血流動(dòng)力學(xué)在腦血管病影像教學(xué)中的意義

荊利娜，高培毅，2，隋濱濱

動(dòng)脈粥樣硬化是腦梗死的最常見(jiàn)原因，現(xiàn)在對(duì)于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊除了觀察結(jié)構(gòu)改變，還可以利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，如計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）、流固耦合（fluid structure interaction，F(xiàn)SI）等方法研究血流動(dòng)力學(xué)在斑塊發(fā)生、發(fā)展及破裂中的意義。以往醫(yī)學(xué)教學(xué)系統(tǒng)中血流動(dòng)力學(xué)部分是缺乏的，隨著流體力學(xué)與影像技術(shù)的密切結(jié)合，使得血流動(dòng)力學(xué)的可視化成為現(xiàn)實(shí)，如果將血流動(dòng)力學(xué)的科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)內(nèi)容傳授給學(xué)生，將為現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像教育注入新的活力。

1 血流動(dòng)力學(xué)和醫(yī)學(xué)影像的學(xué)科交叉

以往的流體力學(xué)通過(guò)計(jì)算機(jī)上建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算，不能真實(shí)反映臨床上每個(gè)患者之間的個(gè)體差異，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的高速發(fā)展，包括計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像學(xué)技術(shù)能夠更好地提供血管結(jié)構(gòu)和血流速度的數(shù)據(jù)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始利用基于影像學(xué)的方法對(duì)在體血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]。

CFD是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，能夠在時(shí)間和空間上定量描述血流動(dòng)力學(xué)信息[2]。在目前醫(yī)學(xué)研究中，對(duì)血流進(jìn)行CFD模擬前，常用影像學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)血管結(jié)構(gòu)的重建，例如利用磁共振血管成像、CT血管成像等原始圖像通過(guò)一系列的后處理得到真實(shí)的血管結(jié)構(gòu)，能夠反映個(gè)體間的差異。

流固耦合是用來(lái)分析流體與管壁的相互作用。利用此方法需要建立流場(chǎng)，還要重現(xiàn)血管壁結(jié)構(gòu)。目前頸動(dòng)脈的血管壁多通過(guò)高分辨磁共振掃描得到，然后利用后處理軟件重建得到每個(gè)患者的頸動(dòng)脈三維模型，模型中可以對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化斑塊不同成分如纖維脂質(zhì)核、鈣化等進(jìn)行標(biāo)記，再將血管模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行計(jì)算。

2 血流動(dòng)力學(xué)在腦血管病影像學(xué)中的研究進(jìn)展

斑塊易損性與腦血管病的發(fā)生之間存在密切關(guān)系。近年來(lái)，有研究提示斑塊局部血流動(dòng)力學(xué)在斑塊易損性的發(fā)展中起到重要作用。通過(guò)FSI的方法Zhongzhao Teng等[3]發(fā)現(xiàn)斑塊局部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)高于血流剪切力，由此推測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力可能是導(dǎo)致斑塊破裂的主因，而剪切力可能會(huì)長(zhǎng)期弱化管腔內(nèi)壁。另外，斑塊局部的機(jī)械力因素可能引起斑塊內(nèi)新生血管發(fā)生破裂從而造成斑塊內(nèi)出血的形成和發(fā)展[4]。傳統(tǒng)的影像學(xué)方法只能判斷斑塊這一現(xiàn)象，但無(wú)從知道斑塊進(jìn)展的來(lái)龍去脈，而血管動(dòng)力學(xué)研究給出了一個(gè)很好的解釋。也有研究者將大腦中動(dòng)脈狹窄分為癥狀組與非癥狀組，用以探討血流動(dòng)力學(xué)在顱內(nèi)動(dòng)脈粥樣硬化性狹窄患者中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壁面剪切力、管壁壓力及流速是發(fā)生癥狀性顱內(nèi)動(dòng)脈狹窄的危險(xiǎn)因素[5]。這些研究都提示血流動(dòng)力學(xué)在斑塊不同階段中的意義。

