基底動脈瘤的血液流變特性分析

黃偉，陳廣新，孫立新，張海峰

牡丹江醫(yī)學院，黑龍江 牡丹江 157011

0 引言

基底動脈瘤是一種異常的血管改變，是管腔瘤樣改變的結(jié)果，動脈瘤破裂常導致蛛網(wǎng)膜下腔出血[1-2]。隨著計算機應用的快速進步，影像檢查手段的發(fā)展，使基底動脈瘤檢出率明顯升高，使得大眾日益關(guān)注基底動脈瘤的發(fā)生發(fā)展情況，但其發(fā)病機制尚未完全闡明，目前認為血管內(nèi)部的血流動力學異常改變導致動脈瘤形成可能[3-4]。血流動力學分析是對血管各種瘤體問題進行后處理分析的新興手段，通過數(shù)值模擬與計算機結(jié)合，分析各類參數(shù)指標研究血流變化情況[5-6]。本文通過對基底動脈瘤組與對照組的MRA影像原始圖像進行三維重建及網(wǎng)格劃分等步驟，分析動脈瘤的血液流變特性，為臨床醫(yī)生治療基底動脈瘤提供參考與借鑒指導。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集基底動脈瘤及正?；讋用}的MRA圖像各25例，于牡丹江醫(yī)學院附屬紅旗醫(yī)院放射科進行原始影像數(shù)據(jù)采集。檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用國際通用DICOM格式，進行光盤存儲。研究內(nèi)容經(jīng)牡丹江醫(yī)學院醫(yī)學倫理委員會審查、批準，患者或患者家屬簽署知情同意書。

1.2 基底動脈三維模型重建

將基底動脈瘤組及對照組DICOM格式薄層影像圖像數(shù)據(jù)導入MIMICS軟件（比利時，Materialise公司），橫、冠及矢狀位圖像進行分區(qū)處理，使用閾值分割功能，使基底動脈及臨近血管區(qū)域與其他腦血管、腦實質(zhì)組織進行區(qū)分，初步獲得感興趣區(qū)域，為保證數(shù)據(jù)提取準確度，將模型與原始影像數(shù)據(jù)進行比照分析，后對圖像進行3D預覽，通過區(qū)域增長等工具獲取基底動脈模型。模型格式保存為STL，進入3-MATIC軟件（比利時，Materialise公司）中進行模型光滑處理，并進行模型質(zhì)量診斷，得到合格模型后保存。

1.3 網(wǎng)格劃分

將達標模型導入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件中進行模型出入口定義，對模型面及體網(wǎng)格處理，并進行優(yōu)化處理。設置模型屬性為流體，為后續(xù)計算分析做準備。為使計算結(jié)果更具準確性，對模型進行5層邊界層加密處理。

1.4 邊界條件與計算設置

本次數(shù)值模擬計算分析假設基底動脈管壁為剛性，將血液狀態(tài)設置為層流，血流定義為牛頓流體屬性[7]?；讋用}血管管壁邊界條件設定為兩個速度入口（如圖1）及一個壓強出口（如圖2），出口處暫未考慮質(zhì)量損失情況。本次研究設定血液密度ρ=1056kg/m3，設置血液黏度為4g/（m·s），計算運行過程使用Fluent（ANSYS，美國）軟件[8]。

圖1 速度入口曲線

圖2 壓強出口曲線

1.5 血流動力學參數(shù)指標選取

目前認為動脈瘤形成及發(fā)生發(fā)展過程中與血流動力學因素密切相關(guān)，故本次研究選取動脈瘤發(fā)生指數(shù)（aneurysm formation indicator,AFI）、梯度震蕩數(shù)值（gradient oscillatory number,GON）及震蕩剪切系數(shù)（oscillatory shear stress,OSI）三項指標進行說明分析[9]。血液在血管內(nèi)部流動過程中對內(nèi)壁進行摩擦，這種切向力稱之為壁面切應力。AFI是WSS在心動周期內(nèi)方向變化的量化值，是指任意時間段壁面切應力的瞬時向量方向與時間平均WSS向量夾角的表示[10]。OSI為無單位參數(shù)指標，其大小位于0～1之間，其數(shù)值越大，代表壁面切應力方向變化較大，但其大小與壁面切應力大小無緊密聯(lián)系，多用作描述血管內(nèi)部區(qū)域流場的干擾情況[11]。GON是表示血管內(nèi)皮細胞所受到的震蕩與壓縮情況，其值越大代表在該心動周期內(nèi)，該區(qū)域的內(nèi)皮細胞所受到的震蕩和壓縮程度越重[12]。

