計算流體力學在主動脈夾層中的應用及研究進展

李昭明，鄧 麗，王茂生

目前主動脈夾層（aortic dissection，AD）診療基于影像學進行，影像圖像可以顯示夾層的位置、大小等信息，但無法評估血流動力學參數(shù)的變化，與傳統(tǒng)的診療策略相比，計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）近年來被應用于模擬人體心臟大血管系統(tǒng)中和血流情況，將難以直接分析的血流動力學問題直觀地展示出來，獲取主動脈內血液的流速、壁面壓力、壁面剪切力等數(shù)據，在主動脈夾層的風險評估、術后評估、疾病進展、模擬手術、手術方案設計、醫(yī)療器械設計等都有巨大的潛力。本文將重點討論CFD在AD中的應用及研究進展，并進一步討論目前的挑戰(zhàn)和前景。

1 AD概述

1.1AD診療現(xiàn)狀 AD是一種病情重、進展快、致死率高的以劇烈的胸背部疼痛為主要表現(xiàn)的主動脈疾病，是最嚴重的大動脈綜合征之一，對患者生命和生存質量造成巨大影響。研究顯示，AD的發(fā)病率為6人／10萬人［1］。但由于受到調查對象的限制，AD實際的發(fā)生率要比此前描述的要高［2］。由于該病發(fā)生原因多、機制復雜，目前仍未被完全研究清楚，盡管近年來高血壓發(fā)病率下降，但人群帶病率上升［3］，高血壓已經成為引發(fā)AD的最重要因素。

AD患者常常以劇烈胸痛或腹痛為就診原因，部分患者以腹痛為首發(fā)癥狀，少數(shù)患者疼痛不明顯，而表現(xiàn)為癱瘓、暈厥、呼吸困難、咯血或類休克［4］。

經胸超聲心動圖適合作為早期篩查使用，但不能對主動脈全段進行評估，易漏診。經食管超聲心動圖可以發(fā)現(xiàn)升主動脈末端到降主動脈的夾層病變，但是操作過程中可能會引起病情加重。核磁共振成像（magnetic resonance imagin，MRI）和CT血管成像（CT angiography，CTA）目前被廣泛應用于主動脈夾層的診斷，69%病例的AD的診斷、特征和危險分級是通過CTA進行的［5］，兩者均能準確反映內膜撕裂的部位，清楚顯示AD的真假腔，還可以對病變數(shù)量及范圍進行精確測定，從而準確分型，指導臨床治療。然而，單純的影像學檢查難以提供全面的AD病變信息，特別是血流狀態(tài)與管壁壓強等血流動力學參數(shù)的變化；同時，隨著精準醫(yī)學需求的日益增加，患者特異性的AD的功能學評估成為個性化診斷和治療的趨勢［6］。

現(xiàn)今臨床上治療AD的方式主要包括內科藥物治療、外科手術治療和胸主動脈腔內修復術（thoracic endovascular aortic repair，TEVAR）。孫立忠教授提出的“全主動脈弓替換＋支架象鼻手術”，即“孫氏手術”，成為許多心臟外科中心治療Stanford A型AD的標準術式［7］。術后需要對手術療效進行充分評估，以降低患者術后死亡率，但目前常規(guī)的檢查手段難以獲得一個可靠的術后療效評價。Stanford B型AD還可以通過TEVAR植入支架封閉主動脈內膜撕裂口，然而不同期Stanford B型AD具體進展程度以及病理變化均不同，TEVAR療效也具有一定差異［8］。

1.2CFD的重要意義 CFD是近代流體力學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學結合的產物。它以電子計算機為工具，通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學的控制方程，對流體力學問題進行模擬和分析，以解決各種實際問題［9］。CFD作為了解AD中解剖學和血流動力學相互作用的工具，可明確描述AD患者的血流動力學［10］。

