支架孔率對模擬乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)的影響

楊開蘭，金 龍*，喬愛科，王斯睿，韓燕京，楊澤冉

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射介入科，北京 100050；2.北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124)

血管腔內(nèi)介入是治療乙狀竇憩室相關(guān)搏動性耳鳴(pulsatile tinnitus， PT)的重要方法。既往研究[1-2]初步證實單純支架植入術(shù)可用于治療PT。乙狀竇憩室內(nèi)渦流形成是誘發(fā)PT的重要因素[3]，但目前罕見關(guān)于支架植入治療乙狀竇憩室相關(guān)PT血流機制的研究，支架孔率對血流的影響亦不明確。本研究基于計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics， CFD)方法構(gòu)建理想化乙狀竇憩室血流動力學(xué)模型，對比不同孔率支架植入前后乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)變化，探討支架孔率對模擬乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)的影響。

1 材料與方法

1.1 構(gòu)建理想化血管模型 在實體造型軟件Solidworks 2018中構(gòu)建理想化(無支架)乙狀竇憩室模型S0(圖1)：依據(jù)乙狀竇生理彎曲特性，將橫竇-乙狀竇血管模型簡化為近“S”形走行的三維管狀結(jié)構(gòu)，直徑8 mm，橫截面為圓形。乙狀竇憩室位于血管第1個曲段的外側(cè)壁，其附近血管曲率為10 mm。乙狀竇憩室頸口直徑為4 mm，憩室高度為7 mm。乙狀竇憩室上游靜脈竇血管長度為70 mm，下游靜脈竇血管長度為30 mm。

1.2 構(gòu)建及虛擬植入支架模型 在Pro-Engineer軟件中設(shè)計矩形截面網(wǎng)格型支架，保持支架絲厚度為0.1 mm，改變支架絲寬度和網(wǎng)孔大小，構(gòu)建網(wǎng)孔率分別為75%、50%、25%的3種不同支架(圖2)。將支架模型在實體造型軟件Solidworks 2018中進行變形折彎處理，并與血管模型進行布爾運算，得到血管支架裝配模型(植入孔率75%、50%、25%支架的模型分別對應(yīng)S1、S2、S3)。為減少計算流體力學(xué)數(shù)值模擬計算量，僅保留支架覆蓋乙狀竇憩室頸口的部分。

1.3 CFD數(shù)值模擬 將4種模型(圖3)導(dǎo)入商用軟件ANSYS Workbench 18.0進行網(wǎng)格劃分。每個模型均設(shè)定為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格單元，逐次嘗試加大網(wǎng)格數(shù)量以降低網(wǎng)格數(shù)量對計算精度的影響，當(dāng)乙狀竇憩室同一位置點的速度前后分析相對誤差小于1%時，認為所劃分的網(wǎng)格精度滿足要求。最終S0、S1、S2、S3模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為633 700、1 490 252、1 605 958及1 748 893個。

條件設(shè)定：血管管壁設(shè)為無滲透、壁面無滑移的剛性壁，血液設(shè)為不可壓縮、各向同性的牛頓流體。血液流動設(shè)為定常、絕熱的層流，血液密度為1 050 kg/m3，血液動力黏度為0.003 5 Pa/s。根據(jù)正常人體硬腦膜靜脈竇血流速度[4]，血液入口速度邊界條件設(shè)為0.18 m/s，出口壓力邊界條件為0。

基于上述設(shè)定條件，本研究所用模型的血液流動遵守質(zhì)量和動量守恒定律，即連續(xù)方程和Navier-Stokes方程。應(yīng)用ANSYS Workbench 18.0軟件中的CFX模塊進行數(shù)值模擬，對比分析不同孔率支架植入前后乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)參數(shù)變化，包括速度流線、平均速度、壓力和壁面切應(yīng)力(wall shear stress, WSS)。

2 結(jié)果

2.1 支架孔率對血液流動的影響 在無支架植入模型S0中，血流直接沖擊乙狀竇憩室頸遠側(cè)進入憩室內(nèi)，沿順時針方向在憩室內(nèi)形成復(fù)雜渦流，最后從憩室頸近側(cè)流出，憩室內(nèi)流線多而紊亂；植入支架后，乙狀竇憩室內(nèi)血流渦流隨支架孔率降低而逐漸減少。植入孔率75%的支架后，乙狀竇憩室內(nèi)流線減少但并不顯著；植入孔率25%的支架后，乙狀竇憩室內(nèi)幾乎無流線分布。

