顱內(nèi)動脈瘤形態(tài)與血流動力學(xué)的關(guān)系

裘天侖 金國良 邢海燕

近年來研究表明，動脈瘤的血流動力學(xué)是顱內(nèi)動脈瘤病理改變的主要原因[1－6]。計算流體力學(xué)、統(tǒng)計分析均揭示動脈瘤的血流特征與動脈瘤的生長、破裂有關(guān)[2，6]。在相同的血流動力學(xué)模型下，血流動力學(xué)不僅與動脈瘤的形狀、大小、位置、動脈瘤頸口大小等有關(guān)，也與載瘤動脈的直徑、彎曲度、動脈瘤角度等有關(guān)。因此，本研究就顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)特征與動脈瘤、載瘤動脈的形態(tài)學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系作一探討。

1 對象和方法

1.1 對象 選擇2016年1至6月紹興市人民醫(yī)院收治的22例顱內(nèi)動脈瘤患者的22個動脈瘤為研究對象。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）惡性腫瘤，（2）惡性高血壓，（3）嚴重的全身性疾病如糖尿病、風(fēng)濕性疾病等。動脈瘤排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）假性動脈瘤，（2）炎癥性動脈瘤，（3）外傷性動脈瘤，（4）解離性動脈瘤，（5）伴發(fā)動靜脈畸形的動脈瘤。

1.2 方法

1.2.1 動脈瘤形態(tài)分析 動脈瘤結(jié)構(gòu)通過血管造影并由荷蘭Philips公司數(shù)字剪影三維（DSA）成像。血管造影劑持續(xù)注射6s，旋轉(zhuǎn)180°以15幀/s拍攝并獲取數(shù)據(jù)，傳入Philips工作站重建DSA圖像，剔除沒有完整動脈瘤和載瘤動脈的圖像，并記錄動脈瘤的位置、瘤頸寬度、瘤體高度、動脈瘤橫徑等影像學(xué)指標(biāo)。在DSA上測量動脈瘤的二維參數(shù)：最大瘤頸、最小瘤頸、動脈瘤高度（瘤頸中心到瘤頂?shù)淖畲缶嚯x）、動脈瘤橫徑（垂直于瘤高的動脈瘤最大橫徑）、載瘤動脈直徑、最大瘤頸/載瘤動脈直徑、最小瘤頸/載瘤動脈直徑、動脈瘤角度（動脈瘤與載瘤動脈的夾角），見圖1。

圖1 動脈瘤的形態(tài)學(xué)參數(shù)測量（載瘤動脈直徑是D1+D2+D3的平均值；動脈瘤頸寬需測量最小瘤頸和最大瘤頸）

1.2.2 血流動力學(xué)分析 在Geomagic Studio（美國Geomegic公司）里面將三維模型表面的孔洞進行修補，將三維模型導(dǎo)入ICEM里面劃分網(wǎng)格。再將網(wǎng)格導(dǎo)入美國ANSYS軟件的Fluent15分析動脈瘤三維模型。血液的非牛頓性對分析結(jié)果影響不明顯。因此，血流設(shè)定為不可壓縮的牛頓流體（ρ=1 060kg/m3，黏度0.04kg·s/m）?？刂品匠虨椴环€(wěn)定的Navier－Stokes方程和連續(xù)性方程。瘤壁的邊界條件是無滑動的剛性壁。出口邊界條件設(shè)為壓力出口，入口流速分布公式：一個周期內(nèi)速度入口分布見圖2。壁面剪應(yīng)力（WSS）是指血流與動脈壁單位面積的切線摩擦力。因為血流是脈動流，所以WSS是整個心動周期在一個節(jié)點上的集合，計算公式dt，其中平均WSS（MWSS）為整個動脈瘤內(nèi)壁所有節(jié)點的平均值，WSS比值=MWSS動脈瘤/MWSS載瘤動脈。剪應(yīng)力集中指數(shù)（SCI）的計算公式，其中Ah是高于載瘤動脈WSS的動脈瘤囊壁面積，Aa是動脈瘤的總面積，F(xiàn)h是Ah中總剪應(yīng)力，F(xiàn)a是動脈瘤囊的總剪應(yīng)力。

圖2 一個周期內(nèi)速度入口分布

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件。計量資料符合正態(tài)分布，用表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD－t檢驗；兩組比較采用兩獨立樣本t檢驗。動脈瘤形態(tài)學(xué)指標(biāo)與血流動力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析，|r|值≥0.8為強相關(guān)；0.5～＜0.8為明顯相關(guān)，0.3～＜0.5為中等相關(guān)，＜0.3為弱相關(guān)；其中P＜0.05的動脈瘤形態(tài)學(xué)指標(biāo)與動脈瘤WSS、WSS比值、SCI分別作線性逐步回歸分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 動脈瘤形態(tài)學(xué)指標(biāo)與血流動力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析 最大瘤頸/載瘤動脈直徑、最小瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS、WSS比值均呈正相關(guān)（均P＜0.05），動脈 瘤角度與SCI呈正相關(guān)（P＜0.05），見表1。

表1 動脈瘤形態(tài)學(xué)指標(biāo)與血流動力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果（r值）

2.2 線性逐步回歸方程 血流動力學(xué)指標(biāo)的逐步回歸方程：動脈瘤 WSS=－55.99+88.99 ratio1（P=0.006），WSS比值=0.048+0.264 ratio1（P=0.031），SCI=－0.691+0.097 angle（P=0.035）；式中ratio1為最大瘤頸/載瘤動脈直徑，angle為動脈瘤角度。