2 CFD在AD中應用及相關研究

2.1CFD在AD中的應用價值 基于AD患者的影像學數(shù)據（MRI、CTA），構建該患者主動脈三維模型和血流動力學的數(shù)值模擬研究，分析流場速度分布、夾層破口剖面速度分布以及壁面切應力等數(shù)據［6］，CFD的流程見圖1所示。應用CFD可以個性化仿真患者主動脈內血流狀況，識別易發(fā)生不良后果的人群，并通過模擬不同的干預措施支持臨床醫(yī)師進行決策［11］；CFD可以模擬AD真腔和假腔在形態(tài)學改變時的血流動力學變化，可用于連續(xù)監(jiān)測治療前后AD的血流動力學變化［12］。通過虛擬手術構建不同手術后的術后模型，對比不同手術方式后主動脈內流速、壁面壓力、壁面剪應力（wall shear stress，WSS）以及相對停滯時間等相關參數(shù)，以得出最佳手術方案，對于術后的患者可以應用CFD從血流動力學的角度評價AD手術效果［13］。影像學方法難以直接觀察主動脈內的血流情況，通過CFD模擬可以直觀展示，然后選取關鍵部位，獲取該部位的血流流動狀態(tài)、壁面壓力和WSS等數(shù)據。

圖1 CFD數(shù)值模擬流程

2.2模型建立及邊界條件 血管的幾何形狀多采用基于醫(yī)學影像的數(shù)據（CTA、MRI數(shù)據等），利用軟件（如Mimics）進行三維重建，對模型進行裁剪、光順化及網格化處理，進行網格化處理時，理論上網格劃分越細，模型精確度越高，但也使得計算量增大，因此需根據計算機性能選擇合適的計算精度，充分發(fā)揮計算機性能的同時獲得更精確的數(shù)據。模型施加符合人體實際的邊界條件。①進口邊界條件：獲取主動脈內精確的血流流速需要對受試者采用侵入性的方法才能獲取血流相關數(shù)據，這樣的操作具有一定風險性，在實際臨床上很難實現(xiàn)，可以通過四維相位對比磁共振成像和多普勒超聲測速，分別獲得主動脈內的三維血流速度分布和流速［14－15］，部分研究為方便獲取計算數(shù)據，直接采用已有研究者的研究數(shù)據進行分析。②壁面邊界條件：為了方便進行計算，許多研究都把主動脈血管壁假設為無滲流且剛性的管道，但是真實的主動脈血管壁是有彈性的，血流流動時管壁會發(fā)生運動，因此需要考慮血液對血管壁的作用，需運用流固耦合（fluid－structure interaction，F(xiàn)SI）方法。有研究分別用剛性壁和FSI方法對AD患者進行CFD計算，發(fā)現(xiàn)某些低剪應力和振蕩WSS的組合區(qū)域僅在FSI方法中被識別出來，這些區(qū)域可能是AD進展的關鍵［16］。③血液流場：需考慮血液流場選用層流還是湍流模型。層流或湍流的發(fā)生與雷諾數(shù)Re密切相關，Re定義為：

注：ρ為流體密度；V為流體流動的速度；D為圓管的內直徑；μ為流體黏度。當Re小于臨界值（通常為2 300）時，流動為層流，當Re大于臨界值時，流動為湍流。理想條件下（心臟的搏動周期為75次／min，在0．8 s的心臟搏動周期中，一般認為心縮期占0．35 s，心舒期占0．45 s）人體血流Re＝1 137，因此，正常人體模型中的血流視為層流［17］。④血液的屬性：許多研究將血液視為不可壓縮的牛頓流體，但血液并不是單純的液體，含有無數(shù)血細胞及蛋白質，因此有研究者進行了血漿及血細胞的兩相流動模擬，能準確捕捉到局部低流速渦流與低紅細胞體積分數(shù)區(qū)域、高振蕩剪切指數(shù)值之間的關系，有利于分析局部血栓形成的可能性［18］。⑤多個裂口的問題：Dillon－Murphy等［19］提出了耦合多域血流模擬方法，分別計算各區(qū)域的入口和出口簡化模型，再組合在一起計算，進行簡化計算以解決多個裂口的計算問題。

