一种更智能的测量颈动脉斑块的3D公式：迈向更准确的卒中风险评估的一步

目录

• 要点
• 为何这项研究至关重要
• 目前如何测量颈动脉斑块严重程度
• 研究方法
• 半椭球体体积公式
• 在不规则斑块上测试该公式
• 在管状斑块上测试该公式
• 三维计算机模型
• 随访中真实患者的验证
• 主要发现
• 对患者的临床意义
• 局限性
• 建议
• 来源信息
• 常见问题

要点

• 一种新的3D公式利用周长、矢状面长度和平均厚度，从标准超声图像估算颈动脉斑块体积。
• 使用平均厚度而非最大厚度对于避免高估不规则斑块的体积至关重要。
• 在数学模拟中，该公式准确估算了光滑、不规则、管状和计算机生成的3D斑块形状的体积。
• 在对115名接受五年随访的卒中或TIA患者中，斑块体积比传统的直径或面积狭窄测量更能追踪疾病进展。
• 该方法无需新设备，可能有助于发现百分比狭窄所遗漏的隐匿性斑块生长。

这项研究为何重要

颈动脉动脉粥样硬化斑块（胆固醇和脂肪沉积物在供应大脑的颈部主要血管——颈动脉壁内积聚）会增加卒中和冠状动脉性心脏病的风险。本研究作者指出，在这些斑块引起症状之前早期检测它们对于预防卒中至关重要。

后果十分严重。根据文章所述，60–80%的颈动脉狭窄（由于斑块导致的动脉变窄）患者患有无症状斑块——即没有任何症状——其狭窄程度为轻度（动脉直径狭窄小于30%）或中度（狭窄30–69%）。这些患者需要持续监测斑块严重程度，直到斑块出现症状或变得危险。

这项发表在Scientific Reports上的研究解决了当前实践中的一个根本局限性：仅通过斑块使动脉变窄的程度（一维或二维视角）来测量斑块，忽略了斑块随时间在所有三个维度上生长的事实。研究人员旨在开发并验证一个实用公式，从标准超声图像中估算真实的斑块体积。

目前如何评估颈动脉斑块严重程度

在具有里程碑意义的欧洲颈动脉手术试验（ECST）和北美症状性颈动脉内膜切除术试验（NASCET）之后，医生使用一维直径狭窄测量来评估颈动脉斑块的严重程度——即斑块使血管直径变窄的百分比。这些包括ECST、NASCET和颈总动脉方法，它们最初是使用血管造影（X射线染料）结果开发的。

狭窄直径（动脉开口有多窄）有助于确定症状性严重颈动脉狭窄的手术方案。外科医生可以在两种手术中选择：

• 颈动脉内膜切除术（CEA）——手术切除斑块
• 颈动脉支架植入术（CAS）——放置网状管（支架）以打开狭窄的动脉

关注直径的理由是血流与直径的四次方成反比。通俗地说，血管直径的微小减少会导致血流的急剧下降。然而，只有当血管完成称为代偿性正性重构的过程后，这种影响才变得重要，在此过程中动脉向外扩张以适应不断增大的斑块并暂时维持血流。

这正是作者指出的问题所在：颈动脉斑块从首次被发现时就具有三维形状，包括环形（围绕血管）、矢状面（沿血管长度）和向管腔突出的厚度（斑块伸入通道的距离）。它们随时间在三个方向上的轮廓和大小上进展。来自轴位（横断面）和矢状面（纵切面）超声图像的一维直径和二维面积狭窄测量无法反映这种严重程度的三维进展和动脉粥样硬化负荷（患者携带的斑块总量）。

最近，来自颈动脉多普勒超声检查（CDU）——一种结合B型成像和多普勒血流测量的超声测试——的二维轴位和矢状面图像被广泛用于评估斑块形态和严重程度。但缺乏使用这些二维图像来评估和随访三维斑块体积的实用工具。本研究旨在填补这一空白。

