兔動(dòng)脈瘤模型模擬動(dòng)脈瘤不全夾閉前后血流動(dòng)力學(xué)的改變

費(fèi)邵陽(yáng) 王宏磊 徐 寧 陳 儇 徐 波(吉林大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)外科，吉林 長(zhǎng)春 3002)

兔動(dòng)脈瘤模型模擬動(dòng)脈瘤不全夾閉前后血流動(dòng)力學(xué)的改變

費(fèi)邵陽(yáng) 王宏磊 徐 寧 陳 儇 徐 波1(吉林大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)外科，吉林 長(zhǎng)春 130021)

目的 利用計(jì)算機(jī)模擬不全夾閉并分析不全夾閉前后動(dòng)脈瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)改變及手術(shù)中動(dòng)脈瘤夾閉方向的選擇。方法 利用靜脈移植法制作兔頸總動(dòng)脈側(cè)壁動(dòng)脈瘤模型。利用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)動(dòng)脈瘤進(jìn)行不全夾閉的模擬并對(duì)不全夾閉前后瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)改變進(jìn)行比較。研究不全夾閉對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)改變的影響并探討不同方向不全夾閉對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果 動(dòng)物模型制作成功11例。經(jīng)過(guò)CFD軟件運(yùn)算分析及統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，動(dòng)脈瘤不全夾閉前后最大剪切力的改變具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，瘤內(nèi)湍流明顯改變。結(jié)論 ①采用靜脈移植法制做動(dòng)脈瘤模型是一種操控性及重復(fù)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方法，可以建立形態(tài)、大小穩(wěn)定的兔動(dòng)脈瘤模型。動(dòng)物存活率高，周期短。②動(dòng)脈瘤不全夾閉減小了湍流對(duì)動(dòng)脈瘤發(fā)展的不利影響，減小了動(dòng)脈瘤頸所受的最大剪切力。在動(dòng)脈瘤夾閉手術(shù)中應(yīng)盡可能逆血流方向平行夾閉動(dòng)脈瘤頸，加強(qiáng)動(dòng)脈瘤頸受力最大方向，防止動(dòng)脈瘤頸繼續(xù)生長(zhǎng)。

動(dòng)脈瘤模型;計(jì)算機(jī)模擬分析;不全夾閉;血流動(dòng)力學(xué)

顱內(nèi)囊狀動(dòng)脈瘤(SA)是造成自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血的主要病變，占顱內(nèi)出血的25%，具有很高的致死和致殘率。由于在人體上研究動(dòng)脈瘤受到極大的限制〔1〕，動(dòng)物就成為研究SA較理想的載體。由于受動(dòng)脈瘤形態(tài)、生長(zhǎng)位置及手術(shù)水平的限制，部分動(dòng)脈瘤無(wú)法完全夾閉或夾閉后動(dòng)脈瘤夾脫落，造成了動(dòng)脈瘤的部分夾閉。本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件(CFD)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，研究動(dòng)脈瘤在不全夾閉狀態(tài)下瘤體內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的改變，并探討動(dòng)脈瘤夾閉方向的選擇。

1 材料與方法

1.1 取材及模型制作 采用雌雄不限的成年中國(guó)大耳白兔13只，編號(hào)1～13號(hào)。體重2.5～3.0 kg，麻醉前給予青霉素鈉注射液30萬(wàn)U肌注，麻醉完全生效后取頸部正中矢狀切口，游離左側(cè)頸總動(dòng)脈長(zhǎng)約5 cm，取同側(cè)頸外靜脈段約3.0 mm，頸外靜脈斷端結(jié)扎。阻斷同側(cè)已暴露的頸總動(dòng)脈內(nèi)血流，于頸總動(dòng)脈中部偏上位置在顯微鏡下做一縱行橢圓形切口，長(zhǎng)約3～5 mm，將頸靜脈囊與頸總動(dòng)脈切口行端側(cè)吻合，排除近心端血管腔內(nèi)空氣后縫合結(jié)扎靜脈囊頂端?？梢?jiàn)頸總動(dòng)脈通暢，靜脈囊充盈成球形或橢球型。分層縫合肌肉及皮膚。動(dòng)脈瘤模型制作完成。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的術(shù)后處理 術(shù)后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物禁食水12 h。術(shù)后第一日開(kāi)始給予青霉素鈉注射液30萬(wàn)U及肝素鈉注射液100 U/kg肌注，1次/d，連續(xù)3 d，預(yù)防感染及動(dòng)脈瘤內(nèi)血栓形成。動(dòng)物飼養(yǎng)2 w。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

