脑缺血是由于局部脑组织血流供应低于某阈值所致，但临床结局不尽相同。机体存在强大的内源性抗脑缺血功能，即脑血管储备能力，包括脑结构储备（侧支循环）、脑血流储备（主要是小血管和毛细血管）、脑功能储备（自动调节功能）以及脑代谢储备。很多研究显示，侧支循环与脑缺血的发生密切相关，丰富的侧支循环能降低脑梗死发生率，挽救缺血半暗带、清除梗死区坏死组织碎片以及减轻缺血再灌注损伤，从而改善预后。
侧支循环分为初级侧支循环（Willis环）、次级侧支循环（软脑膜动脉和逆流的眼动脉）和三级侧支循环（新生血管）。当初级侧支循环不能满足脑血流灌注时，次级侧支循环才会开放。其中，Willis环为主要的侧支循环。已有研究显示，结构异常的Willis环与脑缺血的发生密切相关，并证实结构变异的Willis环为脑缺血的危险因素之一。
1 Willis环的解剖结构及变异
1664年，Thomas Willis首先提出了“Willis动脉环”的概念。Willis环由两侧大脑前动脉（anteriorcerebral artery，ACA）交通前段（A1）、两侧大脑后动脉（posterior cerebral artery，PCA）交通前段（P1）、两侧颈内动脉（internal carotid artery，ICA）末端以及前交通动脉（anterior communicating artery，ACoA）和后交通动脉（posterior communicating artery，PCoA）组成。两侧ICA在脑底通过ACoA相通，并且借PCoA与椎基底动脉系统相通。
Willis环的结构变异率较高，但评估方法的不同导致结构变异率报道不一。目前，对侧支循环的评价方法主要包括经颅多普勒（transcranial Doppler，TCD）、磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）、CT血管造影（CT angiography，CTA）、CT灌注成像（CT perfusion，CTP）、正电子发射体层摄影（positron emission technology，PET）、单光子发射计算机体层摄影（single photon emission computed tomography，SPECT）、灌注加权成像（perfusion-weighted imaging， PWI）和数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）等，这些评估方法各有所长，目前仍以DSA为金标准。Willis环的变异包括其组成血管的缺如以及直径的变化，血管直径＜1 mm定义为发育不良。
既往研究显示，仅有27%～45.2%的个体具有完整的Willis环。一项包括1 000例患者的尸检研究表明，Willis环结构变异率高达54.8%，其中前循环变异率为23.4%，后循环变异率为31.4%；前循环变异以多支重复为主，后循环变异则主要为发育不良。Li等对中国170名健康成年人进行的一项CTA研究显示，Willis环的结构变异率为73%，其中前循环变异率为21%，后循环变异率为69%。Willis前循环分为5种类型，即标准均衡型、双ACoA、ACoA缺如、A1发育不良及缺如（图1）；Willis后循环则主要分为10种类型，即成熟型（PCoA直径＜P1直径）、过渡型（PCoA直径=P1直径）、单侧及双侧胚胎型PCA（fetal-type posterior circle，FTP）、完全FTP、双侧PCoA缺如及发育不良、单侧PCoA缺如及发育不良，另外还有一种是PCoA与PCA不相通，同时供应PCA交通后段（图2）。最常见的Willis环前循环类型是标准均衡型，而最常见的Willis后循环类型是成熟型和双侧PCoA缺如。相对于西方国家人群，中国人群的Willis环结构变异率较高，且后循环变异率远远高于前循环。
图1 Willis前循环的结构变异分型
A：标准均衡型；B：双ACoA；C：A1发育不良；D：A1缺如；E：ACoA缺如
图2 Willis后循环的结构变异分型
A：成热型；B：过渡型；C：单侧FTP；D：双侧FTP；E：双侧PCoA缺如；F：双侧PCoA发育不良；G：单侧PCoA缺如；H：单侧PCoA发育不良；I：完全FTP：J：Willis后循环新型变异
2 Willis环与脑梗死的相关性
早在1960年就已发现，ICA严重狭窄或闭塞时，颅内灌注的主要决定因素是具有完整侧支循环功能的Willis环，而且脑梗死患者Willis环发育不良发生率显著高于正常人群。随后的研究证实，具有完整侧支循环功能的Willis环可使脑灌注压保持在临界值，从而防止脑梗死形成。单侧ICA闭塞时，Willis环不完整会使脑梗死风险增高1/6；如合并对侧ICA闭塞，则脑梗死风险增高3倍以上。此外，完整的Willis环也可防止脑栓塞。
2.1 ACoA变异与脑梗死的相关性