研究方法

研究人员进行了三条平行的调查线：数学模拟、计算机生成3D模型验证以及患者的真实世界临床研究。

在临床部分，作者纳入了1,265名患者中的115名，这些患者患有短暂性脑缺血发作（TIA，常被称为“小卒中”）或缺血性卒中（由血管阻塞引起的卒中），他们于2013年6月1日至2015年5月28日期间在韩国忠南大学医院（CNUH）的卒中血液样本登记处入组。这些患者在初始颈动脉超声检查后接受了超过五年的随访，直至2025年7月31日。

研究团队审查了这些患者入院24小时内获得的心血管危险因素和空腹血液测试结果。使用三个指标同时比较随访时的斑块严重程度与基线：体积、直径和面积。他们记录了根据每种测量方法，有多少斑块的严重程度减少、增加或保持不变。对于每位患者，总动脉粥样硬化负荷计算为所有斑块严重程度测量的总和。研究人员随后比较了初始超声检查与随访超声检查之间总负荷的平均变化，并根据患者的 summed 斑块体积、直径或面积是增加、减少还是保持稳定对患者进行分类。

使用以下三种超声系统之一获取双侧颈总动脉（CCA）和颈内动脉近端的超声图像：ALOKA Prosound SSD α-10（日立阿洛卡医疗有限公司）、Acuson X-300（西门子医疗解决方案）或 Acuson Redwood（西门子医疗解决方案）。在矢状面和/或轴位 CDU 图像上，将内膜增厚（动脉内壁增厚）至少达到 1.2 mm定义为颈动脉动脉粥样硬化斑块。在每次随访超声检查前，研究人员会回顾患者之前的斑块图像，并在相同的解剖部位拍摄新图像。他们测量了每个斑块最狭窄（最窄）的部分，并评估了随访时该确切部位的变化。如果在初始或随访检查中显示完全闭塞（完全阻塞）或已放置颈动脉支架的斑块将被排除，因为其范围无法可靠测量。

使用 MicroDicom DICOM Viewer 软件直接从纵向和轴位 CDU 图像上测量斑块的长度、直径和面积。使用 Rhinoceros 3D 软件（版本 8.17，Robert McNeel & Associates）构建和分析三维斑块模型。所有统计分析均使用 IBM SPSS Statistics for Windows 版本 29.0 进行，统计显著性设定为 p < 0.05。

半椭球体积公式

本研究的核心思想简洁而优雅。当从横截面观察时，颈动脉斑块沿圆形血管壁弯曲。研究人员推断，如果将管状血管腔（动脉内部的开放通道）“展开”到平面上，斑块将呈现半椭球体的形状——本质上是三维椭圆的一半，类似于纵向切开的鸡蛋。

为了估算斑块体积，研究人员从标准的轴位和矢状位超声图像上测量了三个数值：

1. 周向长度（c_p）——斑块沿圆形血管壁延伸的距离
2. 矢状长度（l_p）——斑块沿血管长度延伸的距离
3. 平均厚度（t_p(mean)）——斑块最大和最小厚度的平均值，从腔面（面向血液的内表面）垂直测量至血管壁

然后使用半椭球体积公式计算斑块体积：

斑块体积 = (π × c_p × l_p × t_p(mean)) / 6

为了进行比较，研究人员还计算了两种传统测量值：

• 直径狭窄率 = (1 − [狭窄处直径 / 管腔直径]) × 100%，其中狭窄处直径和管腔（开放通道）直径在最狭窄部位测量
• 面积狭窄率 = (1 − [斑块面积 / 管腔面积]) × 100%，在轴位图像的相同部位测量