1.2.2.1 彩超檢查 術(shù)后2 w，應(yīng)用經(jīng)顱多普勒(TCD)檢查采集載瘤動(dòng)脈內(nèi)血流速度數(shù)值。在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)載瘤動(dòng)脈血流最大速度14～88 cm/s，最小5～29 cm/s。載瘤動(dòng)脈內(nèi)平均血流速度在8～49 cm/s。

1.2.2.2 數(shù)字減影血管造影 (DSA)檢查 操作過(guò)程:(1)經(jīng)耳緣靜脈造影:實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉后經(jīng)耳緣靜脈套管針注入肝素鈉注射液100 U/kg，然后經(jīng)造影連接管接高壓注射器。給予經(jīng)耳緣靜脈造影。觀察左側(cè)頸總動(dòng)脈側(cè)壁動(dòng)脈瘤形成情況。(2)經(jīng)頸總動(dòng)脈造影:取動(dòng)脈瘤模型制作成功的動(dòng)物，沿頸部原手術(shù)切口切開(kāi)，游離左側(cè)頸總動(dòng)脈及側(cè)壁動(dòng)脈瘤。用數(shù)碼相機(jī)對(duì)動(dòng)脈瘤及載瘤動(dòng)脈進(jìn)行拍照。用動(dòng)脈留置針穿刺頸總動(dòng)脈近端，插入導(dǎo)絲拔出動(dòng)脈留置針導(dǎo)入4F導(dǎo)管鞘并用絲線固定，插入4F造影管。連接管接高壓注射器進(jìn)行動(dòng)脈血管造影。并對(duì)動(dòng)脈瘤及載瘤動(dòng)脈進(jìn)行尺寸測(cè)量。(3)進(jìn)行3DDSA造影:上述操作后進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)動(dòng)脈血管造影。所得圖像進(jìn)行三維重建，的到三維重建后的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)影像。

1.2.3 動(dòng)脈瘤模型不全夾閉的數(shù)字化模擬

1.2.3.1 影響三維模擬的因素 動(dòng)脈瘤大小形狀參數(shù):動(dòng)脈瘤大小、直徑、內(nèi)部形狀、載瘤動(dòng)脈直徑、入口前長(zhǎng)度、彎曲度等各種參數(shù)都對(duì)血流動(dòng)力學(xué)有較大的影響。血液流體的設(shè)定:通常情況下血液為非牛頓流體。但在實(shí)際運(yùn)算中，以牛頓流體和非牛頓流體為條件計(jì)算得出的結(jié)果相差微乎其微，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但運(yùn)算量卻相差巨大。因此多數(shù)學(xué)者將運(yùn)算分析中的血液設(shè)定為不可壓縮的牛頓流體〔2～4〕。血液的黏滯度:雖然多種因素影響血液的黏滯度，但由于多數(shù)此類(lèi)分析將血液假設(shè)為牛頓流體〔2～5〕，因此一般血液的黏滯性設(shè)定為一常數(shù)。動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤壁彈性:動(dòng)脈壁和動(dòng)脈瘤壁具有較大的彈性，血管的搏動(dòng)對(duì)血流有明顯的影響。但由于在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中動(dòng)脈壁和動(dòng)脈瘤壁的準(zhǔn)確彈性參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確知道，而且數(shù)據(jù)處理相當(dāng)困難，所以大部分研究〔6～8〕將血管壁設(shè)定為剛性邊界。血液的流速與流量:由于個(gè)體存在差異性，載瘤動(dòng)脈內(nèi)血流速度不一樣，通常采用平均的動(dòng)脈流速進(jìn)行分析〔5，9〕。其他因素的影響及采取對(duì)策:分析過(guò)程中不考慮血液能量及重力變化〔2～5，9〕。

1.2.3.2 數(shù)字化模型的建立 利用CAD軟件進(jìn)行圖形繪制，制成動(dòng)脈瘤模型。并根據(jù)動(dòng)脈瘤圖形模擬繪制不全夾閉后的圖形，夾閉程度為50%，分別采用平行于載瘤動(dòng)脈逆血流方向和垂直載瘤動(dòng)脈側(cè)方夾閉的方法。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，帶入運(yùn)算。具體方法如下:

(1)離散化方法:CFD軟件中廣泛采用的求解方法是耦合式的解法。本文采用的SIMPLE算法是用有限體積法將控制方程離散化后，對(duì)各個(gè)體積單元上的離散方程組進(jìn)行求解計(jì)算。