2.3 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS、WSS比值的關(guān)系 按最大瘤頸/載瘤動脈直徑分為＜1組（9例）、1～2組（9例）、＞2組（4例），其動脈瘤WSS分別為（46.84±54.11）、（42.12±48.82）、（194.20±99.45）Pa，3 組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=4.330，P＜0.05），經(jīng)兩兩比較，＞2組動脈瘤 WSS明顯高于＜1組、1～2組（均P＜0.05），見圖2。＜1組、1～2組、＞2組 WSS比值分別為 0.382±0.404、0.308±0.235、0.794±0.468，3 組差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=3.694，P＜0.05）。經(jīng)兩兩比較，＞2組WSS比值明顯高于＜1 組、1～2 組（均 P＜0.05），見圖 3。瘤頸/載瘤動脈直徑較大的動脈瘤，其WSS較高，反之較低，見圖4－5。

圖2 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS的關(guān)系

圖3 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與WSS比值的關(guān)系

圖4 瘤頸/載瘤動脈直徑較大的動脈瘤WSS分布

圖5 瘤頸/載瘤動脈直徑較小的動脈瘤WSS分布

2.4 動脈瘤角度與SCI的關(guān)系 按載瘤動脈角度分為＜135°組（10例）、≥135°組（12例），SCI分別為 3.39±2.32、9.46±7.66，兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=－2.608，P＜0.05），見圖 6。

3 討論

近年來研究表明，顱內(nèi)動脈瘤的生長與破裂是由動脈瘤血流動力學(xué)推動的。當(dāng)動脈瘤的血流沖擊動脈瘤壁時，動脈瘤壁受到刺激后會發(fā)出生物化學(xué)信號，因此發(fā)生病理改變，最終促成動脈瘤的發(fā)展[7]。當(dāng)動脈瘤的病理改變無法耐受動脈瘤內(nèi)的血流沖擊時，動脈瘤發(fā)生破裂[8]。其中WSS是判斷動脈瘤生長和破裂的重要血流動力學(xué)依據(jù)。研究表明高WSS或低WSS都與動脈瘤的生長和破裂有關(guān)[9-13]。近年來，動物實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)血流沖擊點附近的高WSS和正向WSS梯度通過血管內(nèi)皮細胞的生物化學(xué)信號的傳導(dǎo)，引起內(nèi)彈力膜的喪失和中間層變薄，從而形成動脈瘤[1，14-20]。動脈瘤在血流沖擊下有2種同時存在的病理變化：（1）平滑肌細胞和膠原蛋白的增生等修復(fù)過程，（2）平滑肌細胞及其他細胞的凋亡過程。當(dāng)2種進程平衡時，動脈瘤是穩(wěn)定的，當(dāng)不平衡時則動脈瘤擴展和破裂。因此，高WSS的動脈瘤壁常因廣泛的細胞凋亡而呈現(xiàn)菲薄的瘤壁，俗稱“血泡樣動脈瘤”。動脈瘤內(nèi)的低WSS會促使內(nèi)皮細胞的炎癥反應(yīng)，使得管腔的滲透性增加，稀疏的血管內(nèi)皮細胞和血液停留時間延長，可使白細胞侵入血管內(nèi)，這種炎癥反應(yīng)產(chǎn)生大量基質(zhì)金屬蛋白酶來降解平滑肌細胞，并導(dǎo)致動脈瘤壁粥樣硬化，打破動脈瘤壁修復(fù)與損害的平衡，最終導(dǎo)致動脈瘤破裂[21-23]。WSS是促進動脈瘤病理改變的基礎(chǔ)因素，正是這些病理改變影響了動脈瘤的形態(tài)。所以，動脈瘤本身的高度、高寬比、瘤高/瘤頸、瘤高/載瘤動脈直徑并不能影響動脈瘤WSS的數(shù)值。本研究的回歸方程表明，最大瘤頸/載瘤動脈直徑?jīng)Q定了動脈瘤WSS。筆者進一步按最大瘤頸/載瘤動脈直徑分成3組，發(fā)現(xiàn)比值≤2時動脈瘤WSS無明顯變化，而＞2時動脈瘤WSS明顯增加并伴隨著菲薄的動脈瘤壁的“血泡樣動脈瘤”，臨床上常見于前交通寬頸動脈瘤。

圖6 動脈瘤角度與SCI的關(guān)系

傳統(tǒng)的WSS并未考慮到患者的個體差異，其實不同個體耐受的WSS不同。而WISS比值可能更好地體現(xiàn)動脈瘤在不同個體的WSS實際情況。本研究通過線性逐步回歸方程，發(fā)現(xiàn)最大瘤頸/載瘤動脈直徑?jīng)Q定了WSS比值。當(dāng)最大瘤頸是載瘤動脈直徑的2倍以上時，WSS比值明顯增加。

Cebral等[3,24]認為血流集中度與動脈瘤的破裂亦相關(guān)，80%的破裂動脈瘤有更小的射入?yún)^(qū)域，集中血流的動脈瘤破裂機會是分散血流的6.3倍。SCI是判斷動脈瘤是否會破裂的重要指標(biāo)，故筆者將SCI作為動脈瘤血流動力學(xué)的研究指標(biāo)，分析動脈瘤和載瘤動脈的相對位置是否會影響SCI。線性逐步回歸方程發(fā)現(xiàn)，SCI僅與動脈瘤角度有關(guān)，角度越大則瘤頸的射入血流越集中于局部瘤壁，SCI值越大。其中動脈瘤角度＞135°時，SCI明顯升高。這可能為判斷動脈瘤的破裂幾率提供參考。

綜上所述，血流動力學(xué)是由動脈瘤形態(tài)以及其與載瘤動脈的關(guān)系所決定，WSS與最大瘤頸/載瘤動脈直徑有關(guān)，SCI與動脈瘤角度有關(guān)。

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