圖1 理想化乙狀竇憩室模型 圖2 支架模型 A～C.分別為孔率75%(A)、50%(B)、25%(C)的支架

血流速度最大值始終位于乙狀竇憩室遠側(cè)壁附近；見圖3。S0、S1、S2、S3模型乙狀竇憩室內(nèi)血流速度分別為12.65、4.68、2.20及0.41 mm/s，相對于S0模型，S1、S2、S3模型血流速度分別降低了63.00%(7.97/12.65)、82.61%(10.45/12.65)和96.76%(12.24/12.65)。

當(dāng)乙狀竇憩室內(nèi)血流速度為0.05 m/s時，植入支架前乙狀竇憩室遠側(cè)壁受到血流明顯沖擊，植入支架后血管內(nèi)血流只能沿支架孔隙進入憩室，且支架孔率越低，乙狀竇憩室遠側(cè)壁受沖擊面積越小，越能起到保護乙狀竇憩室的作用，見圖4。

2.2 支架孔率對血流動力學(xué)應(yīng)力條件的影響 在無支架植入模型S0中，乙狀竇憩室遠側(cè)壁因受較大速度血流沖擊出現(xiàn)局部高壓力區(qū)和高WSS區(qū)，且壓力及壁面切應(yīng)力最大值均位于憩室頸周圍。植入支架后，乙狀竇憩室遠側(cè)壁異常的高壓力區(qū)、高WSS區(qū)面積逐漸減小，整個憩室內(nèi)壁壓力、WSS分布趨于均勻。隨著支架孔率降低，乙狀竇憩室低WSS區(qū)面積逐漸增大，S2與S3模型整個憩室?guī)缀蹙鶠榈蚖SS。S0、S1、S2、S3模型乙狀竇憩室內(nèi)壓力分別為64.04、63.86、62.54及60.95 Pa。見圖5、6。

3 討論

3.1 乙狀竇憩室相關(guān)PT的研究現(xiàn)狀 PT是指在缺乏外界聲源刺激下，患者耳內(nèi)或顱內(nèi)感覺到的具有節(jié)律的異常聲音，嚴重耳鳴使患者產(chǎn)生焦慮、抑郁情緒甚至自殺傾向。治療乙狀竇憩室相關(guān)PT的主要方法包括：①經(jīng)乳突入路乙狀竇骨壁重建術(shù)，臨床應(yīng)用廣泛，但在操作過程中有損傷血管壁造成出血和使靜脈竇回流受阻繼發(fā)顱內(nèi)高壓的風(fēng)險[5]；②血管腔內(nèi)介入治療，包括彈簧圈栓塞術(shù)和支架植入術(shù)，具有微創(chuàng)、手術(shù)成功率高、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率低和恢復(fù)快等優(yōu)點[6]。目前認為乙狀竇憩室內(nèi)渦流形成是導(dǎo)致PT的基礎(chǔ)[3]，推測外科手術(shù)或血管腔內(nèi)介入治療可通過消除憩室內(nèi)渦流而達到治療目的。單純支架植入術(shù)治療乙狀竇憩室相關(guān)PT效果較好，但其具體血流動力學(xué)機制尚不清楚。明確支架孔率對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)狀況的影響，對于優(yōu)化PT臨床治療決策具有重要意義。

圖3 乙狀竇憩室內(nèi)血流速度流線圖 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型 圖4 乙狀竇憩室內(nèi)血流速度等值面圖(速度為0.05 m/s，紅色部分為速度等值面) A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型

圖5 乙狀竇憩室內(nèi)壓力分布云圖 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型 圖6 乙狀竇憩室內(nèi)WSS分布云圖 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型

3.2 血流動力學(xué)研究方法的選擇 CFD是對計算機技術(shù)構(gòu)建的個體化或理想化模型進行血流動力學(xué)數(shù)值模擬的研究方法，具有操作方便、成本低、周期短等優(yōu)點，已被廣泛用于臨床研究血管性疾病。人體硬腦膜靜脈竇幾何構(gòu)型復(fù)雜，走行紆曲，支架虛擬植入個體化乙狀竇憩室模型具有一定難度。本研究通過對真實的乙狀竇幾何形態(tài)進行簡化，構(gòu)建出具有生理解剖特點的理想化乙狀竇憩室模型，以便于虛擬植入支架。理想化血管模型弱化甚至去除了真實血管的一些形態(tài)特征，在血流動力學(xué)定量分析方面具有一定局限性，但可定性分析支架孔率對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)影響的變化趨勢。

