載瘤動脈的曲率及血流動力學(xué)對虹吸段動脈瘤的影響

張美樂 于廣浩 李星江 薛培源 尚芮竹 陳廣新 魏秀芳

[摘要]目的分析載瘤動脈的曲率及血流動力學(xué)對虹吸段動脈瘤的影響。方法選取牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院2017年1月至2021年5月診斷為單側(cè)虹吸段動脈瘤患者的CT血管造影（CTA）圖像45例，分成患側(cè)的載瘤動脈組（n=45）與對側(cè)正常頸內(nèi)動脈的對照組（n=45）。利用MIMICS軟件測量載瘤動脈組與對照組的曲率，分別記為K1和K2。利用ANSYS軟件分析時間平均壁面切應(yīng)力（TAWSS）、時間平均壁面切應(yīng)力梯度（TAWSSG）及震蕩剪切指數(shù)（OSI）等血流動力學(xué)參數(shù)。結(jié)果K1平均值為（0.25±0.05）/mm，K平均值為（0.19±0.05）/mm，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（7=12.259，P<0.01）。載瘤動脈組血管內(nèi)側(cè)壁較對照組有更高的TAWSS、TAWSSG及OSI。結(jié)論頸內(nèi)動脈虹吸段的曲率越大，越易促進(jìn)動脈瘤的形成，同時大曲率載瘤動脈的內(nèi)側(cè)壁TAWSS、TAWSSG及OSI也明顯升高，為診斷虹吸段動脈瘤提供重要的參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]載瘤動脈;曲率;血流動力學(xué);動脈瘤

[中圖分類號]R651??? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A??? [文章編號]2095-0616（2022）01-0171-04

Impact of curvature and hemodynamics of the parent arteries on aneurysm of the siphon segment

ZHANG Meile1??? YU Guanghao1??? LI Xingjiang1??? XUE Peiyuan1??? SHANG Ruizhu1??? CHEN Guangxin1??? WEI Xiufang2

l.Mudanjiang Medical University，Heilongjiang，Mudanjiang 157000，China;2.Department of Nuclear Magnetic Resonance，Hongqi Hospital Affiliated to Mudanjiang Medical University，Heilongjiang，Mudanjiang 157011，China

[Abstract]Objective To analyze the impact of curvature and hemodynamics of the parent arteries on the aneurysm of the siphon segment. Methods A total of 45 CT angiography （CTA）images of patients diagnosed with aneurysm on the unilateral siphon segment from January 2017 to May 2021 at Hongqi Hospital Affiliated to Mudanjiang Medical University were selected and divided into the group of parent arteries on the affected side （n=45）and the control group of normal internal carotid artery on the contralateral side （n=45）. The curvatures of the parent arteries group and the control group were measured using Materialise's Interactive Medical Image Control System （MIMICS）Software and were recorded as K and K，respectively. Hemodynamic parameters such as time-averaged wall shear stress magnitude （TAWSS），time average wall shear stress grade （TAWSSG）and oscillatory shear index （OSI）were analyzed using ANSYS software. Results The mean value of K was （0.25±0.05）/mm and the mean value of K was （0.19±0.05）/mm，with statistically significant differences （t=12.259，P<0.01）. The medial wall of the vessels in the parent arteries group had higher TAWSS，TAWSSG and OSI than those in the control group. Conclusion The larger the curvature of the siphon segment of the internal carotid artery，the more likely it is to promote the formation of aneurysm，and also the TAWSS，TAWSSG and OSI of the medial wall were significantly increasedin the parent arteries with large curvature，which provides an important reference basis for the diagnosis of aneurysm of the siphon segment.

[Keywords]Parent arteries;Curvature;Hemodynamics;Aneurysm

顱內(nèi)動脈瘤（intracranial aneurysm，IA）是局部血管壁薄弱擴(kuò)張形成的囊狀突起，若破裂可引起蛛網(wǎng)膜下腔出血，首次破裂的病死率為20%～30%，再次破裂的病死率則高達(dá)60%[1]。頸內(nèi)動脈虹吸部位置較深，毗鄰結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動脈瘤的生長若壓迫鄰近結(jié)構(gòu)，將影響患者的生活質(zhì)量，同時也加大了手術(shù)治療的難度。本研究通過定量測量載瘤動脈的曲率及對血流動力學(xué)參數(shù)的分析，探究其對動脈瘤形成、發(fā)展及破裂的影響，對頸內(nèi)動脈虹吸段動脈瘤的篩查及早期干預(yù)提供參考依據(jù)。

