顱內動脈瘤Enterprise支架輔助彈簧圈栓塞術后的血流動力學變化：基于計算流體力學分析

張少杰 白三莉 劉 洋 趙曰圓 楊 銘 潘 力 馬廉亭

顱內動脈瘤破裂所致的蛛網(wǎng)膜下腔出血是最嚴 重的卒中類型之一，病死率和致殘率很高[1]。研究顯示，顱內動脈瘤破裂后30 d內的病死率高達50%，約1/3的幸存者留有不同程度的神經(jīng)功能障礙[2]。血流動力學在動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂中起重要作用[3]。術中只能定性觀察動脈瘤的血流動力學改變，而基于計算流體力學的數(shù)值模擬技術可實現(xiàn)血流動力學參數(shù)數(shù)值化，可定量分析動脈瘤治療前后的血流動力學變化[4，5]。本文采取計算流體力學方法分析顱內破裂動脈瘤Enterprise 支架輔助彈簧圈栓塞前后血流動力學的改變，為顱內動脈瘤的治療提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入標準：DSA 確診為顱內動脈瘤；采用Enterprise支架輔助彈簧圈栓塞治療；病人或法定代理人知情同意行血流動力學檢測。排除標準：非Enterprise支架輔助彈簧圈治療或手術夾閉。

2021年3～8月共納入符合標準的顱內動脈瘤24例，其中男11例，女13例；年齡27～78歲，平均55.25歲；大動脈瘤（>10 mm）4 例，小動脈瘤（3～10 mm）18例，微小動脈瘤（<3 mm）2 例；前交通動脈動脈瘤7例，頸內動脈動脈瘤12 例，大腦中動脈動脈瘤2 例，椎動脈動脈瘤3 例。破裂動脈瘤14 例，術前Hunt-Hess分級Ⅰ級7例，Ⅱ級5例，Ⅲ級2例。

1.2 治療方法 未破裂動脈瘤術前3～5 d口服雙重抗血小板藥物治療[拜阿司匹林片（100 mg/d）+鹽酸氯吡格雷片（75 mg/d）]。手術前后監(jiān)測血小板彈力圖[6]。首先，局麻下經(jīng)皮經(jīng)股動脈穿刺行全腦血管造影明確診斷。然后，全麻下并全身肝素化，行Enter?prise 支架輔助彈簧圈栓塞治療。術后即刻CT 檢查排除出血及缺血事件[7]。術后當日適量鹽酸替羅非班靜脈泵入[8]，將血壓平穩(wěn)控制在正常水平的情況下，常規(guī)使用尼莫地平持續(xù)經(jīng)微量泵靜脈注入。破裂動脈瘤，視情況行腰椎穿刺術或腰大池置管引流術。術后次日口服或經(jīng)胃管鹽酸氯吡格雷片（75 mg/d，3個月）和拜阿司匹林片（100 mg/d，6個月）。

1.3 血流動力學數(shù)值模擬 采用神經(jīng)外科專用SIE?MENS雙C臂大平板DSA機完成介入手術，通過西門子工作站導出術后即刻DSA數(shù)據(jù)的DICOM格式，導入開源CFD 軟件OpenFOAM 進行網(wǎng)格生成和CFD計算。首先，對血管模型及血流狀態(tài)進行假設：血管剛性壁，血液為在等溫、層流（雷諾系數(shù)<2 000）狀態(tài)下的不可壓縮牛頓流體，由非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes 方程近似血流流動。血液密度設置為1 060 kg/m3，血液粘滯度設置為0.004 Ns/m2。其次，由于個體特異性的血流條件無法實時獲取，因此，從CFD計算所通用參考的文獻中獲得的正常人群的標準數(shù)據(jù)作為輸入邊界條件[9，10]，出口設置為0壓力狀態(tài)。最后，計算時長設定持續(xù)3 個心動周期，第三個周期的結果可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，每個周期設定100 個時間步長。收集第三個心動周期的數(shù)值進行分析。分析參數(shù)為壁面剪切力（wall shear stress，WSS）、均一化WSS（normalized WSS，NWSS）[11]，WSS分布梯度（WSS gra?dient，WSSG）[12]，流線方向WSSG（streamwise WSSG，SWSSG）[13]，歸一化壓力（normalized pressure，NP）、剪切力震蕩指數(shù)（oscillatory shear index，OSI）[14]。

1.4 統(tǒng)計學方法 應用SPSS 25.0軟件分析，正態(tài)分布計量資料以表示，采用t檢驗；非正態(tài)分布計量資料采用Wilcoxon 秩和檢驗；以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 治療結果24 例（24 個動脈瘤）應用24 枚Enter?prise支架。術后即刻造影顯示Raymond分級Ⅰ級18例，Ⅱ級6例。

2.2 顱內動脈瘤栓塞后血流動力學的變化 栓塞后WSS、NWSS、NWSS 最小值、WSSG、WSSG 最小值均明顯升高（P<0.05），WSSG 最大值明顯降低（P<0.05）。詳見表1、圖1。