2.3影像建模質量 由于應用CFD進行分析必須基于影像學圖像建模，正如Clough等［20］評論：“模型結果的好壞取決于用于構建模型的信息的特異性和質量?！蹦M結果將受到影像學成像質量的限制。最主要的困難來自于內膜皮瓣和撕裂部位的動態(tài)運動［21］，這些部分體積較小，常常在影像學圖像上難以發(fā)現(xiàn)或清晰度欠佳，難以獲取內膜皮瓣和撕裂部位的運動情況，導致建立的主動脈三維模型結構不理想，難以精確模擬人體真實的血流情況。而且，有研究利用CFD模擬對比夾層血流和去除內膜皮瓣和撕裂部位的模型血流后發(fā)現(xiàn)，內膜皮瓣和撕裂部位對主動脈，特別是降主動脈和胸主動脈的血流動力學有顯著影響［19］，難以忽略進行計算。

2.4CFD應用在AD中的研究成果

2.4.1CFD中需要關注的因素 Menichini等［22］發(fā)現(xiàn)，血栓形成區(qū)域往往是血流停滯時間長的區(qū)域。Menichini等［23］隨后創(chuàng)建了一個計算模型，表明低WSS的區(qū)域可以與血栓形成的區(qū)域相關聯(lián)，低WSS區(qū)域有利于血栓形成。他們最后在隨訪中通過CT驗證了這一點。Ben等［10］創(chuàng)建了幾個理想的AD模型進行CFD分析，認為主動脈曲率、撕裂口的大小、位于主動脈內彎的假腔和遠端撕裂口閉塞均可引起血流動力學的惡化。繼發(fā)性交通性撕裂，特別是較大的撕裂，對降主動脈和胸主動脈的血流動力學有顯著影響［19］。由于真假腔在各處的壓力差不一樣，Xu等［24］提出應用腔間壓強差來量化真假腔在不同位置的真假腔壓強優(yōu)勢，而真腔壓強占優(yōu)者可引導良性重塑，多出現(xiàn)在主動脈近端；假腔壓強優(yōu)勢者則增加不良事件概率，多出現(xiàn)在主動脈遠端。

2.4.2在Stanford A型AD中的相關研究 Osswald等［25］發(fā)現(xiàn)在發(fā)生逆行Stanford A型AD的患者中，WSS較周圍壁明顯增加。Long Ko等［26］在CFD模型中觀察到，在收縮期中期，假腔WSS明顯高于真腔WSS，這可能會引起假腔的進一步擴大，逆行Stanford A型AD發(fā)病的血流動力學與此密切相關。Malvindi等對1例合并單尖瓣主動脈瓣的升主動脈瘤患者進行了CFD分析，結果顯示動脈瘤內血液呈異常螺旋狀流動，升主動脈右后外壁WSS增加，這些數(shù)值大大高于主動脈壁剝離的理論臨界值，他們由此判斷此處將發(fā)生AD，隨后通過CT掃描，并在夾層修復手術中證實了Stanford A型AD的發(fā)生［27］。

2.4.3在Stanford B型AD中的相關研究 Cheng等［28］通過CFD研究了5例急性Stanford B型AD患者后發(fā)現(xiàn)，近端撕裂的位置和大小決定了假腔內的血流量，形態(tài)學分析與CFD模型相結合可能有助于預測急性B型AD的進展，從而選擇合適的治療方式，但仍需要進一步的研究得以證實。Ben等［10］研究發(fā)現(xiàn)多種因素可以引起Stanford B型AD患者假腔內壓力升高，引起假腔進一步擴大，其中遠端撕裂閉塞和近端較大撕裂對假腔壓力的影響最為密切。段曉杰等［29］通過CFD模擬不同血壓條件下Stanford B型AD患者的血流動力學，在高血壓條件下的血流對主動脈壁施加更大的壓力，易于造成血流渦流，增加了主動脈內膜破裂產生夾層的概率。

