1.5-T (GE Medical Systems) utilizzando bobine bilaterali phased array. Dopo la localizzazione, entrambe le biforcazioni carotidee sono state imaged simultaneamente con un protocollo di risonanza magnetica del sangue nero periferico, che ha acquisito, in media, fette 28×2-mm di spessore, trasversali, contigue con risoluzione nominale in piano di 0,313 mm. I parametri di scansione includevano eco 2D fast-spin, bande di saturazione superiori e inferiori di 8 cm di spessore, campo visivo 160×160 mm2, matrice di acquisizione 512×384, tempo di ripetizione 2R-R, tempo di eco 15 ms e lunghezza del treno 4 echo. Il tempo totale di acquisizione, inclusa la scansione iniziale di localizzazione, era in genere di 15 minuti per soggetto.

I limiti del lume per le arterie carotidi comuni, interne ed esterne sinistra e destra (rispettivamente CCA, EC ed ECA) sono stati estratti da ciascuna delle immagini di sangue nero utilizzando una tecnica semiautomatica.12 Rami distali dell’ECA sono stati esclusi a causa delle loro piccole dimensioni. La pila di contorni risultante è stata automaticamente convertita in un volume di immagine binaria, all’interno del quale è stato gonfiato un contorno dinamico discreto 3D13 per definire la geometria del lume 3D. Ulteriori dettagli sull’imaging e sulla ricostruzione digitale della biforcazione carotidea sono forniti altrove.14

Caratterizzazione geometrica

Una volta ricostruita digitalmente, ogni geometria 3D lumen è stata sottoposta a una nuova caratterizzazione geometrica completamente automatizzata. Negli studi passati, le dimensioni e i rapporti della nave sono stati misurati in una varietà di posizioni, tipicamente definite in termini di una certa distanza nominale da un punto di riferimento identificato dall’utente come l’apice della biforcazione e spesso variabili nella definizione da studio a studio. Nel presente studio, abbiamo cercato di effettuare misurazioni basate su criteri più rigorosi e oggettivi, sia per ridurre al minimo il bias dell’operatore che per incoraggiare la standardizzazione delle definizioni geometriche per gli studi futuri.

Come illustrato nella Figura 1A, le linee centrali sono state generate per la prima volta dal CCA a ciascuno dei rami EC e ECA. Secondo la loro definizione, ogni linea centrale ospita i centri delle sfere di raggio massimo inscritte nella nave. (In pratica, il diametro di una sfera inscritta al massimo approssima il diametro minimo della nave.) Questi tratti di linea centrale e i loro raggi di sfera associati sono stati quindi utilizzati per identificare l’origine e il piano nominale della biforcazione e per dividere il vaso nei suoi 3 rami costituenti.15 La caratterizzazione geometrica è quindi proseguita rispetto a questo sistema di coordinate specifico della nave.

Per definire parametri geometrici oggettivi per biforcazioni di forme e dimensioni diverse, abbiamo prima definito una metrica di distanza lungo le linee centrali in base alle sfere inscritte al massimo. Come illustrato nella Figura 1B, partendo da ciascuna origine della linea centrale (ie, CCA0, ICA0 e ECA0) e allontanandosi dalla biforcazione, è stato identificato il centro della sfera massimamente inscritta tangente al rispettivo punto (ie, CCA1, ICA1 e ECA1). La ripetizione di questo processo ha prodotto una serie di punti distanziati di 1 raggio di sfera, fornendo così un analogo robusto e obiettivo alla pratica comune di identificare le posizioni delle navi in base a un numero integrale di diametri o raggi nominali delle navi.

Per calcolare gli angoli reciproci dei rami che escono dalla biforcazione, gli orientamenti dei rami sono stati definiti come i vettori che si estendono dalle origini dei rami (CCA0, ICA0 e ECA0) a un raggio distale della sfera del punto 1 (CCA1, ICA1 e ECA1, rispettivamente). Come illustrato nella Figura 1C, l’angolo di biforcazione è stato quindi definito semplicemente come l’angolo tra le proiezioni dei vettori EC e ECA sul piano di biforcazione. Allo stesso modo, l’angolo IC è stato definito come l’angolo tra le proiezioni dei vettori CCA e IC sul piano di biforcazione, mentre la planarità IC è stata definita come l’angolo tra le componenti fuori piano dei vettori CCA e vectors (Figura 1D).