作者还指出，对于环绕整个轴位管腔（完全包裹血管）的斑块，有一个有用的数学捷径：周向长度等于 π 乘以血管管腔直径。在这种情况下，只需两个测量值即可计算该公式。

在不规则斑块上测试该公式

实际的斑块很少是完美的平滑形状。它们可能具有不规则的凹凸表面、厚度不一以及部分累及血管周径。为了测试半椭球公式在这些情况下是否仍然有效，研究人员创建了由平面上的交替半球（半个球体）和半椭球体组成的四种模拟斑块形状：

• 形状 1：六个相邻的半球，具有相同的宽度、长度和厚度直径
• 形状 2：六个扁半椭球体（压扁的，像压扁的鸡蛋），宽度和厚度与半球相同，但矢状长度为两倍
• 形状 3：四个半球与四个长度加倍的扁半椭球体交替排列
• 形状 4：四个相同的半球与四个厚度加倍的长半椭球体（拉长，像橄榄球）交替排列

使用标准的球体和椭球体体积公式计算了每个组成部分形状的实际体积，并将这些体积相加以获得整个模拟斑块的真实体积。然后，对每个复合形状的总宽度、长度和厚度应用半椭球体公式，计算出“逻辑”体积。

结果令人瞩目：

• 形状1、2和3：估算（逻辑）体积与实际体积完全一致——在每种情况下，两者均计算为0.5πd³（形状1）或πd³（形状2和3），其中d_hs是虚拟直径长度单位。这证实了该公式能够准确预测具有均匀厚度的斑块的真实体积，即使它们由多个隆起组成。
• 形状4：使用最大厚度（其为最小厚度的两倍）导致了显著的高估——公式给出的逻辑体积为8/3πd³（约2.67πd³），而实际体积仅为πd³。
• 使用平均厚度的形状4：当研究人员将最大和最小厚度的平均值（0.5 + 1.0 d_hs的平均值）代入时，逻辑体积与实际体积完全一致，均为πd³。

这一发现确立了一个关键原则：对于厚度不规则的斑块，必须使用最大和最小厚度的平均值（平均厚度），而不能仅使用最大厚度。

随后，研究人员利用真实患者数据证实了这一原则。由于无法直接从超声图像中测量斑块体积，他们比较了逻辑矢状面斑块面积（沿血管长度观察到的斑块的二维面积）与从入组患者的117个厚度不规则斑块的矢状面彩色多普勒超声（CDU）图像上直接描记的实际面积。结果如下：

• 实际矢状面面积：38.3 ± 19.4 mm²
• 使用平均厚度计算的逻辑面积：37.9 ± 19.4 mm²（p = 0.186 — 与实际面积无统计学差异，表明估算准确）
• 使用最大厚度计算的逻辑面积：50.1 ± 29.1 mm²（p < 0.001 — 差异显著，证实存在高估）

这些结果结合3D模拟发现，支持在估算具有不规则轮廓的斑块体积时使用平均厚度而非最大厚度。

在管状斑块上测试公式

某些斑块涉及整个轴向血管腔——意味着它们完全包裹动脉内壁，形成管状环。为了验证该公式在此情况下的适用性，研究人员模拟了一个直径为7 mm、长度为7 mm、壁厚为1.5 mm的管状斑块，其近端和远端以45°倒角（类似相框角落的倾斜角度）切割。

实际体积通过复杂过程计算得出：从原始血管柱体积中减去非斑块腔内体积和倒角区域体积。估算体积则使用半椭球体公式计算。两个数值几乎相同：

• 实际体积：51.80 mm³
• 估算体积：51.76 mm³

当改变倒角角度时，实际体积按预期发生变化：将角度减小至30°使体积降至38.07 mm³，而将其增加至60°则使体积升至57.04 mm³。基于此分析，作者在临床实践中将公式应用于环绕血管腔的斑块时，假设倒角角度为45°。

三维计算机模型

为了进一步验证半椭球体公式，研究团队使用Rhinoceros 3D软件在直径为10 mm、高度为15 mm的圆柱形血管模型内构建了两个不规则形状的三维斑块对象。利用细分曲面（SubD）工具，他们将腔内表面重塑为弯曲的不规则几何形状，以模拟真实的斑块。随后，他们使用Make2D命令获取了两个二维纵向和平面图像，以及每个斑块的长度、宽度、最大厚度和最小厚度。