除了動(dòng)脈粥樣硬化病變，血流動(dòng)力學(xué)分析可以用于研究動(dòng)脈瘤、夾層動(dòng)脈瘤等疾病的發(fā)病機(jī)制、支架置入治療后改善情況等。有研究者利用CFD方法分析了顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的發(fā)病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)血流動(dòng)力學(xué)因素影響顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的產(chǎn)生、進(jìn)展及破裂[6]。流體力學(xué)在醫(yī)學(xué)中特別是腦血管病方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而這些都是以往醫(yī)學(xué)課本上見(jiàn)不到的。

3 血流動(dòng)力學(xué)與腦血管病影像教學(xué)的聯(lián)系

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的知識(shí)體系需要不斷更新，特別是醫(yī)學(xué)知識(shí)更是日新月異，流體力學(xué)與醫(yī)學(xué)影像的有效融合讓我們對(duì)腦血管病有了重新認(rèn)識(shí)，也將大大提高腦血管病影像學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。與此同時(shí)為腦血管病的研究提供了一種新的研究視角。

在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)教育體系中，學(xué)生往往需要花很多時(shí)間去理解一些很抽象的概念或者數(shù)據(jù)[7]，例如對(duì)血流的描述多為文字性或示意圖形式，如以拋物線形式描述血液的層流，對(duì)于剛剛?cè)腴T(mén)的醫(yī)學(xué)生很難理解，即使在醫(yī)學(xué)影像教學(xué)中，醫(yī)學(xué)教學(xué)人員可以用CT血管成像或磁共振血管成像觀察血管情況，但也只是以靜態(tài)圖像形式顯示判斷血管的結(jié)構(gòu)，而血流的動(dòng)態(tài)改變常常無(wú)法觀察到，現(xiàn)在有了基于醫(yī)學(xué)影像的各種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，學(xué)生們可以很直觀地觀察到血液在血管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)不同血流狀態(tài)有了更加具體形象的理解。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)擺脫了解釋難懂抽象的概念，更方便教學(xué)，對(duì)于學(xué)生而言，這種直觀的展示使他們更容易理解和掌握相應(yīng)的知識(shí)，不需要死記硬背。

血流動(dòng)力學(xué)可以刷新傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)課本對(duì)腦血管病的認(rèn)識(shí)。例如在現(xiàn)有教材上，動(dòng)脈粥樣硬化斑塊是由高血脂、高血壓、糖尿病等一些全身高危因素造成的，但是斑塊并不是在全身血管都發(fā)生，而是常位于血管分叉和（或）彎曲的位置，因此單純用全身高危因素是解釋不通的，現(xiàn)在認(rèn)為是因?yàn)檫@些部位的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)不同于直的無(wú)分叉血管，從而誘發(fā)了斑塊形成進(jìn)展。這些最新的研究進(jìn)展教科書(shū)上是沒(méi)有的，通過(guò)這樣的知識(shí)更新，有助于醫(yī)學(xué)生更好地理解血管疾病發(fā)生和發(fā)展的病理生理基礎(chǔ)，對(duì)于臨床上遇到的疑問(wèn)，也可以通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行解答。

對(duì)醫(yī)學(xué)生的教學(xué)，一方面為了在臨床工作中能夠?qū)嶋H應(yīng)用，另一方面醫(yī)學(xué)生又肩負(fù)著科研的任務(wù)。對(duì)于對(duì)血流動(dòng)力學(xué)感興趣的學(xué)生可以此作為科研方向，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入研究，通過(guò)理論學(xué)習(xí)和參加科研項(xiàng)目課題，獲得相關(guān)的最新知識(shí)，從而達(dá)到培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生科研能力的目的。流體力學(xué)是完全不同于醫(yī)學(xué)的一門(mén)科學(xué)，在腦血管病影像教學(xué)中，首先要讓學(xué)生們掌握流體力學(xué)基本知識(shí)和軟件操作應(yīng)用方法，再進(jìn)一步了解這方面科研工作的最新進(jìn)展，才有助于開(kāi)展相關(guān)科研工作。通過(guò)醫(yī)學(xué)與流體力學(xué)的結(jié)合，通過(guò)科學(xué)研究為臨床診斷和治療提供可行性解決方法，將最終獲得的科研成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，有助于臨床技能的提高[8]。

隨著科技的發(fā)展，腦血管病影像教學(xué)應(yīng)該得到不斷完善，以醫(yī)學(xué)影像為基礎(chǔ)，血流動(dòng)力學(xué)將會(huì)成為腦血管病影像教育中不可或缺的一部分。