3.3 血流動力學(xué)比較

3.3.1 血液流動變化 本研究結(jié)果顯示，植入支架前，血流直接沖擊乙狀竇憩室頸遠側(cè)進入憩室，沿順時針方向在憩室內(nèi)形成復(fù)雜渦流，從憩室頸近側(cè)流出，且憩室內(nèi)血流速度較快，與Amans等[7]報道的5例個體化乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)表現(xiàn)一致，提示本研究所用理想化乙狀竇憩室模型計算流體力學(xué)數(shù)值模擬具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。植入支架后，血管內(nèi)的血流只能通過支架孔隙進入乙狀竇憩室，對乙狀竇憩室頸遠側(cè)壁的沖擊減少。Li等[8]認為乙狀竇憩室頸遠側(cè)壁長期受高速血流沖擊可繼續(xù)生長，鄰近乙狀竇溝骨質(zhì)也會吸收變薄甚至缺損。筆者認為通過植入支架減少血流對乙狀竇頸遠側(cè)壁的沖擊，可在一定程度上避免乙狀竇憩室的繼續(xù)擴張及乙狀竇溝骨質(zhì)吸收，對預(yù)防PT病情進一步加重具有重要意義。

植入支架后，乙狀竇憩室內(nèi)血液渦流明顯減少，流線變少而簡單，且支架孔率越低，憩室內(nèi)血液渦流越少，流線越簡單；乙狀竇憩室內(nèi)血流速度減慢，植入孔率為75%、50%、25%的支架后，乙狀竇憩室血流平均速度分別降低了63.00%(7.97/12.65)、82.61%(10.45/12.65)和96.76%(12.24/12.65)。Han等[9]分析1例上游靜脈竇狹窄伴乙狀竇憩室PT患者支架成形術(shù)前后靜脈竇內(nèi)血流動力學(xué)改變，認為上游靜脈竇狹窄和乙狀竇憩室導(dǎo)致的血液渦流是引發(fā)PT的重要原因。本研究結(jié)果提示低孔率支架可有效減少乙狀竇憩室內(nèi)血液渦流，從而減輕或消除PT；低孔率支架可顯著降低憩室內(nèi)血流速度，減少血管與憩室之間的血流交換，起到隔離憩室的作用，并利于憩室內(nèi)血栓形成[10]。

3.3.2 血流動力學(xué)應(yīng)力變化 研究[11]報道，血管分叉處頂端或彎曲血管外側(cè)壁具有異常高的血流動力學(xué)應(yīng)力，即高壓力及高WSS，可導(dǎo)致外向血管重塑，這也解釋了乙狀竇憩室常見于橫竇-乙狀竇交界前、外側(cè)壁的原因[12]。本研究構(gòu)建的理想化乙狀竇憩室模型近似乙狀竇生理彎曲特性，進行CFD數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)乙狀竇憩室頸遠側(cè)壁壓力及WSS較高，提示該部位承受較強血流沖擊。植入支架后，乙狀竇憩室內(nèi)壓力值無顯著改變，但乙狀竇憩室遠側(cè)壁的高壓力及高WSS區(qū)面積隨支架孔率降低而明顯減小甚至消失，憩室內(nèi)壓力及WSS分布趨于均勻，提示植入支架可改善乙狀竇憩室壁血流動力學(xué)應(yīng)力條件，對預(yù)防乙狀竇憩室繼續(xù)發(fā)展有一定作用。WSS是影響血栓形成的重要因素，高WSS通過促進前列環(huán)素生成和一氧化氮釋放抑制血栓形成[13]。植入低孔率支架后，乙狀竇憩室WSS顯著降低，利于憩室內(nèi)血栓形成并閉塞異常的乙狀竇憩室。

本研究結(jié)果表明低孔率支架能明顯改善乙狀竇憩室內(nèi)血液流動和血流動力學(xué)應(yīng)力條件，但真實臨床情況復(fù)雜，單純降低支架孔率并不能提高療效。在紆曲復(fù)雜的血管中，低孔率支架的柔順性差；金屬覆蓋率高，易誘發(fā)過度的血管內(nèi)膜增生反應(yīng)，導(dǎo)致術(shù)后再狹窄風(fēng)險提高。解決上述問題有賴于材料學(xué)上的進一步突破以及合理設(shè)計支架參數(shù)。在今后應(yīng)細化支架孔率梯度并進行定量分析，著眼于支架構(gòu)型、網(wǎng)絲截面、直徑等其他支架參數(shù)及個體化乙狀竇憩室模型血流動力學(xué)，為優(yōu)化設(shè)計臨床適用的靜脈竇支架提供依據(jù)。