顱內(nèi)破裂動脈瘤的血流動力學(xué)特征：基于流固耦合技術(shù)的計算流體力學(xué)模擬分析

鄒成功 唐 輝 邵 川 王瀟婭 孫 謀 楊 榮 章 濤 何家全

顱內(nèi)動脈瘤破裂是導(dǎo)致蛛網(wǎng)膜下腔出血的主要原因[1]，病死率與致殘率極高，約一半以上的存活病人會遺留嚴重的后遺癥[2]。目前，顱內(nèi)動脈瘤破裂的具體機制雖未完全搞清楚，但是一般認為血流動力學(xué)變化是關(guān)鍵因素。目前的研究多涉及對比分析顱內(nèi)破裂動脈瘤與顱內(nèi)未破裂動脈瘤之間的血流動力學(xué)或形態(tài)學(xué)的差別，缺少顱內(nèi)動脈瘤破裂點與瘤囊的血流動力學(xué)所致動脈瘤形態(tài)變化的對比分析[3]，原因主要是CTA、DSA 等血管成像技術(shù)只能間接確認顱內(nèi)動脈瘤破裂點且不準確。目前，最準確的判斷顱內(nèi)動脈瘤破裂點的方法是在開顱夾閉術(shù)中充分暴露動脈瘤而直接顯露破裂點，但是術(shù)中顯微鏡下觀察很難判斷破裂點與瘤囊的血流動力學(xué)變化。目前，計算機流固耦合技術(shù)已廣泛應(yīng)用于模擬分析顱內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)特征。本文基于術(shù)前CTA、DSA 檢查對動脈瘤進行三維重建，結(jié)合術(shù)中顯微鏡下確定的動脈瘤破裂點確切位置，應(yīng)用流固耦合技術(shù)模擬分析破裂點血流動力學(xué)特征及其對應(yīng)的動脈瘤形態(tài)變化。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入標準：①兩名神經(jīng)外科醫(yī)生在動脈瘤夾閉術(shù)中或手術(shù)高清錄像視頻中能確定破裂點；②術(shù)前3D-CTA、DSA 數(shù)據(jù)能通過軟件重建高質(zhì)量三維模型。排除標準：臨床數(shù)據(jù)不齊全；動脈瘤三維重建困難；破裂點顯示不清楚。

2018年1月至2019年6月收治顱內(nèi)破裂動脈瘤159 例，根據(jù)納入標準最終入選21 例且均為單一動脈瘤，其中男5 例，女16 例；年齡49～75 歲，平均（63.97±9.30）歲；長期吸煙史6 例，長期飲酒史4 例，高血壓病史6 例，糖尿病病史2 例；術(shù)前Hunt-Hess分級Ⅰ級9例，Ⅱ級8例，Ⅲ級3例，Ⅳ級1例。

1.2 動脈瘤形態(tài)學(xué)特征21個動脈瘤瘤體寬度3.40～7.80 mm，平均（5.19±1.10）mm；瘤體長度4.10～8.70 mm，平均（6.14±1.02）mm；瘤頸寬度2.40～7.20 mm，平 均（3.99±1.12）mm。AR 比 值0.89～2.25，平 均（1.60±0.28）；動脈瘤形態(tài)規(guī)則9個，不規(guī)則12個。

1.3 破裂點和瘤囊的部位定義 破裂點：開顱夾閉術(shù)中或錄像能觀察到明顯的破口或不完整的非常薄的動脈瘤壁，與血腫、白色血栓或者周圍組織緊密處。瘤囊：動脈瘤壁異常突起的囊性部分，本文取瘤頂與瘤頸連線中軸部位。

1.4 影像數(shù)據(jù)處理

1.4.1 顱內(nèi)動脈瘤三維模型的建立 CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIMIAS 1.8 軟件，重建模型；DSA 三維數(shù)據(jù)在SIEMENS Artis Zeego工作站生成高質(zhì)量的三維模型；二者均以標準模板庫STL格式保存。

1.4.2 顱內(nèi)破裂動脈瘤破裂點標記 根據(jù)CTA、DSA數(shù)據(jù)重建的三維模型，兩名神經(jīng)外科血管組醫(yī)生根據(jù)術(shù)中或手術(shù)高清錄像視頻，通過三維旋轉(zhuǎn)功能，在多個投影位置，仔細核對動脈瘤部位、大小、形狀、瘤頸寬度、瘤體長度及載瘤動脈直徑，確定破裂點的具體部位。

1.4.3 網(wǎng)格劃分 將前述顱內(nèi)動脈瘤模型的STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS 19.1 中ICEM 模塊，進行動脈瘤壁和載瘤動脈的體網(wǎng)格劃分，進行光滑化及非結(jié)構(gòu)三面體網(wǎng)格化分。