(2)網(wǎng)格劃分:網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)流動(dòng)數(shù)值仿真有決定性影響，在建模時(shí)一般要盡可能地保證計(jì)算區(qū)域與實(shí)際流動(dòng)區(qū)域的一致，劃分的網(wǎng)格越小，貼體性越好。

本文在網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，采用的是FAME的混合分網(wǎng)功能(Hybrid Assistant)。針對(duì)研究的動(dòng)脈血管直徑平均在4 mm左右，因此，選擇網(wǎng)格單元最小尺寸為0.3 mm，主體為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，提高計(jì)算精度，加快收斂速度;壁面處采用四面體單元，提高網(wǎng)格適應(yīng)不規(guī)則形狀的能力，在四面體單元與六面體單元過(guò)渡區(qū)，利用棱柱和棱錐連接;本文單獨(dú)劃分了1層壁面邊界層網(wǎng)格;同時(shí)對(duì)動(dòng)脈瘤入口的瘤頸進(jìn)行了局部細(xì)化，單元最小尺寸為0.018 75 mm，從壁面向內(nèi)部的細(xì)化深度為0.1 mm。

(3)計(jì)算初始條件和邊界條件:流體運(yùn)動(dòng)邊界上控制方程選用的是默認(rèn)設(shè)置;求解采用層流模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。壓力為血壓值，動(dòng)力黏度為0.004 Pa.s，血液密度為1 050 kg/m3。

(4)求解器設(shè)置:離散方程求解過(guò)程中設(shè)置的松弛因子如下:壓力項(xiàng)為0.3、動(dòng)量項(xiàng)為0.7。對(duì)于在一個(gè)完整心動(dòng)周期0.3 s內(nèi)的仿真計(jì)算，時(shí)間項(xiàng)采用一階隱式格式離散，時(shí)間步長(zhǎng)為0.007 5 s，每個(gè)心動(dòng)周期計(jì)算40步，共迭代3個(gè)心動(dòng)周期，獲得收斂結(jié)果，僅采用最后一個(gè)心動(dòng)周期的瞬態(tài)收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS軟件。

2 結(jié)果

本組共13只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物全部存活，無(wú)切口感染，無(wú)肢體癱瘓。血管造影顯示:共制作成功頸總動(dòng)脈側(cè)壁動(dòng)脈瘤11個(gè)，其余2只動(dòng)物1只載瘤動(dòng)脈關(guān)閉，1只動(dòng)脈瘤內(nèi)形成血栓。動(dòng)脈瘤寬徑4.11～5.51 mm，動(dòng)脈瘤長(zhǎng)徑4.02～5.57 mm，瘤頸寬度2.69～3.39 mm。形態(tài)滿意。

穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)條件下得出動(dòng)脈瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)變化及動(dòng)脈瘤頸處最大剪切力夾閉前后數(shù)值。見(jiàn)表1，圖1～圖3。動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流湍流在夾閉前后在形式上有較明顯改變，減小了湍流對(duì)動(dòng)脈瘤發(fā)展的不利影響。再對(duì)模擬運(yùn)算得出的動(dòng)脈瘤模型夾閉前最大剪切力數(shù)據(jù)分別與平行于載瘤動(dòng)脈方向和垂直于載瘤動(dòng)脈在流動(dòng)面方向夾閉所得到的最大剪切力數(shù)據(jù)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下進(jìn)行比較，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 (P＜0.05)?？梢?jiàn)，采用平行于載瘤動(dòng)脈方向和垂直于載瘤動(dòng)脈方式不全夾閉后動(dòng)脈瘤內(nèi)最大剪切力的減小有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且兩種夾閉方式對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)最大剪切力減小的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，平行夾閉方法對(duì)最大剪切力的減小影響比垂直夾閉要大(P ＜0.05)。

圖1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下動(dòng)脈瘤的血管內(nèi)部速度及壁面剪切力分布及數(shù)值

圖2 心動(dòng)周期內(nèi)瘤徑內(nèi)瞬態(tài)剪切力分析及分布圖

圖3 心動(dòng)周期內(nèi)瘤徑壁面剪切力分布隨時(shí)間的變化歷程

表1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下具有動(dòng)脈瘤的血管內(nèi)部速度及壁面剪切力

