顱內(nèi)動脈瘤的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

，，，

顱內(nèi)動脈瘤破裂導(dǎo)致蛛網(wǎng)膜下隙出血具有極高的致死率和致殘率[1-2]。盡管國內(nèi)外對動脈瘤的發(fā)病機(jī)制研究多年，在研究方法上取得較大進(jìn)步，但對于其明確的形成過程存在爭議。隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)和影像診斷技術(shù)進(jìn)步，越來越多顱內(nèi)未破裂動脈瘤檢測發(fā)現(xiàn)。由于顱內(nèi)動脈瘤年破裂率為1%～2%[3-5]，既往憑經(jīng)驗治療易造成過度醫(yī)療。如何評估其破裂風(fēng)險、選擇恰當(dāng)?shù)闹委煏r機(jī)與合適的治療手段，成為國內(nèi)外神經(jīng)科醫(yī)生共同面臨的挑戰(zhàn)。

動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂與動脈壁病理性重塑有關(guān)，是生物化學(xué)和生物力學(xué)因素之間復(fù)雜的相互作用過程。涉及各種酶和相關(guān)蛋白質(zhì)退化、炎癥和修復(fù)，它們在動脈壁的表達(dá)受血流動力學(xué)因素影響。血流對管壁機(jī)械應(yīng)力變化，可改變內(nèi)皮細(xì)胞的功能，損傷內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，并影響血液中各種細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間酶的轉(zhuǎn)運(yùn)。在血流動力學(xué)參數(shù)中，壁面切應(yīng)力(wall shear stress，WSS)可敏感地作用于內(nèi)皮細(xì)胞已廣泛研究。Nixon等[6]綜述中明確WSS在顱內(nèi)動脈瘤和動脈硬化中的作用。

由于顱內(nèi)血管走行復(fù)雜且被顱骨包裹，現(xiàn)有醫(yī)學(xué)檢查手段均難以精準(zhǔn)定位動脈瘤位置進(jìn)行在體血流動力學(xué)監(jiān)測?；谟跋駥W(xué)計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬分析以其經(jīng)濟(jì)、快捷的特點(diǎn)，成為目前檢測顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)的重要方法。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展，高清的血管造影圖像通過計算機(jī)可轉(zhuǎn)換為三維模擬幾何數(shù)據(jù)并直觀表現(xiàn)，因此，基于動脈瘤實體形態(tài)的數(shù)值模擬技術(shù)一直在進(jìn)步[7-9]。CFD數(shù)值模擬分析病人顱內(nèi)動脈瘤血管造影圖像的具體過程如圖1所示。

圖1CFD數(shù)值模擬分析病人顱內(nèi)動脈瘤血管造影圖像流程圖

闡明參與動脈瘤發(fā)病機(jī)制的血流動力學(xué)因素，為動脈瘤的生長與破裂提供較好的理解和診斷。介入栓塞治療的效果亦可通過分析動脈瘤內(nèi)血流動力學(xué)改變評價。數(shù)值分析的血流預(yù)測可為介入治療計劃提供依據(jù)。目前國內(nèi)數(shù)值模擬技術(shù)尚未推廣，大多數(shù)醫(yī)院不能測量顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)，對動脈瘤破裂風(fēng)險的評估僅憑經(jīng)驗判斷。對疾病的診療決策，醫(yī)生的任何經(jīng)驗不足成為依據(jù)?，F(xiàn)根據(jù)顱內(nèi)動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂及不同手術(shù)方法進(jìn)行論述，探討影響動脈瘤的主要血流動力學(xué)因素和數(shù)值模擬技術(shù)在其中的應(yīng)用。

1　數(shù)值模擬研究顱內(nèi)動脈瘤發(fā)病機(jī)制

Steinman等[8]首次運(yùn)用3D血管造影圖像建立CFD模型，對利用數(shù)值模擬技術(shù)改善臨床實踐一直寄予厚望。許多研究人員已確定動脈瘤血流動力學(xué)的不同相關(guān)變量，并提出一些關(guān)鍵血流動力學(xué)參數(shù)[10]，包括WSS，WSS梯度，切應(yīng)力震蕩指數(shù)(oscillatory shear index，OSI)，流速、血流模式等。