表1 本文24例顱內動脈瘤Enterprise支架輔助彈簧圈栓塞術前后血流動力學參數(shù)比較

圖1 應用計算流體力學的數(shù)值模擬技術分析顱內動脈瘤Enterprise支架輔助彈簧圈栓塞前后瘤腔和載瘤動脈的血流動力學

3 討論

Enterprise 支架是一種用于治療顱內寬頸動脈瘤的環(huán)閉自膨式鎳鈦合金支架，釋放簡單，可回收，金屬覆蓋率約為8%，網(wǎng)眼孔徑為2*2 mm，可有效阻止彈簧圈脫出，有效降低復發(fā)率。2005 年，Higashida 等[15]首次報道應用Enterprise 支架輔助彈簧圈栓塞治療顱內動脈瘤。經(jīng)過10 余年的臨床應用，反復驗證其安全性及有效性。目前，顱內動脈瘤支架置入血管內之后的血流動力學的改變尚不清楚。劉建民[16]提出血管重建和血流重構的概念。相比較單純彈簧圈栓塞而言，支架輔助彈簧圈能提供金屬支撐，更好地達到血管重建的目標，并且隨時間進展，支架逐漸擴張到最大程度，可部分帶動載瘤動脈的擴張導致血流重構。有研究證實，載瘤動脈在支架的作用下僅擴張6%，就可導致22%的血流量提升，也導致血流重構[17]。

本文通過對比Enterprise 支架輔助彈簧圈栓塞前后血流動力學的特點，分析相關血流動力學參數(shù)改變及載瘤動脈血流形式改變，從量化角度說明Enterprise 支架內血流動力學特點，結果顯示：①速度流線圖的血流軌跡顯示，與支架置入前相比，在支架輔助彈簧圈栓塞后，瘤腔內的血流減少了，血流對瘤體壁的沖擊力降低了，瘤腔內的血液速度明顯降低或消失，載瘤動脈血流方式由復雜向簡單、由渦流向層流轉變。這對于減小血流對瘤體壁的沖擊、促進血液中脂類物質和細胞的沉積、加速血栓化的進程，從而固化瘤體壁以防止其破裂是有利的；同時由于瘤腔內血流速度的降低，形成的血栓將逐漸累積并發(fā)生機化，達到治療的目的。

②WSS描述血管壁切向所受的牽拉力。本文結果顯示，與支架置入前相比，在支架輔助彈簧圈栓塞后，載瘤動脈的血流從渦流狀態(tài)轉變?yōu)檩^穩(wěn)定的層流狀態(tài)，一方面穩(wěn)定瘤腔內的血流，降低對瘤體壁面的沖擊，導致低WSS范圍的縮??；另一方面，血流被支架和彈簧圈阻擋，以及支架擴張帶動載瘤動脈擴張所導致的血流重建，在一定程度上加速瘤體壁處血液的血栓化進程，從而加固瘤體壁，降低瘤體進一步擴大和破裂的風險，達到預期治療效果。

③NWSS 為動脈瘤區(qū)域的平均壁面剪切力與載瘤動脈平均壁面剪切力之比。既往研究報道，NWSS降低與動脈瘤生長相關。術后隨著動脈瘤低WSS面積的降低，NWSS 也隨之增大。本文結果顯示支架輔助栓塞后NWSS 最小值明顯升高，均值明顯升高，從側面支持該參數(shù)的降低與動脈瘤增大相關。

④WSSG 用于描述壁面剪切力變化梯度。既往研究顯示高WSS和高WSSG的組合被證明可觸發(fā)動脈瘤的發(fā)生[12]。本文結果顯示，術后WSSG最小值明顯升高、最大值明顯降低和均值明顯升高。支架輔助彈簧圈栓塞動脈瘤后，載瘤動脈趨于正常，WSSG相對升高，一定程度上說明術前低WSSG 與動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展相關。與既往研究有差別，該觀點可能需要進一步研究證明。

⑤SWSSG 表示壁面剪切力在血流方向上變化梯度。有研究顯示高SWSSG 和WSS 結合是動脈瘤形成危險因素[13]。NP 指血管壁直接受到血流在垂直方向上的壓力，壓力越大，瘤內的壓力作用于瘤壁產(chǎn)生的牽張應力越大。OSI 衡量心動周期內壁面剪切力的變化幅度，OSI 越大，促進動脈瘤生長及破裂風險越高；穩(wěn)定的未破裂的動脈瘤，OSI 數(shù)值較低[14]。但是，本文未發(fā)現(xiàn)術后SWSSG、NP、OSI 明顯改變。

綜合所述，Enterprise 支架輔助彈簧圈栓塞在降低瘤腔內血流速度的方面具有一定的作用，并且可以改變瘤腔內和載瘤動脈流體狀態(tài)，從而實現(xiàn)血流重構，改變血流對瘤體壁持續(xù)沖擊，對薄弱的動脈瘤囊壁起到一定的保護和治療作用。但是，值得注意的是，除了血流速度、WSS、NWSS、WSSG、SWSSG、NP、OSI 之外，還有包括低壁面剪切力區(qū)域、歸一化血流動力學參數(shù)組合、相對阻滯時間、動脈瘤生長高風險因子等血流動力學參數(shù)，同樣在動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展、破裂等方面起著重要的作用。