使用软件的体积命令精确计算了每个斑块的实际体积，并将其与使用测量的长度、宽度以及最大和最小厚度的平均值通过半椭球体公式估算的理论体积进行比较。第一个斑块测量值为13.92 mm × 6.47 mm。作者在原文的图5中展示了两种不规则几何形状的实际体积与理论体积之间的比较，展示了该公式相对于计算机计算的金标准体积的表现。

随访中真实患者的验证

任何测量工具的最终考验在于它是否能在长期随访的真实患者中发挥作用。该研究的临床部分包括来自CNUH卒中血液样本库的115名患者，他们曾发生过短暂性脑缺血发作或缺血性卒中，并在初次颈动脉超声检查后接受了超过五年的随访。

基线和随访时，使用所有三种测量工具评估每位患者的斑块严重程度：斑块体积（通过半椭球公式）、直径狭窄度和面积狭窄度。计算每种方法的总动脉粥样硬化负荷——即每位患者所有斑块严重程度测量值的总和——并比较初始超声与随访超声之间的平均变化。

此外，研究人员使用线性回归模型，利用临床和实验室心血管风险因素来预测每种动脉粥样硬化负荷测量工具（体积、直径和面积）的严重程度。每个模型均通过相关系数（r）、决定系数（R²）以及方差分析的p值进行评估。以下参考组使用了虚拟变量（分类编码）：男性性别、高血压既往史、糖尿病、吸烟、饮酒和心房颤动（一种增加卒中风险的心律失常）。

尽管具体的回归数值出现在完整发表的图表中，但作者从这项患者分析中得出的核心结论很明确：半椭球体积评估是随访期间评估颈动脉斑块严重程度和动脉粥样硬化负荷的更好工具，优于一维直径狭窄或二维面积狭窄。

主要发现

该研究产生了多项支持新测量方法的具体发现：

1. 半椭球体积公式在数学上是严谨的。 对于厚度均匀的平滑斑块，该公式精确估算了体积，在前三个模拟形状中没有任何可测量的误差。
2. 平均厚度对于不规则斑块至关重要。 在不规则模拟中，使用最大厚度会高估体积（8/3πd³ vs. πd³，约为真实值的167%），而平均厚度则产生了精确匹配。同样的模式也出现在真实患者数据中：平均厚度产生的矢状面面积估计值与测量面积在统计学上无显著差异（37.9 vs. 38.3 mm²，p = 0.186），而最大厚度则显著高估了该面积（50.1 mm²，p < 0.001）。
3. 该公式适用于管状斑块。 对于环绕整个血管腔的模拟斑块，估算体积（51.76 mm³）与实际体积（51.80 mm³）相差仅0.08%。
4. 在监测方面，体积优于直径和面积。 在患者队列中，基于体积的评估比传统的一维和二维测量更能反映超过五年随访期间斑块的进展和严重程度。
5. 该方法具有实用性。 它仅使用标准轴位和矢状位颈动脉双功超声图像中已有的测量值，无需新设备或特殊技术。

对患者的临床意义

对于患有颈动脉动脉粥样硬化的患者，这项研究具有以下几项重要意义：

更好的风险监测。 传统上，医生依赖斑块使动脉直径狭窄的程度（狭窄百分比）来决定何时进行干预。本研究表明，测量实际斑块体积可以提供对疾病进展更准确的图景。由于动脉壁向外扩张（正向重构）以适应生长，斑块的体积可能显著增加，而狭窄程度变化很小。体积测量捕捉到了直径测量所遗漏的隐匿性进展。