臨床許多研究認(rèn)為WSS是動脈瘤發(fā)生、發(fā)展和破裂的關(guān)鍵因素，它是具有爭議的變量。WSS是評估動脈瘤破裂風(fēng)險的重要指標(biāo)。Xiang等[11]報道，由于動脈瘤發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性，低水平和高水平WSS均可能與動脈瘤破裂相關(guān)。高水平WSS可能引起血管壁細(xì)胞應(yīng)力破壞性重塑，類似于動脈瘤的發(fā)生過程(薄壁小動脈瘤，Ⅰ型)；然而低水平WSS可能觸發(fā)炎癥細(xì)胞介導(dǎo)的破壞性重塑途徑，類似于動脈粥樣硬化(厚壁大型動脈瘤，Ⅱ型)，Ⅰ型、Ⅱ型混合型動脈瘤則兼具低水平和高水平WSS。這似乎符合Cebral等[12]2013年運(yùn)用數(shù)值模擬評估和治療動脈瘤的觀點(diǎn)，指出所有的風(fēng)險變量可能不單獨(dú)起決定性作用，由于動脈瘤的發(fā)生是一個生物力學(xué)和生物化學(xué)因素相互作用的復(fù)雜過程。

1.1動脈瘤的發(fā)生和發(fā)展大多數(shù)顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生在動脈分叉處或彎曲血管的外側(cè)壁，提示血流動力學(xué)因素影響動脈瘤的形成[13-14]。血流沖擊分叉和彎曲部位的血管，在管壁周圍產(chǎn)生不穩(wěn)定渦流，管壁在渦流的反復(fù)沖擊下可能產(chǎn)生疲勞，引起局部血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生形態(tài)和功能變化。詳見圖2。

圖2動脈瘤血流圖

沖擊點(diǎn)附近的WSS處于高水平(>100 dyne/cm2)[15]，其空間壓力梯度較大。有動物實驗表明，高WSS導(dǎo)致動脈內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能損傷[16-17]。內(nèi)皮細(xì)胞對WSS和機(jī)械應(yīng)力敏感，研究者認(rèn)為高WSS、高WSS梯度、高壓力和高壓力梯度可能是顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生的必要條件[18-19]。

Boussel等[20]在顱內(nèi)動脈瘤病人不同時間點(diǎn)MR血管造影基礎(chǔ)上計算WSS(兩次檢測間隔時間為16.4個月±7.4個月)，發(fā)現(xiàn)平均時間內(nèi)低WSS水平與動脈瘤的生長具有顯著相關(guān)性。高OSI和低WSS對動脈壁粥樣硬化的作用已廣泛研究并達(dá)成共識[21-23]。盡管動脈瘤生長不同于動脈粥樣硬化[24]，混雜血流和低WSS通過相似炎癥反應(yīng)介導(dǎo)的血管壁重塑導(dǎo)致動脈瘤生長和破裂。低WSS(<4 dyne/cm2)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞增殖和凋亡[25]。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，動脈瘤內(nèi)WSS明顯低于周圍血管，且在病人動脈瘤模型中發(fā)現(xiàn)低WSS與動脈瘤生長密切相關(guān)[21]。

1.2動脈瘤的破裂動脈瘤壁張力超過壁組織的機(jī)械強(qiáng)度時破裂發(fā)生。由基質(zhì)變薄和膠原纖維缺乏引發(fā)的瘤壁病理性重塑與瘤壁局部弱化密切相關(guān)，其中血流動力學(xué)因素起重要作用。因此，高壓力和WSS可能直接導(dǎo)致管壁破損，而低WSS和復(fù)雜的血流模式通過管壁病理性重塑逐漸導(dǎo)致管壁局部弱化，最終破裂。

Lu等[26]使用三維重建的破裂和未破裂顱內(nèi)動脈瘤血管造影進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)破裂組低WSS占區(qū)域較大且OSI明顯升高。張瑩等[27]對22例未破裂動脈瘤和8例破裂動脈瘤進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指出低WSS可能是顱內(nèi)動脈瘤破裂的主要風(fēng)險。顱內(nèi)動脈瘤的形成是一個復(fù)雜過程，血流動力學(xué)因素在動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂中起基礎(chǔ)作用。研究較多且重要的是WSS，與其相關(guān)的參數(shù)有WSS梯度、OSI等。對未破裂動脈瘤，是否及何時需要手術(shù)干預(yù)，不僅依據(jù)動脈瘤形態(tài)學(xué)特征，還根據(jù)血流動力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行WSS、流速、血流模式等因素綜合評估，為進(jìn)一步理解動脈瘤發(fā)病機(jī)制和輔助臨床診療決策提供新思路。