2.4.4CFD可以作為評估AD治療效果的一種方法

Karmonik等［30］應用CFD和MRI對急性Stanford B型AD治療前后的血流情況進行研究，觀察TEVER治療前后WSS和動壓（dynamic pressure，dynP）的變化，治療前，WSS＞5 Pa和dynP＞80 Pa出現(xiàn)在入口撕裂處和真腔狹窄區(qū)。治療后，除支架近端和再入口撕裂處外，真腔內WSS低于3．3 Pa，dynP低于55 Pa。隨訪1年后，胸主動脈段完全重構，腹主動脈假腔未有血栓形成。通過虛擬閉塞入口撕裂模擬TEVER治療，發(fā)現(xiàn)治療后假腔內壓力顯著降低［31］。Costache等［32］應用CFD分析了16例應用多層支架治療的Stanford B型AD患者治療前后主動脈內血流動力學后發(fā)現(xiàn)，患者術后真腔體積增大，假腔體積減小，真腔內血流呈流線型，血流整體流速和壓力降低，流動的阻力也明顯減少，他們認為這可以成為一種評估AD治療效果的方法。Armour等［33］研究了TEVAR術后患者血流動力學，發(fā)現(xiàn)胸段支架遠端與再撕裂入口（SG－FRT）的距離越遠、假腔流量減少、時間平均WSS較低、越有利于假腔內血栓形成。通過CFD合理選擇支架植入的區(qū)域，以保證足夠的SG－FRT距離，有利于術后血栓形成。熊江等人提出應用血流功能指標真假腔壓強差平衡位置（first balance position，F(xiàn)BP）來判斷TEVER術后的真假腔重塑效果和殘余假腔擴張的風險，由于主動脈近端多位真腔壓強占優(yōu)勢，因此，F(xiàn)BP位置越高說明真腔受壓越嚴重，意味著病情越嚴重；他們分析了TEVER術前及術后的模型，發(fā)現(xiàn)植入支架后，F(xiàn)BP向主動脈遠端移動，該移動距離sFBP可由于量化患者TEVER術后的血流動力學獲益，可作為評價TEVER有效性的血流動力學指標。

2.5當前CFD研究的限制性 很多研究雖然利用CFD對主動脈內血流進行了分析，不同的研究采用的建模方法各有不同，這導致研究者們的結果也有差距，而且研究結果缺乏有效驗證，特別是沒有利用4D Flow MRI進行高質量的驗證［23］。應用CFD參與AD的診療，目前仍處于實驗階段，距離指導臨床決策仍有一段距離。由于每個患者都是獨特的個體模型，難以使用理想的標準模型進行針對患者個體的研究，CFD應用于臨床中最主要的挑戰(zhàn)是開發(fā)和測試一種臨床醫(yī)師可用于為患者進行個性化的風險評估、療效評價的方法。深度學習神經網絡有望成為解決這個問題的一種途徑，深度學習神經網絡能夠分析有無數(shù)種可能的復雜問題，因為神經網絡中的層能夠將每一步近似為因果序列對結果進行分析。通過機器深度學習實現(xiàn)當前CFD模擬流程的自動化，在未來可以明顯加快對患者的評估，并且臨床醫(yī)師可以在沒有具備CFD和高性能計算知識的專業(yè)工程師的幫助下進行。程序包括以下內容：訪問CTA或MRI數(shù)據開始重建患者AD模型；生成AD結構的計算網格；將邊界條件應用到模型中；計算模擬數(shù)值計算流速、壓力和WSS等血流動力學數(shù)據，最后得出可視化結果數(shù)據［34］。隨著對CFD在臨床上的持續(xù)深入研究，它可能成為大多數(shù)病例的常規(guī)診療手段，包括那些根據其他特征被認為是高風險的病例，當該患者發(fā)病時，計算模型可以把關鍵信息在超急性期提供給臨床醫(yī)師，幫助臨床醫(yī)師開展診療工作。

3 結語及展望

CFD在AD中的應用目前還處在實驗階段，CFD在AD患者的風險評估、模擬手術、療效評估等方面有巨大的潛力，這是以往各種診療手段都難以完成的。但是，目前應用CFD評估患者需要耗費大量時間，且需要臨床醫(yī)師和計算工程師相互配合完成，對于超急性期、急性期AD患者并不合適。盡管有不少研究者通過CFD研究了壓力、解剖、流速等因素對主動脈內血流動力學的影響，但很多因素，如內膜瓣的運動、主動脈血管壁的運動等很少被研究，這些因素同樣被認為對血流動力學有較大的影響。完善各種因素對血流動力學的影響，以開發(fā)深度學習神經網絡程序，實現(xiàn)臨床醫(yī)師應用CFD快速對患者進行分析并得出決策，將是未來的重要發(fā)展方向［35］。