La tortuosità della nave è stata calcolata come L / D−1, dove, come illustrato per l’IC in Figura 1A, L è la lunghezza della linea centrale dall’origine alla fine del ramo e D è la distanza euclidea tra questi 2 punti. La tortuosità può, quindi, essere pensata come l’aumento frazionario della lunghezza del vaso tortuoso rispetto a un percorso perfettamente rettilineo. Quindi, una tortuosità di 0,0 corrisponde a una nave perfettamente diritta, mentre una tortuosità di, diciamo, 0,2 identifica una nave 20% più lunga della distanza più breve tra 2 punti.

Per facilitare il confronto con i dati del rapporto di diametro e area di Schulz e Rothwell,sono state identificate 10 aree di sezione trasversale e diametro il più lontano possibile dalla biforcazione. A causa della ridotta copertura assiale disponibile dal nostro particolare protocollo MRI, non è stato sempre possibile misurare questi in posizioni coerenti con quello studio, vale a dire, dove le pareti dei vasi sono parallele. Invece, abbiamo semplicemente definito distanze coerenti, in termini di metriche di distanza basate sul raggio della sfera, in cui sono state calcolate le aree della sezione trasversale. Come illustrato nella figura 1B, questi sono stati collocati ai punti CCA3, ICA5 e ECA1. (Questi luoghi sono stati scelti per essere coerenti con quelli utilizzati da Goubergrits et al.16,17 nei loro studi sulla biforcazione carotidea.) Le aree della sezione trasversale sono state definite dall’intersezione di ciascuna superficie di ramo con piani normali a linee centrali in questi rispettivi punti. Il rapporto dell’area di biforcazione è stato calcolato come somma delle aree EC e ECA, divise per l’area CCA. I rapporti di diametro EC/CCA, ECA/CCA e ECA / ratios sono stati calcolati come radice quadrata dei rispettivi rapporti di area, equivalenti a supporre che le sezioni trasversali del vaso (tipicamente non circolari) fossero cerchi di area equivalente.

L’effetto combinato della variabilità scan-to-scan e dell’operatore sulla precisione delle ricostruzioni digitali del lume è stato valutato in precedenza tramite imaging ripetuto e analisi di 3 soggetti anziani, ciascuno ripreso 3 volte a intervalli settimanali.18 La riproducibilità dei parametri geometrici è stata valutata allo stesso modo qui utilizzando le ricostruzioni digitali di tale studio.

Analisi statistica

Per ogni parametro geometrico, i gruppi sono stati confrontati con ANOVA nidificata a 2 vie. Due fattori sono stati identificati come potenziali fonti di variazione interindividuale nei dati, vale a dire il gruppo di età (giovani rispetto agli anziani) e il genere, e quindi è stata inclusa l’interazione tra questi. Nidificazione è stato introdotto per tenere conto del fatto che ogni soggetto ha contribuito 2 navi ai dati. Poiché alcune delle variabili geometriche dipendenti (angolo di biforcazione, tortuosità CCA e tortuosità IC) presentavano SDs diversi tra i gruppi di età (rapporto >4), è stata applicata una trasformazione inversa per correggere le loro varianze disuguali prima dell’analisi. Un confronto sistematico delle varianze dei 2 gruppi di età è stato effettuato mediante test F, per i quali le navi sono state raggruppate nello stesso gruppo di età indipendentemente dal sesso. All’interno del gruppo più vecchio, l’effetto dei dati demografici di base su ciascun parametro geometrico è stato testato in modo simile utilizzando ANOVA nidificato. Tutte le analisi statistiche sono state eseguite utilizzando il linguaggio R open source e l’ambiente per il calcolo statistico (versione 1.9). La significatività è stata assunta a un livello di P= 0,05 / 9=0,0056, riflettendo il valore usuale corretto, secondo la procedura Bonferroni, dal numero di parametri geometrici testati.

