Stanford B 型主動(dòng)脈夾層計(jì)算機(jī)仿真研究進(jìn)展

林奕城， 郭 立， 陳娜娜

主動(dòng)脈夾層（aortic dissection，AD）是由主動(dòng)脈內(nèi)膜破裂、血液從內(nèi)膜裂口進(jìn)入后撕裂主動(dòng)脈形成真腔與假腔的疾病［1］。臨床應(yīng)用較為廣泛的Stanford分型， 將內(nèi)膜裂口發(fā)生在降主動(dòng)脈者稱為Stanford B 型AD。 患者一旦出現(xiàn)并發(fā)癥如主動(dòng)脈破裂或分支血管灌注不良，必須予以緊急手術(shù)或血管腔內(nèi)修復(fù)治療［2］。 研究表明，血流動(dòng)力學(xué)因素對(duì) AD 患者分類、治療和預(yù)后有著重要價(jià)值，但臨床上詳實(shí)的血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)不易獲?。?-5］。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷應(yīng)用和發(fā)展， 采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法模擬AD 病變已成為獲取其血流動(dòng)力學(xué)信息較為可靠的替代方法之一。 通過CFD 技術(shù)可更好地了解血流動(dòng)力學(xué)因素在AD發(fā)生和發(fā)展中所起的作用， 并為臨床診治提供重要依據(jù)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著流體力學(xué)、 有限元分析等技術(shù)快速發(fā)展，許多學(xué)者開始對(duì)主動(dòng)脈和主動(dòng)脈疾病進(jìn)行大量研究，并建立一系列數(shù)字模型，這使主動(dòng)脈疾病CFD模擬成為可能。 同時(shí)，隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力不斷提升，主動(dòng)脈疾病CFD 研究經(jīng)歷了從簡化的理想模型到復(fù)雜的個(gè)體化真實(shí)模型過程［6］。 近期研究中不少學(xué)者采用彈性壁模型模擬主動(dòng)脈管壁，多相非牛頓流體模擬血流與主動(dòng)脈管壁間相互作用，以期得到更貼近真實(shí)人體的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果［3，7-8］。

1.1 血流動(dòng)力參數(shù)觀測

計(jì)算機(jī)仿真可獲取的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有很多。就Stanford B 型AD 而言，血液流速、壁面壓力及壁面剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）等是目前研究較多的參數(shù)，其中WSS 是廣受關(guān)注的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)［9］。 WSS 由血液在血管中流動(dòng)而產(chǎn)生，作用于管腔表面摩擦力［10］。WSS 在主動(dòng)脈疾病發(fā)病原因和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測中均有重要參考價(jià)值［11-12］。有研究表明，WSS 可影響血管炎性因子表達(dá)，在動(dòng)脈疾病發(fā)生發(fā)展中可能起到關(guān)鍵作用［13］。目前在臨床和基礎(chǔ)研究中常用的由WSS衍生之血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有時(shí)均WSS（time-averaged WSS，TAWSS）和振蕩剪切指數(shù)（oscillatory shear index，OSI）。 然而目前對(duì)AD 病理生理學(xué)機(jī)制尚未完全了解，因此尚不清楚在CFD 模擬中獲取的最有用參數(shù)是什么， 這也在一定程度上影響了相關(guān)研究進(jìn)展。

1.2 幾何模型建立

研究者初期是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立規(guī)則的幾何模型（理想化模型）。 但由于血流動(dòng)力學(xué)變化與血管局部幾何形態(tài)特征密切相關(guān)，理想化模型所獲結(jié)果與臨床實(shí)際存在不小差別。 因此，構(gòu)建個(gè)性化真實(shí)血管模型可獲得更精確的模擬結(jié)果。Karmonik 等［14］2008 年首次建立個(gè)性化真實(shí) AD 血管模型以來，目前多數(shù)研究是通過CT 或MRI 等成像技術(shù)采集的圖像數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)血管進(jìn)行逆向三維重建，并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化和修正，使所獲幾何模型非常貼近真實(shí)人體血管，這大大提高了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 材料屬性與邊界條件

正常主動(dòng)脈管壁是一種具有生物活性且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈性體。 目前對(duì)如何通過數(shù)據(jù)定義主動(dòng)脈管壁特性尚無共識(shí)， 鑒于主動(dòng)脈管壁特性復(fù)雜性，早期研究者常將動(dòng)脈管壁簡化為剛性、 無滑移的壁面，即稱為剛性壁模型。 但真實(shí)的主動(dòng)脈管壁會(huì)受血流作用產(chǎn)生形變和運(yùn)動(dòng)，剛性壁模型則忽略了這種相互作用，致使其仿真結(jié)果與真實(shí)情況間存在一定差別。