2 結(jié)果

2.1 動脈瘤發(fā)生指數(shù)結(jié)果圖

從圖3中可看出，基底動脈瘤組瘤體處及右側(cè)椎動脈部分區(qū)域可見波動性較低AFI值，余血管區(qū)域及對照組血管區(qū)域均表現(xiàn)為高數(shù)值AFI，未見較大范圍波動。

圖3 動脈瘤發(fā)生指數(shù)圖

2.2 梯度震蕩數(shù)值結(jié)果

由圖4可知，云圖中偏紅色代表較高GON值，偏藍色為低范圍GON?；讋用}瘤組整體GON值較對照組較高，以右側(cè)椎動脈及基底動脈段突出顯示。右側(cè)椎動脈血液入口段表現(xiàn)為較高GON值，近雙側(cè)椎動脈匯合處表現(xiàn)為高低GON值間斷出現(xiàn)，瘤體及基底動脈段呈現(xiàn)均勻較高數(shù)值GON。對照組整體GON值偏低，僅在左側(cè)椎動脈起始段及基底動脈段表現(xiàn)出點狀稍高GON值。

圖4 梯度震蕩數(shù)值圖

2.3 震蕩剪切系數(shù)結(jié)果圖

由圖5可知，對照組OSI整體較低，在雙側(cè)椎基底動脈匯合處（即血管分叉處）出現(xiàn)稍高OSI，余血管均呈現(xiàn)均勻低OSI值。動脈瘤組以右側(cè)椎動脈、左側(cè)椎動脈近匯合處及基底動脈段表現(xiàn)為間斷波動性OSI，以瘤體頂部明顯。

圖5 震蕩剪切系數(shù)圖

3 討論

從本次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動脈瘤組瘤體處及右側(cè)椎動脈部分區(qū)域較正常組表現(xiàn)為低AFI、高GON及高OSI值。AFI是近年來新提出的關(guān)于血流動力學指標參數(shù)，主要對血管管壁受到的摩擦力進行分析，當AFI越小代表相鄰時刻內(nèi)壁面切應力向量變化角度越大，越接近垂直情況，即該區(qū)域內(nèi)血流變化情況最明顯，代表血流異常情況發(fā)生可能[13]。本次實驗動脈瘤組具有較低AFI，即表現(xiàn)為此處血管血流變化較大，有渦流或湍流可能，破壞了血流層流狀態(tài)，將血流狀態(tài)由穩(wěn)定轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定，促進了動脈瘤的形成，提高了破裂風險。GON是表示血液流動過程中對血管壁內(nèi)皮細胞造成的壓力情況，主要是震蕩張力和壓縮程度。局部的GON升高表明動脈瘤形成風險較大，血管壁受到的震蕩情況較重[16-17]。從上述實驗結(jié)果可知，動脈瘤與右側(cè)椎動脈均具有較大的GON血管區(qū)域，表明此處血管所受撞擊較大且動脈瘤形成與破裂風險較高，促進動脈瘤的發(fā)生發(fā)展。OSI數(shù)值范圍為0～1之間，數(shù)值越大即待變血液流動方向變化較大，甚至發(fā)生倒流等情況[14-15]。反之亦然，當OSI數(shù)值越小時即代表血液流動情況穩(wěn)定，保持正常前進情況，血液流動強度和前進方向未有明顯改變。本實驗組中動脈瘤處與右側(cè)椎動脈均表現(xiàn)為間歇性升高OSI值，表示該段血管與動脈瘤內(nèi)血流方向變化較大，血流流場擾亂程度較重，同時瘤體頂部具有較大血流紊亂情況。

4 總結(jié)與不足

通過本次實驗研究分析發(fā)現(xiàn)，基底動脈瘤及右側(cè)椎動脈處低AFI、高GON及高OSI值，血流方向變化較大及不穩(wěn)定血流，血管壁損傷概率增加，動脈瘤破裂風險較大，臨床上需及早服用藥物進行治療或進行外科手術(shù)干預。

本次研究存在一定局限性[18]：樣本量較少，僅收集50例患者圖像進行分析，希望在之后的研究中繼續(xù)擴大樣本量同時增加臨床相關(guān)信息聯(lián)合分析。實驗邊界條件設定血管壁為剛性，與人體內(nèi)部真實血管具有部分差異；同時本實驗將血液假設為層流及牛頓液體，與真實多成分血液仍有部分差異存在。

綜上所述，基底動脈瘤組血管壁更易損傷，加重動脈瘤的發(fā)生發(fā)展這也與大部分學者的研究結(jié)果相符[19]，但不同程度基底動脈瘤的血流動力學仍存在差異，需要科研工作者繼續(xù)探索，為臨床早期干預基底動脈瘤患者提供幫助。