Risultati

Il set completo di geometrie ricostruite del lume della biforcazione carotidea per i gruppi giovani e anziani è presentato rispettivamente nelle figure 2 e 3. La giovane biforcazione carotidea è chiaramente visto per mostrare molto meno variazione geometrica rispetto ai soggetti più anziani, e questo è corroborato dalle statistiche descrittive per i parametri geometrici riassunti nella Tabella 1. In particolare, i test F hanno rivelato che le variazioni interindividuali nelle giovani geometrie della biforcazione carotidea erano significativamente inferiori a quelle del gruppo più anziano. ANOVA ha rivelato che il raggruppamento di età (cioè, giovane rispetto agli anziani) ha avuto un effetto significativo sull’angolo di biforcazione, sull’angolo IC e sulla tortuosità CCA. All’interno del gruppo più vecchio, non ci sono stati effetti significativi dei dati demografici di base sui parametri geometrici utilizzando il valore P corretto da Bonferroni conservativo di 0,0056; tuttavia, c’è stato un effetto quasi significativo dell’area totale della placca sul rapporto diametro diameter:CCA (P=0,0095) e sul relativo rapporto area di biforcazione (P=0,0058).

Infine, come sintetizzato in Tabella 2, parametri geometrici sono altamente riproducibili, con SDs ben al di sotto del rispettivo interindividuali variazioni osservate per il gruppo più anziano e in prossimità o al di sotto di quelli del gruppo dei giovani.

Discussione

il Nostro studio conferma che non ci sono, infatti, le principali variazioni geometriche della biforcazione carotidea geometrie di soggetti anziani con poca o nessuna malattia dell’arteria carotidea; tuttavia, i piccoli vasi presentano significativamente meno geometrico variabilità. Questo supporta quantitativamente prove aneddotiche che indicano l’omogeneità relativa della geometria del vaso nei soggetti giovani rispetto a quelli più anziani. Suggerisce inoltre che i dati dello studio ECST potrebbero, in effetti, essere stati confusi dagli effetti secondari dell’aterosclerosi. Il recente ritrovamento di un’associazione tra ispessimento intimale e ICA angolo di origine9 può, inoltre, sono stati confusi con gli effetti dell’aterosclerosi, perché il nostro compagno di studio della biforcazione carotidea antropometria ha dimostrato che l’orientamento della biforcazione carotidea relativa al piano sagittale del corpo (una quantità relative a ICA angolo di origine) era significativamente meno variabile all’interno di giovani versus anziani del gruppo.19

Potenziali carenze

Nonostante ciò siano state osservate forti differenze significative tra i 2 gruppi, rimane che la nostra dimensione del campione era di quasi 2 ordini di grandezza inferiore a quella utilizzata per caratterizzare la variabilità geometrica nello studio ECST. Tuttavia, i test F non hanno rivelato alcuna differenza significativa tra la nostra SDs e quelle derivate dallo studio ECST, ad eccezione del caso del rapporto di area (P<0.0001). I test t non accoppiati hanno rivelato che i nostri rapporti medi di diametro e area erano significativamente più alti (P < 0.0001); tuttavia, questo può essere attribuito alla copertura assiale relativamente limitata del nostro protocollo di risonanza magnetica del sangue nero. Per dimostrare questo, abbiamo calcolato il diametro e rapporti da un rilievo di dettaglio della biforcazione carotidea diameters20 e trovato che i rapporti derivati da prossimale siti corrispondente grosso modo alla nostra, allo stesso modo sono stati superiori a quelli derivati da distale siti più strettamente corrispondenti a quelli definiti per il ECST di studio: 0.78 contro 0.71 (ICA/CCA); 0.75 contro 0.53 (ECA/CCA); 0.97 contro 0.75 (ECA/ICA); e 1.17 contro 0.77 (rapporto).

Questo effetto della scelta del sito di misurazione può anche essere visto nel più ampio confronto dei nostri dati con quelli dello studio ECST e delle misurazioni post mortem di Goubergrits et al.16,17 presentato in Figura 4: le nostre misurazioni sono state deliberatamente effettuate in posizioni paragonabili a quelle utilizzate negli ultimi studi, e si può vedere che i loro rapporti di diametro e area sono paragonabili a quelli del nostro gruppo più anziano. I test F non hanno rivelato differenze significative tra le variazioni interindividuali all’interno di questi 2 gruppi, mentre i test t non accoppiati hanno rivelato differenze significative solo tra i mezzi del rapporto diametro ECA:diameter (P=0,0015). Pertanto, concludiamo che i nostri dati, pur essendo tratti da un campione relativamente piccolo, sono rappresentativi di una popolazione più ampia. D’altra parte, notiamo che tali piccole dimensioni del campione sarebbero inadeguate per chiarire le relazioni tra la geometria del vaso e i dati demografici di base, il che spiega perché non siamo stati in grado di confermare un effetto significativo di sex21 e placca burden9 sulla geometria del vaso nel nostro gruppo più anziano.