為解決上述問題，越來越多研究采用基于任意Lagrangian-Eulerian 方法對(duì)血液和血管壁間關(guān)系進(jìn)行流固耦合模擬， 以期得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。Alimohammadi 等［3］及 Qiao 等［7］報(bào)道對(duì) Stanford B 型AD 分別制作剛性壁模型和流固耦合模型并進(jìn)行CFD 模擬分析，模擬結(jié)果對(duì)比分析顯示，流固耦合模型模擬所得TAWSS 絕對(duì)值及分布與剛性壁模型所得相比差異不大， 但OSI 分布卻存在顯著差異。值得注意的是，將管壁設(shè)定為彈性材料雖可獲取較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果， 但會(huì)明顯增加計(jì)算所需時(shí)間。有研究顯示1 例剛性壁仿真所需時(shí)間約12 h，而流固耦合模擬則需約170 h 方能完成， 為此可采用新型建?！扒度胧骄W(wǎng)格方法”進(jìn)行流固耦合模擬，通過簡化 CFD 模型縮短計(jì)算所需時(shí)間［15］。 然而剛性壁模型計(jì)算成本低、完成時(shí)間快，且在一些參數(shù)（如TAWSS）模擬上與流固耦合模型相差不大，因此在近年研究中仍被應(yīng)用［16-17］。

血液的主要成分為血漿和血細(xì)胞，是一種成分復(fù)雜的多組分非牛頓流體。 目前多數(shù)研究將血液作為不可壓縮的牛頓流體，但也有學(xué)者開始采用非牛頓流體模型進(jìn)行研究，并取得一些新研究成果。 Liu等［18］研究發(fā)現(xiàn)非牛頓多相血流會(huì)影響氧氣和低密度脂蛋白運(yùn)輸以及動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生和進(jìn)展，因此認(rèn)為對(duì)血液成分分布進(jìn)行計(jì)算，采用多相模型必不可少。 Qiao 等［7］報(bào)道采用雙相非牛頓流體模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)單相模型WSS 通常低于兩相模型WSS。此外，Tse 等［19］研究指出血液內(nèi)紅細(xì)胞分布和聚集與血栓形成有關(guān)，故應(yīng)將紅細(xì)胞當(dāng)作固體顆粒行兩相模型模擬，方能更好地反映血液內(nèi)紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和分布情況，這是單相模型無法實(shí)現(xiàn)的。

血液在主動(dòng)脈內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)可大致分為層流和湍流兩種。 通常情況下，可用雷諾數(shù)對(duì)血流狀態(tài)進(jìn)行判別。 雷諾數(shù)與血流速度有關(guān)，此外血液密度、黏度及血管直徑也對(duì)雷諾數(shù)構(gòu)成影響。 一般將雷諾數(shù)小于2 300 的流動(dòng)作為層流， 如果雷諾數(shù)超過臨界標(biāo)準(zhǔn)（≥4 000）則會(huì)發(fā)生湍流。 絕大多數(shù)情況下，健康人主動(dòng)脈內(nèi)血液流動(dòng)狀態(tài)為層流。但發(fā)生AD 后，血液流動(dòng)狀態(tài)會(huì)因血管形態(tài)改變而出現(xiàn)復(fù)雜變化，例如原本血管單一管腔變成兩個(gè)管腔、真腔被擴(kuò)大的假腔逐漸壓扁甚至閉塞、假腔逐漸擴(kuò)張形成動(dòng)脈瘤樣改變、撕裂口處內(nèi)膜片隨心動(dòng)時(shí)相變化發(fā)生擺動(dòng)等。 上述這些變化均會(huì)對(duì)管腔內(nèi)血流產(chǎn)生影響，可能使得原本處于層流狀態(tài)的血流受干擾而轉(zhuǎn)變成湍流流動(dòng)。有研究通過CFD 模擬顯示夾層動(dòng)脈真腔內(nèi)血流量較少（低于假腔），其血液流動(dòng)狀態(tài)主要以層流為主［4，20］。 假腔血流量較大，其內(nèi)血流狀態(tài)常會(huì)出現(xiàn)明顯湍流或渦流。 湍流和渦流則與假腔內(nèi)血栓形成密切相關(guān)［21］。

目前，多數(shù)仿真模型邊界條件設(shè)置是參考他人研究數(shù)據(jù)或檢測結(jié)果，并未采集患者本人（個(gè)體化）數(shù)據(jù)信息，這同樣使得模擬結(jié)果與真實(shí)情況存在一定差距。 隨著影像學(xué)技術(shù)發(fā)展，這一情況也得到改善。 如今，獲取個(gè)體化邊界條件（如血流流速）已成為可能， 開始采用超聲或相位對(duì)比磁共振成像（phase-contrast magnetic resonatnce imaging，PC-MRI）獲取AD 患者血流流速信息， 并將其作為入口處邊界條件進(jìn)行設(shè)置， 所得仿真結(jié)果可與4D PC-MRI所觀測結(jié)果進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)兩者間具有良好的一致性［22］。