1??? 資料與方法

1.1??? 一般資料

納入標(biāo)準(zhǔn)：回顧性收集2017年1月至2021年5月在牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院經(jīng)CT血管造影（CT angiography，CTA）檢查或三維數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）或手術(shù)確診僅為單側(cè)頸內(nèi)動脈虹吸段動脈瘤者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患血管畸形、顱腦腫瘤及梗死等會影響顱內(nèi)動脈血流者;②診斷為嚴(yán)重動脈粥樣硬化以及頸內(nèi)動脈狹窄或閉塞者;③雙側(cè)或顱內(nèi)其他部位動脈瘤者;④已發(fā)生蛛網(wǎng)膜下腔出血者;⑤無法滿足計算流體力學(xué)分析要求者。按照上述標(biāo)準(zhǔn)，共有45例患者納入本研究，發(fā)病年齡43～77歲，平均（60.5±8.67）歲，43～70歲40例（88.9%），70歲以上5例（11.1%），男13例（28.9%），女32例（71.1%），病灶在左側(cè)23例病1.1%），右側(cè)22例病8.9%）。分成患側(cè)的載瘤動脈組（n=45）與對側(cè)正常頸內(nèi)動脈的對照組（n=45）。

1.2??? 檢查方法

CTA檢查：采用東芝64排CT掃描系統(tǒng)（TSX- 101A），將非離子型對比劑優(yōu)維顯經(jīng)患者的肘正中靜脈注入，速度為3～4 ml/s，劑量為2 ml/kg，管電流300 mAs，管電壓120 kV，層厚1 mm，設(shè)置重建間隔為0.5 mm，螺距為3.5。

1.3??? 曲率測量

使用MIMICS 21.0軟件導(dǎo)入采集的動脈瘤DICOM格式文件。采用閾值分割、區(qū)域增長等算法，獲得動脈瘤3D模型。取血管的中心線，并在動脈瘤所在部位取點計算曲率，載瘤動脈組曲率命名為K，對照組曲率命名為K，測量曲率時，在載瘤動脈及健側(cè)血管上分別取10個點（A點）組成一組，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測量3次取平均值，見圖1。

1.4??? 血流動力學(xué)模型建立

以STL格式將上述的頸內(nèi)動脈虹吸段動脈瘤模型導(dǎo)入ANSYS軟件，不可壓縮的Navier-Stokes方程為控制流動的方程[2]，假設(shè)血管壁為剛性，血液為牛頓流體，黏性系數(shù)為0.0035 Pa/s，密度為1060 kg/m。頸內(nèi)動脈入口處血流速度為0.1 m/s，出口處的壓力為0，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Tecplot軟件中代入編寫的子程序獲得血流動力學(xué)參數(shù)分布圖。

1.5??? 統(tǒng)計學(xué)分析

2??? 結(jié)果

2.1??? 左右兩側(cè)發(fā)病率的比較

對于發(fā)病部位統(tǒng)計，左側(cè)23例（51.1%），右側(cè)22例（48.9%），雙側(cè)發(fā)病率差異無統(tǒng)計學(xué)意義（χ=0.044，P=0.833）。

2.2??? 兩組曲率比較

載瘤動脈組的曲率大于對照組（圖2），K平均值為（0.25±0.05）/mm，K平均值為（0.19±0.05）/mm，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=12.259，P<0.01）。

2.3??? 兩組血流動力學(xué)參數(shù)比較

圖3～5所示顏色越偏藍(lán)表示數(shù)值越小，越偏紅則表示數(shù)值越大，載瘤動脈側(cè)的時間平均壁面切應(yīng)力（time-average wall shear stress，TAWSS）、時間平均壁面切應(yīng)力梯度（time-average wall shear stress gradient，TAWSSG）及震蕩剪切指數(shù)（oscillatory shear index，OSl）更大，表明載瘤動脈組頸內(nèi)動脈虹吸段彎曲部位的內(nèi)側(cè)壁較對照組具有更大的TAWSS、TAWSSG及OSI。

3??? 討論

IA好發(fā)于血管彎曲及分叉處。年齡、吸煙、高血壓、高脂血癥、形態(tài)學(xué)及血流動力學(xué)等都與動脈瘤的發(fā)展相關(guān)[3-6]。WSS和壓力是兩種作用于血管壁的力，壓力垂直于血管壁，而WSS是平行于血管壁的摩擦力。TAWSS表示W(wǎng)SS的時間平均值，TAWSSG是TAWSS梯度向量的切向分量。OSI是描述WSS在向量方向上變化的一個參數(shù)。曲率半徑R的倒數(shù)即為曲率K，用來描述彎曲程度。本研究認(rèn)為，彎曲程度越大，血流沖擊管壁的各個方向，引起近端WSS波動，內(nèi)皮細(xì)胞感受其變化后激活并分泌核因子κB（NF-κB），并誘導(dǎo)產(chǎn)生單核細(xì)胞趨化蛋白1（MCP-1）而啟動了一條正反饋通路，即NF-κB誘導(dǎo)產(chǎn)生環(huán)氧化酶2，將花生四烯酸轉(zhuǎn)化為前列腺素，并結(jié)合前列腺素受體再次激活NF-κB，調(diào)節(jié)TGF-β在巨噬細(xì)胞中的分泌，進(jìn)而對I、II型膠原蛋白的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響，細(xì)胞毒性和促炎物質(zhì)在內(nèi)皮細(xì)胞壁積累導(dǎo)致細(xì)胞功能受損，引起退化性的血管壁重塑進(jìn)而誘發(fā)動脈瘤的形成[7-12]，同時大曲率載瘤動脈的內(nèi)側(cè)壁TAWSS、TAWSSG及OSI也明顯升高。