Implicazioni per l’ipotesi di rischio geometrico

L’inevitabile implicazione dei nostri risultati è che la variazione interindividuale nella geometria della biforcazione carotidea aumenta con l’invecchiamento e / o la malattia. Sebbene sia difficile separare questi 2 fattori, notiamo che i dati dello studio ECST hanno mostrato livelli simili di variazione nei pazienti con <stenosi del 30% e nei pazienti senza malattia evidente all’angiografia. Da ciò si deduce che la variabilità geometrica non aumenta necessariamente con la progressione della malattia lieve, perché altrimenti ci aspetteremmo che questi gruppi abbiano diversi livelli di variazione interindividuale. I cambiamenti nella geometria della biforcazione carotidea sono, quindi, più propensi a riflettere l’influenza della malattia precoce, angiograficamente silenziosa o, semplicemente, del processo di invecchiamento vascolare. I nostri dati non distinguono tra queste possibilità, anche se l’effetto quasi significativo dell’area totale della placca sui rapporti diameter:diametro CCA e area di biforcazione suggerisce che il primo potrebbe essere il caso. Inoltre, notiamo che l’unico studio longitudinale del rischio geometrico di aterosclerosi ha concluso che, per l’arteria femorale, i cambiamenti nella tortuosità dei vasi hanno preceduto lo sviluppo dell’aterosclerosi (definito angiograficamente).22 Per lo meno, queste osservazioni suggeriscono che la geometria della biforcazione carotidea in gioventù non anticipa necessariamente il suo stato futuro.

In alternativa, è possibile che le modeste differenze interindividuali nelle geometrie della biforcazione carotidea dei giovani adulti possano ancora dare origine a un rischio geometrico per l’aterosclerosi. Questo perché, per tutta l’attenzione sulla geometria, sono le forze emodinamiche locali indotte dalla geometria a fornire il collegamento meccanicistico alla base dell’ipotesi di rischio geometrico. La sensibilità delle forze emodinamiche locali alla geometria è ben apprezzata in senso qualitativo ma non sufficientemente ben compresa quantitativamente per sapere quali variazioni interindividuali “maggiori” o “modeste” nella geometria significano in termini di variazioni interindividuali nei parametri emodinamici rilevanti per l’aterosclerosi. (Questo è destinato a cambiare dati i recenti sviluppi nell’area della fluidodinamica computazionale.23) Tuttavia, i nostri dati di riproducibilità indicano che la variabilità intrinseca nella caratterizzazione non invasiva della geometria della biforcazione carotidea mediante risonanza magnetica è all’incirca dello stesso ordine della variabilità interindividuale nel gruppo giovane. Anche se questo non confermare che i livelli di variazioni interindividuali osservato nel presente studio—e, soprattutto, le differenze significative tra variazioni interindividuali entro i 2 gruppi—sono reali e non soltanto una riflessione intrinseca variabilità misura, suggerisce un limite inferiore, &30 anni, dell’età geometrica rischio potrebbe essere rilevato praticamente.

Sommario

I nostri risultati dimostrano chiaramente che le variazioni interindividuali nella geometria della biforcazione carotidea aumentano significativamente con l’invecchiamento o la progressione precoce della malattia aterosclerotica. Tuttavia, non dimostrano o smentiscono l’idea che la geometria di un individuo possa predire lo sviluppo e la progressione dell’aterosclerosi. Piuttosto, indicano un’interrelazione più complessa tra geometria vascolare, emodinamica locale, invecchiamento vascolare e aterosclerosi, la cui delucidazione richiederà quasi certamente studi prospettici.

Abbiamo mostrato qui come la combinazione di imaging non invasivo e l’elaborazione di immagini 3D può essere utilizzata per caratterizzare la geometria del vaso in modo oggettivo e riproducibile; e, quindi, con l’uso crescente dell’angiografia MR, tali studi prospettici dovrebbero essere possibili, specialmente nella fascia di età da 30 a 60 anni quando le variazioni geometriche sembrano evolversi. Con questo in mente, abbiamo posto i nostri strumenti di caratterizzazione geometrica nel dominio pubblico24 con la speranza di incoraggiare la standardizzazione delle definizioni geometriche, un passo che riteniamo sarà cruciale per futuri studi su larga scala e meta-analisi volte a identificare i fattori locali predittivi dell’invecchiamento vascolare di successo.

Note a piè di pagina