更早发现病情恶化。 因为体积更能反映真实的动脉粥样硬化负荷，因此可以更早地识别出斑块正在增长的患者。这可能允许更早地调整药物（如他汀类药物，可降低胆固醇并稳定斑块）、生活方式改变或更密切的监测计划。

一种实用且低成本的工具。 半椭球公式运行于标准颈动脉双功超声——一种广泛可用、无创、无辐射的成像检查——中已可获得的测量值之上。实施该方法无需昂贵的3D超声机器或CT/MRI扫描。唯一的补充是使用三个数值进行的简单计算：周向长度、矢状长度和平均厚度。

更好地理解总疾病负担。 该研究的方法不是孤立地关注单个斑块，而是通过累加双侧颈动脉的斑块体积，提供患者层面的总动脉粥样硬化负荷测量值。这种整体视角可以帮助医生更全面地评估总体心血管风险。正如作者所指出的，颈动脉斑块会增加卒中和冠状动脉性心脏病的风险，因此追踪总颈动脉斑块负荷可能为全身性动脉粥样硬化（全身动脉中的斑块积聚）提供见解。

局限性

了解这项研究证明了什么以及未证明什么非常重要。作者承认存在若干固有的局限性：

• 间接验证。无法直接从活体患者的超声图像中测量斑块体积。研究人员使用数学模拟、计算机生成的3D模型和替代测量值（矢状面斑块面积）而非患者中的直接体积比较来验证该公式。
• 模拟假设。模拟假设斑块符合理想化的几何形状（半球体、半椭球体、带斜切端的管状）。真实的斑块可能具有更复杂的几何结构，伴有钙化、溃疡或斑块内出血（斑块内部出血）。
• 单中心、回顾性设计。临床验证涉及来自韩国一家医院的患者，采用回顾性入组方式，由于研究设计原因免除了知情同意要求。结果可能无法推广到所有人群。
• 选定的患者群体。患者队列由已经经历过短暂性脑缺血发作（TIA）或缺血性卒中的个体组成——这是一个比一般人群或无症状颈动脉斑块患者风险更高的群体。
• 45°斜切假设。对于环绕血管腔的斑块，该公式假设存在一种特定的几何关系，但这可能在每种情况下都不成立。
• 替代终点的统计局限性。该研究测量的是斑块严重程度指数，而非临床结局（如实际卒中发生率）。基于体积的监测是否最终能比传统测量预防更多卒中，仍有待未来前瞻性研究证明。

建议

基于这项研究，患者和临床医生可考虑采取以下实际步骤：

1. 询问斑块体积。如果您正在接受颈动脉疾病监测，请咨询您的医生是否可以在标准的狭窄百分比测量之外提供斑块体积测量。并非所有中心都已采用这种方法，但对其价值的认识正在增长。
2. 保持一致的随访影像检查。该研究的方法依赖于比较随时间推移在相同解剖部位拍摄的图像。在同一影像中心定期参加随访超声检查可提高疾病进展评估的可靠性。
3. 管理心血管风险因素。即使有了改进的测量工具，治疗的基本原则保持不变。控制血压、管理糖尿病、降低LDL胆固醇（“坏”胆固醇）、戒烟、适度饮酒和治疗心房颤动均已知可降低卒中风险。该研究在回归模型中特别考虑了这些因素，证实了其重要性。
4. 理解“轻度”或“中度”狭窄的含义。如果您的医生告诉您患有轻度（低于30%）或中度（30–69%）狭窄，请记住，此类发现的患者中有60–80%没有症状。即使狭窄百分比看起来稳定，斑块体积仍可能仍在增长——这也是基于体积的方法重要的另一个原因。
5. 为复杂病例寻求专科中心。对于表面不规则或涉及整个血管腔的斑块，测量技术的选择变得尤为重要。熟悉体积评估的中心可以提供更准确的疾病负担图景。