趙俊等[13]將頸內(nèi)動脈彎曲程度分為迂曲、折曲和襻曲三類來探究其與動脈瘤的關(guān)系。而本研究是利用微分定義的曲率來客觀定量地表明彎曲程度對虹吸段動脈瘤的影響。Lauric等[14]利用10例動脈瘤患者的計算流體力學(xué)衍生模型模擬曲率半徑3～5 mm的變化，但此衍生模型過于理想化。其次，本研究選取同一虹吸段動脈瘤患者的患側(cè)和健側(cè)頸內(nèi)動脈的曲率為研究對象，可以更好控制吸煙、高血脂等風(fēng)險因素。另外，DSA檢查因其有創(chuàng)及花費(fèi)高等故難以用作常規(guī)篩查。本研究通過虹吸段曲率增大這一特征來預(yù)測頸內(nèi)動脈虹吸段動脈瘤的形成，對曲率增大的人群提供按時復(fù)查的建議。但本研究也存在一定局限性，由于是單中心的回顧性研究，樣本量相對較小，接下來將增加樣本量及血流參數(shù)進(jìn)一步證明。

綜上所述，頸內(nèi)動脈虹吸段的曲率越大，越易促進(jìn)動脈瘤的形成，同時大曲率載瘤動脈的內(nèi)側(cè)壁TAWSS、TAWSSG及OSI也明顯升高，為影像醫(yī)師早期篩查可疑病變提供依據(jù)，也使外科手術(shù)的術(shù)前評估結(jié)果更加完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陳驀，王武.顱內(nèi)動脈瘤血管內(nèi)治療現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 介入放射學(xué)雜志，2018，27（6）：592-597.

[2]高卉，程云章，劉祥坤，等.分支血管直徑對顱內(nèi)動脈瘤置入血流導(dǎo)向裝置后血流動力學(xué)參數(shù)的影響[J]. 醫(yī)用生物力學(xué)，2020，35（4）：403-409.

[3] Kim T，Lee H，Ahn S，et al.Incidence and risk factors of intracranial aneurysm：A national cohort study in Korea[J].Int J Stroke，2016，11（8）：917-927.

[4] Jabbarli R，Dinger TF，Darkwah Oppong M，et al. Risk Factors for and Clinical Consequences of Multiple Intracranial Aneurysms：A Systematic Review and Meta- Analysis[J].Stroke，2018，49（4）：848-855.

[5]周存河，崔彩霞，劉懷軍，等.磁共振血管造影測量腦動脈分叉角度對顱內(nèi)動脈瘤篩查及測評的臨床應(yīng)用價值[J].中國全科醫(yī)學(xué)，2015，18（17）：2035-2037.

[6] X.Zhang，Z.Q.Yao，T.Karuna，et al.載瘤動脈壁剪切力作為獨(dú)立變量在前交通動脈動脈瘤形成中的作用[J].國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志，2019，42（2）：252.

[7] Sawyer DM，Pace LA，Pascale CL，et al.Lymphocytes influence intracranial aneurysm formation and rupture：role of extracellular matrix remodeling and phenotypic modulation of vascular smooth muscle cells[J]. J Neuroinflammation，2016，13（1）：185.

[8] Tang H，Luo Y，Zuo Q，et al.Current Understanding of the Molecular Mechanism between Hemodynamic- Induced Intracranial Aneurysm and Inflammation[J].Curr Protein Pept Sci，2019，20（8）：789-798.

[9] Cebral J，Ollikainen E，Chung BJ，et al.Flow Conditions in the Intracranial Aneurysm Lumen Are Associated with Inflammation and Degenerative Changes of the Aneurysm Wall[J].AJNR Am J Neuroradiol，2017，38（1）：119-126.

[10] Fukuda M，Aoki T.Molecular basis for intracranial aneurysm formation[J].Acta Neurochir Suppl，2015，120：13-15.

[11] Rodemerk J，Junker A，Chen B，et al.Pathophysiology of Intracranial Aneurysms：COX-2 Expression，Iron Deposition in Aneurysm Wall，and Correlation With Magnetic Resonance Imaging[J].Stroke，2020，51（8）：2505-2513.

[12] Tulamo R，F(xiàn)rOsen J，Hernesniemi J，et al.Inflammatory changes in the aneurysm wall：a review[J].J Neurointerv Surg，2018，10（Suppl 1）：i58-i67.

[13]趙俊，向祥，張紅霞，等.頸內(nèi)動脈彎曲與顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生的相關(guān)性研究[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2019，44（3）：313-316.

[14] Lauric A，Hippelheuser J，Safain MG，et al.Curvature effect on hemodynamic conditions at the inner bend of the carotid siphon and its relation to aneurysm formation[J]. J Biomech，2014，47（12）：3018-3027.