3 討論

3.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)分析 本文首先針對(duì)案例進(jìn)行了動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的三維分析，包括原始動(dòng)脈瘤、平行夾閉和垂直夾閉情況。根據(jù)血液由右至左流入血管后內(nèi)部的流場(chǎng)變化?？梢郧宄牡乜闯?，三種形狀瘤壁內(nèi)的速度場(chǎng)均出現(xiàn)了渦流，其中，原始形狀的渦流范圍最寬，強(qiáng)度也最大，通過(guò)對(duì)動(dòng)脈瘤頸進(jìn)行順夾和橫夾，減小了瘤頸的入口尺寸，抑制了血液通常由瘤口向瘤內(nèi)的流動(dòng)，因此，流速和渦流都顯著降低，改善了瘤內(nèi)血液漩流對(duì)瘤壁剪切力的作用，緩解瘤壁繼續(xù)膨出的趨勢(shì);此外，該平行夾閉和垂直夾閉方案并未完全消除瘤內(nèi)的血液流速，尤其是在瘤底處仍保留了一定的流速，避免了血液在此處的沉積，破壞血管壁的生理結(jié)構(gòu)。血管壁的剪切力分布顯示，在動(dòng)脈瘤頸處的剪切力達(dá)到峰值，尤其是相對(duì)血流流動(dòng)下游處的區(qū)域，通過(guò)局部放大該區(qū)域的剪切力分布，三者呈現(xiàn)相似的分布，均在正對(duì)血液流動(dòng)下游處達(dá)到最大值，隨著血液向瘤內(nèi)的擴(kuò)散，切向流速的下降，剪切力變小，通過(guò)積分該區(qū)域的剪切力值，得到11個(gè)案例、3個(gè)方案下最大剪切力統(tǒng)計(jì)值，隨著血流速度的快速上升，其動(dòng)量的加大，撞擊動(dòng)脈瘤頸速度方向改變大幅上升;同時(shí)，在相近動(dòng)脈血管流速，隨著動(dòng)脈直徑的變小、動(dòng)脈瘤頸和瘤體的顯著膨出，瘤頸處的最大剪切力增加，并且瘤體內(nèi)漩渦強(qiáng)度增加;平行夾閉方案出現(xiàn)的血管剪切力峰值最小，原始未夾方案剪切力峰值最大。由此可見(jiàn)，平行夾閉方案對(duì)血流進(jìn)入動(dòng)脈瘤起到了引導(dǎo)的作用，減少了血流對(duì)下游瘤頸的沖擊，同時(shí)在瘤體內(nèi)也保留了一定強(qiáng)度的漩渦，避免在瘤底內(nèi)產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)，形成對(duì)瘤壁良好的血液循環(huán)。

3.2 心動(dòng)周期內(nèi)瘤徑內(nèi)瞬態(tài)剪切力分析 心臟周期性的搏動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)脈血管內(nèi)的血液流動(dòng)，其血流速度并非恒定不變，而是呈現(xiàn)如圖所示的周期性高低起伏變化。通過(guò)仿真計(jì)算得到在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)每隔0.037 5 s的動(dòng)脈瘤頸處的剪切力分布。可以看出，其剪切力的分布與恒定流速下穩(wěn)態(tài)流動(dòng)呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，但其數(shù)值大小隨血流速度的變化呈現(xiàn)相應(yīng)變化，在0.07 5 s處達(dá)到最大值，可以說(shuō)明，血流速度是決定瘤頸最大剪切力的主要因素，并隨著其周期性的變化對(duì)下游瘤頸區(qū)形成周期性的沖擊，極易對(duì)該處的血管生理組織形成疲勞損傷。以相同的血流速度變化歷程邊界條件，對(duì)上述案例取出每個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的最大剪切力，結(jié)果表明:當(dāng)血液流速相同時(shí)，較大的血管直徑攜帶較多的流體動(dòng)量，而較小的瘤頸和瘤體增強(qiáng)了血流對(duì)下游瘤壁的沖擊，剪切力變大，刺激了該處瘤壁組織的生長(zhǎng)，使動(dòng)脈瘤呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢(shì);隨著瘤頸和瘤體的增大，血液進(jìn)入瘤體后膨脹減速，降低了下游瘤頸的剪切力，同時(shí)瘤體內(nèi)的漩渦強(qiáng)度也迅速降低;上述所有案例在心動(dòng)周期內(nèi)的峰值剪切力也呈現(xiàn)順夾最小、原始最大的特點(diǎn)。綜上所述，平行夾閉方案是降低瘤頸處最大剪切力的最佳方案。