2 CFD 模擬 AD 臨床應(yīng)用

2.1 對(duì)AD 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

既往研究認(rèn)為，擴(kuò)大的主動(dòng)脈直徑（≥5.5 cm）在許多主動(dòng)脈疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測中為主要觀測指標(biāo)［23-24］。但近期有研究提出，主動(dòng)脈直徑可能僅在遺傳性疾病、主動(dòng)脈瓣血流異?；騽?chuàng)傷后主動(dòng)脈壁無力等情況評(píng)估中起關(guān)鍵作用，而不是在所有情況下均可發(fā)揮關(guān)鍵作用［25］。 因此，以往認(rèn)可的許多形態(tài)學(xué)方面風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測指標(biāo)或許不再適用。 這些研究進(jìn)展也提示通過檢測或計(jì)算方法獲取血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)預(yù)測病變風(fēng)險(xiǎn)可能更具有價(jià)值。 目前常用于預(yù)測或評(píng)價(jià)動(dòng)脈夾層破裂風(fēng)險(xiǎn)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)， 有低WSS、高假腔流率、真假腔間較高壓力差、高 WSS 等［26］。此外，Xenos 等［27］分析綜合血流動(dòng)力學(xué)和形態(tài)學(xué)方面多種重要預(yù)測參數(shù)，對(duì)患者特定WSS 和強(qiáng)度進(jìn)行定量映射，得到潛在破裂指數(shù)（rupture potential index，RPI），發(fā)現(xiàn)該指數(shù)值在破裂區(qū)域較高，在未破裂區(qū)域較低。

2.2 模擬臨床手術(shù)治療效果

目前對(duì)非復(fù)雜性Stanford B 型AD 首選治療為胸主動(dòng)脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)（thoracic endovascular aortic repair，TEVAR）。 該術(shù)式通過將覆膜支架植入夾層動(dòng)脈真腔并封閉夾層近端破口， 達(dá)到防止假腔繼續(xù)擴(kuò)張，促進(jìn)假腔內(nèi)血栓形成的效果［2］。 該術(shù)式已廣泛應(yīng)用于臨床，但仍存在支架移位和內(nèi)漏、術(shù)后新發(fā)破口及術(shù)后并發(fā)癥等問題。CFD 可模擬覆膜支架釋放及相應(yīng)術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)特征變化，幫助臨床醫(yī)師更好地了解TEVAR 術(shù)中所遇問題，預(yù)測術(shù)后病變轉(zhuǎn)歸和發(fā)展。Qiao 等［28］通過模擬 TEVAR 術(shù)前后急性 Stanford B 型AD 變化評(píng)估治療效果， 發(fā)現(xiàn)覆膜支架對(duì)左鎖骨下動(dòng)脈覆蓋范圍血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生較大影響。 孟莊源等［29］報(bào)道模擬 Stanford B 型 AD 覆膜支架治療過程， 以研究支架釋放位置對(duì)主動(dòng)脈WSS 分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在主動(dòng)脈弓與血管分支連接處釋放覆膜支架會(huì)使對(duì)應(yīng)血管壁承受較大應(yīng)力，易引發(fā)新的破口，因此應(yīng)避免在該位置釋放支架。 Ma 等［30］報(bào)道模擬TEVAR 術(shù)過程發(fā)現(xiàn)覆膜支架植入后引起主動(dòng)脈應(yīng)力改變，進(jìn)而損傷主動(dòng)脈管壁；認(rèn)為這可能會(huì)引起逆行Stanford A 型AD 發(fā)生。

Armour 等［16］采用 CFD 預(yù)測 TEVAR 術(shù)后 AD 血栓形成演變，發(fā)現(xiàn)預(yù)測與隨訪結(jié)果一致，且近端破口與支架遠(yuǎn)端間距離會(huì)影響血栓形成。Costache 等［31］報(bào)道對(duì)1 例復(fù)雜型Stanford B 型AD 患者采用多層血流調(diào)節(jié)器（multilayer flow modulator，MFM）治療，并采用CFD 模擬術(shù)后3 年隨訪情況，以研究術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)變化及主動(dòng)脈重塑過程。 這些研究成果為AD 治療提供了方法學(xué)支持， 有助于臨床醫(yī)師為患者提供更佳個(gè)體化治療方案。

3 展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，CFD 技術(shù)將會(huì)繼續(xù)豐富和完善， 得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。 AD 起病急驟，病情危急，這就需要臨床醫(yī)師及時(shí)準(zhǔn)確地做出臨床決策。 高性能計(jì)算機(jī)和更快、更準(zhǔn)確算法，將有助于縮短仿真模擬時(shí)間， 從而選擇最佳治療方法，確保病患得到及時(shí)治療［5，32］。 Munshi 等［26］最近提出可通過CFD 技術(shù)對(duì)AD 等疾病進(jìn)行自動(dòng)化診療及相應(yīng)工作流程，以期實(shí)現(xiàn)原始影像數(shù)據(jù)至仿真結(jié)果自動(dòng)化處理，指導(dǎo)臨床實(shí)踐。相信隨著AD 計(jì)算機(jī)仿真研究不斷深入，將會(huì)為臨床醫(yī)師和患者解決更多臨床難題。