常见问题

什么是颈动脉斑块，为什么它很重要？

颈动脉斑块是积聚在颈动脉壁上的胆固醇和脂肪沉积物，颈动脉是向大脑供血的主要血管。它们会增加卒中和冠状动脉性心脏病的风险。根据该研究，颈动脉狭窄的患者中有60–80%没有症状，因此仔细监测斑块严重程度对于预防卒中非常重要。

传统上如何测量颈动脉斑块的严重程度？

传统上，医生使用一维或二维方法（如直径狭窄和面积狭窄）来测量斑块使动脉直径变窄的程度。这些方法基于较旧的临床试验方法。然而，斑块随时间在所有三个维度上生长，因此这些测量可能无法捕捉隐藏的进展，特别是当动脉向外扩张以适应不断增大的斑块时。

用于计算斑块体积的新半椭球公式是什么？

该公式通过将斑块视为半个三维蛋形（称为半椭球体）来估算颈动脉斑块体积。它使用三个超声测量值：斑块沿血管壁延伸的距离、沿血管长度延伸的距离，以及其最大厚度和最小厚度的平均值。这些测量值来自标准的颈动脉超声图像。

对于不规则或管状斑块，新公式的准确性如何？

在研究人员中，当使用平均厚度时，该公式对光滑、不规则和管状模拟斑块的数学计算是精确的。对于不规则斑块，使用最大厚度会高估体积，而使用平均厚度则能得出准确结果。对于环绕整个血管腔的模拟斑块，估算体积与实际体积的差异仅为0.08%。

测量斑块体积需要特殊设备吗？

不需要。该方法使用标准颈动脉双功超声图像，这种检查广泛可用、无创且不使用辐射。医生已经在这些图像上测量斑块的尺寸。新方法仅增加了一个简单的计算，涉及三个数值：周长、矢状长度和平均厚度。无需昂贵的3D超声机、CT或MRI。

斑块体积测量对监测卒中风险有何意义？

在一项针对115名曾经历小卒中或缺血性卒中的患者的研究中，使用此公式测量的斑块体积在五年多的时间里比传统的直径或面积测量更能准确追踪疾病进展。这可能有助于更早地识别增大的斑块，并更早地调整药物或生活方式改变，尽管仍需更多研究来证明其长期预防卒中的效果。

我的超声检查显示轻度颈动脉狭窄——我应该寻求第二意见以检查我的斑块体积，从而更准确地评估卒中风险吗？

标准颈动脉超声报告通常仅提供狭窄百分比，这衡量的是动脉狭窄的程度。但斑块在三维空间中生长，动脉可能会向外扩张以掩盖这种生长，因此狭窄程度可能看起来稳定，而斑块体积却在增加。研究表明，使用标准超声图像中的半椭球公式测量斑块体积能更好地追踪斑块的长期进展。包含斑块体积评估的第二意见可以为您提供关于总斑块负荷和疾病是否真正变化的更全面的信息。目前尚无证据表明这种方法能预防更多卒中。Diagnostic Detectives Network 提供独立的专家第二意见。

来源信息

Original article title: Hemi-ellipsoid formula enables accurate assessment of carotid plaque volume and atherosclerotic burden

Authors: Jei Kim, To Jeong, and Jeeyeon Kim

Affiliation: Department of Anatomy and Neurology, College of Medicine and Hospital, Chungnam National University, Daejeon, South Korea (Kim, Jei and Kim, Jeeyeon); ARATORE Studio, Seoul, South Korea (Jeong)

Journal: Scientific Reports (2026), volume 16, article 5138. Published online at Nature.com. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35182-5

Study approval: Approved by the Institutional Review Board of Chungnam National University Hospital (CNUH-IRB-2013-01-019 for the registry; CNUH-IRB-2025-02-023 for this study). All procedures complied with the ethical standards of the 1975 Declaration of Helsinki.

这篇面向患者的文章基于同行评审的研究。旨在帮助患者和照护者理解研究结果，不能替代专业医疗建议。请务必与您的医疗保健提供者讨论您的具体情况和治疗方案。