根據(jù)以上分析可以看出，動(dòng)脈瘤內(nèi)血流形式是:血流在動(dòng)脈瘤頸血流下游的位置進(jìn)入動(dòng)脈瘤內(nèi)，順動(dòng)脈瘤壁向動(dòng)脈瘤頂流動(dòng)，在此過(guò)程中由于摩擦產(chǎn)生了血流對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)壁的剪切力，血流進(jìn)入動(dòng)脈瘤的血流下游弧形瘤頸位置所受的剪切力最大，動(dòng)脈瘤即在此位置不斷生長(zhǎng)。血流與動(dòng)脈瘤壁接觸，產(chǎn)生湍流，速度迅速減小。在動(dòng)脈瘤頂處血流速度最小。然后再由動(dòng)脈瘤頸靠近血流上游的位置流出動(dòng)脈瘤。由于動(dòng)脈瘤頂處剪切力不足，直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)變形，內(nèi)皮細(xì)胞間隙增大，導(dǎo)致血液內(nèi)有害物質(zhì)侵入，影響內(nèi)皮細(xì)胞的更新，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能喪失。隨血管搏動(dòng)的規(guī)律性血流進(jìn)入動(dòng)脈瘤內(nèi)后長(zhǎng)期沖擊動(dòng)脈瘤壁，能量轉(zhuǎn)換到動(dòng)脈瘤壁上，使之承受迅速不斷變化的壓力，產(chǎn)生共振。以上動(dòng)脈瘤內(nèi)剪切力、湍流、共振等因素是動(dòng)脈瘤破裂的主要因素。

動(dòng)脈瘤的不全夾閉使動(dòng)脈瘤瘤頸直徑改變，同時(shí)動(dòng)脈瘤形狀也有改變，從而導(dǎo)致剪切力及血流動(dòng)力學(xué)的改變。而在應(yīng)用FLUENT軟件運(yùn)算過(guò)程中，結(jié)合圖表可以看出，在動(dòng)脈瘤瘤頸直徑和形狀改變后動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流湍流程度和形式有較明顯改變。根據(jù)計(jì)算出的瘤頸所受最大剪切力分析，無(wú)論是平行載瘤動(dòng)脈方向不全夾閉還是垂直載瘤動(dòng)脈側(cè)方夾閉，無(wú)論是以血管內(nèi)平均血流速度還是以心動(dòng)周期內(nèi)最大血流速度計(jì)算的結(jié)果，與未夾閉的結(jié)果進(jìn)行比較，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過(guò)比較動(dòng)脈瘤夾方向與載瘤動(dòng)脈平行和垂直兩種方法夾閉結(jié)果顯示:平行夾閉方法比垂直夾閉對(duì)最大剪切力的影響要大，平行部分夾閉要優(yōu)于垂直部分夾閉。高剪切力是瘤生長(zhǎng)的原因之一，對(duì)于處于生長(zhǎng)期的動(dòng)脈瘤，遠(yuǎn)端的高剪切力促進(jìn)了瘤在此處的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致瘤深的增大，而瘤深的增大又使得遠(yuǎn)端的最大剪切力提高，這樣便形成了一個(gè)正反饋的惡性循環(huán)，從而使得動(dòng)脈瘤迅速增大。說(shuō)明在不全夾閉后瘤頸所遭受的最大剪切力均有改變。手術(shù)可以減緩動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。

在動(dòng)脈瘤夾閉過(guò)程中推薦動(dòng)脈瘤夾閉的方向是由血流下游向上游平行于載瘤動(dòng)脈夾閉。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是:部分動(dòng)脈瘤由于受形態(tài)、生長(zhǎng)位置及手術(shù)水平的限制，出現(xiàn)無(wú)法完全夾閉或術(shù)后動(dòng)脈瘤夾部分脫落的情況，即使不能完全夾閉動(dòng)脈瘤或術(shù)后出現(xiàn)部分脫落的情況，動(dòng)脈瘤夾也能起到最大限度加固瘤頸受力最大位置的作用，能阻止或減緩動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。

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R654

A

1005-9202(2011)12-2276-04

1 吉林省職業(yè)病防治院

徐 寧(1973-)，男，主治醫(yī)師，主要從事腦血管病外科治療研究。

費(fèi)邵陽(yáng)(1977-)，男，主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，主要從事腦血管病外科治療研究。

〔2010-11-03收稿 2011-03-10修回〕

(編輯 袁左鳴/徐 杰)