1.4.4 邊界調(diào)節(jié)設(shè)置 利用ANSYS 分析軟件進行血流動力學(xué)模擬，設(shè)置邊界條件，如入口、出口及動脈瘤耦合壁等。在Fluent模塊中設(shè)置載瘤動脈與動脈瘤壁為線彈性材料，密度為1 150 kg/m3；血管壁的彈性模量采用E=1.4e6pa，泊松比u=0.45[4]；設(shè)置動脈壁厚度為0.46 mm，動脈瘤壁厚度為0.24 mm[5]；設(shè)置血液密度為1 055 kg/m3，血液粘滯度為0.0035 kg/ms；血液流動情況采用標準的湍流模型，利用經(jīng)顱多普勒超聲擬合得到的入口處的瞬時速度曲線；根據(jù)術(shù)中確定的破裂點及瘤囊在模型上的標記，設(shè)置Simple 壓力-速度耦合方式，二階精度迎風流場動量與湍動能離散格式，取時間步長為0.01 s。設(shè)置好所有參數(shù)后通過Workbench 和Fluent 模塊進行雙向流固耦合計算得出動脈瘤囊及破裂點的壁剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）、切應(yīng)力震蕩指數(shù)（oscillatory shear index，OSI），并得出動態(tài)形變結(jié)果。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 22.0軟件分析；計數(shù)資料采用χ2檢驗；計量資料采用±s表示，采用t檢驗；P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

正常情況下，動脈血管呈白色。術(shù)中顯微鏡下觀察動脈瘤載瘤動脈及破裂點位置，可見破裂口菲薄，清晰可見血流（圖1A）。血流動力學(xué)流線圖顯示，靠近血管中央的流速最快，靠近血管壁的流速減慢；在動脈瘤囊內(nèi)形成漩渦模式，破裂點處的血流減少、流速明顯減慢（圖1B）。動脈瘤破裂點WSS[（0.215±0.047）Pa]明顯低于動脈瘤囊的WSS[（0.463±0.148）Pa；P＜0.001；圖1C]，但是動脈瘤破裂點OSI（0.035±0.024）與和動脈瘤囊OSI（0.030±0.016）無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05；圖1D）。

圖1 顱內(nèi)破裂動脈瘤破裂點和瘤囊術(shù)中顯微鏡下觀察和血流動力學(xué)變化

在一個正常的心動周期當中，隨著血流動力學(xué)的變化，動脈瘤形態(tài)出現(xiàn)規(guī)律的變化，載瘤動脈及動脈瘤的形態(tài)變化存在明顯差異，即動脈瘤兩側(cè)壁的形態(tài)變化相對較小，動脈瘤破裂點處形態(tài)變化明顯（圖2）。

圖2 計算流體力學(xué)模擬分析一個心動周期的動脈瘤壁的形態(tài)變化情況

3 討論

近年來，動脈瘤血流動力學(xué)模擬研究日益成熟，基于病人個體化影像數(shù)據(jù)建模，進行流固耦合模擬更加接近真實，也已成為顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)研究的理想方法，但目前的研究主要集中在破裂動脈瘤與未破裂動脈瘤的區(qū)別。本研究考慮到血流、血壓等差異，根據(jù)病人經(jīng)顱彩色多普勒超聲個體化動態(tài)血流動力學(xué)特征進行模擬，破裂點的位置是術(shù)中確定的，在個體三維重建模型上標記并通過血流動力學(xué)模擬分析，結(jié)果顯示破裂點血流動力學(xué)特征與動脈瘤瘤囊不同，破裂點WSS 明顯低于動脈瘤囊，提示W(wǎng)SS降低與動脈瘤破裂有關(guān)。這與Shojima等[6]研究結(jié)果相一致，其研究結(jié)果表明大腦中動脈分叉處WSS 較高，破裂動脈瘤頂部WSS 較低，推測WSS降低促進動脈瘤生長和觸發(fā)動脈瘤破裂，另外破裂點的特點是WSS 低且流速也低。Muthachen 等[7]對顱內(nèi)動脈瘤壁內(nèi)膜壞死區(qū)域進行顯微病理觀察，結(jié)果表明動脈壁供血不足可引起內(nèi)膜組織壞死，最終導(dǎo)致動脈瘤破裂。局部較低的血流速度可能導(dǎo)致破裂點WSS 降低，低WSS 可以增加炎性細胞浸潤，促進內(nèi)皮通透性破壞，從而影響血管壁的重塑功能，進而導(dǎo)致動脈瘤破裂[8]。因此，低WSS 在動脈瘤破裂中起著重要作用。

本研究OSI 反應(yīng)的是血流的震蕩水平，即反應(yīng)血流強度和方向改變，其與WSS 沒有確切相關(guān)性。有研究結(jié)果證實動脈瘤部分區(qū)域OSI增高會導(dǎo)致血液流動穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致相應(yīng)部位血管內(nèi)皮細胞功能變異，血管完整性破壞導(dǎo)致動脈瘤破裂風險增高[9]。本研究動脈瘤頂端雖然有散在區(qū)域呈現(xiàn)高OSI，但未發(fā)現(xiàn)其與動脈瘤破裂點存在明確相關(guān)性，可能此處的血流動力學(xué)存在短暫而輕微的不穩(wěn)定性，而這種變化未能起到?jīng)Q定性作用。

本研究也存在一定局限性。首先，臨床樣本量少，結(jié)果可能缺乏穩(wěn)健性。其次，該研究為離體仿真實驗，可能因模型的失真或軟件本身的計算存在偏差。

總之，顱內(nèi)動脈瘤破裂點與瘤囊的血流動力學(xué)存在差異。相較動脈瘤瘤囊，動脈瘤破裂點的WSS更低，但形變更明顯，提示顱內(nèi)動脈瘤破裂與WSS成負相關(guān)，而與形變成正相關(guān)，這可為臨床預(yù)判未破裂動脈瘤破裂風險提供參考。