2　數(shù)值模擬在動脈瘤臨床治療中的應(yīng)用

21世紀(jì)初，已利用數(shù)值模擬研究動脈瘤的手術(shù)操作，如開放式手術(shù)、介入栓塞和支架導(dǎo)流。關(guān)于這個主題進(jìn)行大量的研究，可根據(jù)顱內(nèi)動脈瘤不同的治療方法分類如下。

2.1介入栓塞治療動脈瘤2004年—2016年，發(fā)現(xiàn)大量經(jīng)血管內(nèi)彈簧圈栓塞動脈瘤術(shù)后的數(shù)值模擬分析，這些研究或采用介觀方法，將彈簧圈的幾何形狀考慮在內(nèi)；或采用宏觀方法，彈簧圈的質(zhì)量被多孔介質(zhì)代表。Mitsos等[28]第1次嘗試?yán)枚嗫捉橘|(zhì)模擬彈簧圈，基于一個破裂的前交通動脈瘤3D-DSA圖像建立CFD模型，發(fā)現(xiàn)栓塞術(shù)后動脈瘤內(nèi)渦流明顯減少且瘤頂WSS明顯降低。Wang等[29]采用各向同性的多孔介質(zhì)建立CFD模型研究彈簧圈栓塞術(shù)后的巨大椎基底動脈交界處動脈瘤。新近一項研究說明可利用數(shù)值模擬技術(shù)對彈簧圈的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化[30]。

2.2支架導(dǎo)流治療動脈瘤支架導(dǎo)流已被臨床用于治療顱內(nèi)動脈瘤[31-33]，許多數(shù)值模擬研究表明這些設(shè)備通過減少動脈瘤內(nèi)血流誘導(dǎo)瘤內(nèi)血栓形成。Tremmel等[34]研究單一或多個自膨式支架單獨(dú)或結(jié)合球囊擴(kuò)張治療寬頸基底動脈主干囊狀動脈瘤，發(fā)現(xiàn)隨著支架數(shù)目增多瘤內(nèi)平均血流速度和WSS降低，因此推薦多重支架治療顱內(nèi)動脈瘤。一些研究者建議慎重考慮置入支架，認(rèn)為治療后動脈瘤壓力增加導(dǎo)致破裂，特別是伴有近端狹窄的巨大動脈瘤。

3　小　結(jié)

顱內(nèi)動脈瘤破裂引起的蛛網(wǎng)膜下隙出血嚴(yán)重威脅人類生命，其特殊的解剖位置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)令其血流動力學(xué)難以測量。近年來血管造影技術(shù)突飛猛進(jìn)，分辨率不斷提高，從二維發(fā)展到三維，動脈瘤形態(tài)學(xué)特征已明確。研究者利用計算機(jī)軟件和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)開辟數(shù)值模擬研究顱內(nèi)動脈瘤的新方法。

Clark等[35]建立Willis環(huán)的動脈網(wǎng)格數(shù)值仿真模型，隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，之后有關(guān)顱內(nèi)動脈瘤的數(shù)值模擬不斷完善。血管壁特性由線彈性到非線黏彈性，流動由定常流發(fā)展到不定常流?；谟邢拊ń⑵饋鞢FD數(shù)值模擬研究使得這一過程變得方便、經(jīng)濟(jì)、快捷。

由于血液的非牛頓特性，其本構(gòu)方程極其復(fù)雜；血管壁呈黏彈性，與血液運(yùn)動耦合；動脈瘤及載瘤動脈形態(tài)多樣，且存在明顯的個體差異等，得到精確的血流動力學(xué)參數(shù)較困難。因此，提出以下建議：①通過更多的基礎(chǔ)實驗驗證模擬的準(zhǔn)確性；②通過更多大樣本的數(shù)據(jù)分析不斷調(diào)整參數(shù)設(shè)置；③通過研究流固耦合更好地了解詳細(xì)的血管重建過程與動脈瘤發(fā)生、發(fā)展和破裂的關(guān)系；④工程師與醫(yī)生之間加強(qiáng)溝通、組織與協(xié)作。

科學(xué)研究是一個由簡單到復(fù)雜的過程，目前無法精確在體測量顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)情況下，數(shù)值模擬已成為主要方法之一。即使存在不足，但數(shù)值模擬研究是隨著計算機(jī)技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展為顱內(nèi)動脈瘤的實際情況提供新方法。

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