脑血管狭窄或闭塞时，ACoA和PCoA是最先开放的侧支循环。ACoA能迅速使左右侧大脑半球的血流重新分配。Riva等报道，梗死侧大脑中动脉（middle cerebralartery，MCA）的血流由对侧ICA和ACoA提供，梗死侧ACA近端出现反向血流。ACoA和PCoA的结构变异率在人群中分别占24%和53%～60% 。ACoA缺如或发育不良会导致缺血性卒中症状加重。Hoksbergen等的研究显示，前循环卒中患者Willis环不完整的检出率显著高于正常对照组，无功能性ACoA发生率高达33%。ICA闭塞或狭窄时，无功能性ACoA会使前循环卒中的发病风险增高7倍以上，而且与无功能性PCoA比较，无功能性ACoA与脑梗死的相关性更强。
2.2 PCoA变异与脑梗死的相关性
PCoA为重要的侧支循环通路，其分支主要供应视交叉下部、视束、灰结节、漏斗、乳头体、丘脑腹侧部、内囊后肢及丘脑底核。Chuang等认为，PCoA发育不良是急性脑梗死的独立危险因素。以不伴ICA狭窄的脑梗死患者为研究对象，PCoA发育不良发生率为19.35%，显著高于对照组的8.20%。PCoA发育不良与同侧大脑半球梗死有关，特别是丘脑梗死或丘脑与枕叶的混合性梗死，其导致同侧大脑半球梗死的发生率显著高于脑干或小脑梗死，且易合并对侧大脑主要供血动脉闭塞，从而导致对侧大脑半球梗死。然而，有些学者认为，PCoA发育不良只有与同侧ICA狭窄并存时，才会引起临床症状。
2.3 FTP与脑梗死的相关性
FTP是指由于PCA交通前段（P1）缺如或发育不全，一侧ICA在供应同侧MCA的同时，需要部分或全部供应同侧PCA交通后段。正常人群中的FTP发生率约为10.6%～11%。FTP的存在会导致前后循环的供血区被打乱，从而增高脑梗死风险。Hong等的研究显示，FTP会显著降低后循环的血流灌注。FTP与病变部位是否具有相关性目前尚无定论。Lochner等的研究显示，在13例后循环缺血患者中，FTP的发生率为100%，最常见的是双侧FTP，并全都伴有椎基底动脉发育不良；4例患者为脑干或小脑梗死，9例为后循环短暂脑缺血发作（transient ischemic attack，TIA），提示FTP与后循环缺血有关。也有研究显示，FTP与大脑枕部梗死和双侧顶叶对称性梗死有关。在前循环形成的栓子可能会通过增粗的PCoA到达PCA而引起后循环栓塞。
2.4 Al变异与脑梗死的相关性
Al为Willis环的重要侧支循环通路，主要供应尾状核前部、内囊前肢、纹状体前下部、下丘脑视上区、胼胝体膝、透明隔、穹窿柱等部。既往研究显示，Al段发育不良的发生率为1%～13%，且左侧更多见。A1发育不良更多与同侧前循环梗死有关，特别是纹状体梗死。在大脑半球梗死患者中，A1发育不良的发生率为19.2%，且多伴有同侧腔隙性梗死；在脑干或小脑梗死患者中，A1发育不良的发生率为4.87%。在伴有A1发育不良的脑梗死患者中，83.3%为小血管闭塞性卒中，特别是对缺血敏感的纹状体区。在Al发育不良患者中，TIA的发生率为47.6%。Caplan和Hennerici认为，纹状体梗死可能与侧支循环不完整导致栓子清除能力下降有关。
3 Willis环与脑白质疏松（leukoaraiosis，LA）
LA主要指脑室周围或皮质下（半卵圆中心），特别是分水岭区的斑片状或斑点状脑白质改变，其边缘不规则。CT呈现为低密度灶，MRI呈现为T1等或低信号，T2和液体衰减翻转恢复序列为高信号。导致LA的危险因素包括高血压、增龄和颈动脉狭窄等。
既往研究显示，LA与Willis环的完整与否无关，但最近的一项研究得出了相反的结果。Chuang等报道，在106例颈动脉狭窄患者中，Willis环不完整的发生率为77.4%。采用Fazekas等的评分系统评估LA严重程度，根据组成血管的缺失数量将Willis环不完整性分为：（1）缺失1个部分；（2）缺失2个部分；（3）缺失3个部分或更多。结果显示，LA严重程度与缺失数量的关系密切相关，缺失数量越多，LA越严重。当合并ACoA发育不良时，脑白质损害程度显著加重。由此显示，Willis环不完整与LA关系密切。不过，此结果在不合并颈动脉狭窄的患者中是否适用尚需进一步研究。
4 Willis环结构的可变性
Willis环的形态结构并非不可变化，例如，颈动脉支架置入术就会影响Willis环的形态变化。Chuang等的研究显示，颈动脉支架置入术前的Willis环不完整率为83.1%，而术后降至69.3%，提示Willis环完整率在支架置人术后增高。同时，近1/3的Willis环的形态特征在颈动脉支架置入术后发生明显改变。研究显示，支架置人术后Willis环闭塞发生率很高，大多为颈动脉闭塞而开放的Willis环关闭所致，其中以A1形态学改变为主。由此可见，支架置入术后以Willis前循环血流重新分配为主。
综上所述，人群中Willis环结构变异很常见，目前被认为是脑缺血的危险因素之一。Willis环的各种结构变异类型与脑梗死部位存在一定相关性，支架置入术也可导致其结构改变。能否通过改变Willis环的结构缺陷降低缺血性卒中风险以及能否通过Willis环结构变异评估缺血性卒中的预后，值得进一步研究。
