橫竇狹窄合并頸靜脈球高位對(duì)乙狀竇血管血流動(dòng)力學(xué)影響的數(shù)值模擬

薛曉飛 穆振霞 黃素琴 符珉瑞 李小帥 仇曉妤 高斌 趙鵬飛 王振常 常宇

0 引言

研究表明耳鳴在人群中的患病率為10%～25%，而搏動(dòng)性耳鳴(pulsatile tinnitus,PT)是一種較為罕見的耳鳴類型，約占整體耳鳴人口的4%[1]，長期存在可影響患者的生活質(zhì)量，嚴(yán)重者可導(dǎo)致抑郁甚至自殺[2]。與搏動(dòng)性耳鳴相關(guān)的病因多達(dá)56種[3]，根據(jù)病因不同可分為動(dòng)脈源性和靜脈源性。臨床中，靜脈源性PT所占比例高達(dá)84%[4]，且多是由于靜脈的異?；蜃儺愃耓5-6]。其表現(xiàn)特征為與患者脈搏一致的節(jié)律性，常被描述為“呼呼聲”[7]。靜脈源性搏動(dòng)性耳鳴(venous pulsatile tinnitus,VPT)的病因較多，如橫竇狹窄[8]、頸靜脈球高位并骨壁缺失[9]、乙狀竇(sigmoid sinus，SS)憩室并骨壁缺失[10-11]、異常導(dǎo)靜脈[12-13]。靜脈源性搏動(dòng)性耳鳴的多病因表現(xiàn)為患者治療帶來一定的困難。

橫竇狹窄(transverse sinus stenosis,TSS)在VPT患者的發(fā)生率為33%～83%[14]，多見于患側(cè)橫竇和乙狀竇交界區(qū)。近年來，Baomin等[15]、 Boddu等[16]的研究表明支架成形術(shù)可以有效解除橫竇狹窄，消除狹窄導(dǎo)致的血流動(dòng)力學(xué)異常，在顱內(nèi)靜脈竇狹窄所致顱內(nèi)高壓及耳鳴的治療方面有很好的療效。Signorell等[17]在對(duì)一名伴有橫竇狹窄的耳鳴患者行血管內(nèi)支架植入術(shù)后，該患者耳鳴癥狀得到了明顯的改善，證實(shí)橫竇狹窄是PT的直接原因。而在另外一組針對(duì)46名因橫竇狹窄導(dǎo)致搏動(dòng)性耳鳴患者的研究中，Baomin等[18]在對(duì)該研究中的46名耳鳴患者行支架植入術(shù)后，46名搏動(dòng)性耳鳴患者的癥狀均得到明顯改善。Stephanie等[19]回顧性分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)14名橫竇狹窄耳鳴患者進(jìn)行支架植入術(shù)后，患者均康復(fù)無復(fù)發(fā)癥狀。Han等[20]采用計(jì)算流體力學(xué)理論研究植入頸內(nèi)靜脈支架對(duì)乙狀竇內(nèi)血流的影響，結(jié)果表明支架植入后能夠顯著降低橫竇內(nèi)的血流速度，進(jìn)而間接改善乙狀竇內(nèi)血流湍流的程度。

頸靜脈球高位(high-riding jugular bulbs,HJB)已被認(rèn)為是部分PT患者的來源，約占PT患者30%[21]。Adler等[22]、Buckwalter等[23]、Chandler等[24]的研究表明PT隨頸靜脈流量的變化而變化，同側(cè)頸靜脈流量減少會(huì)導(dǎo)致耳鳴癥狀減輕，而高流量狀態(tài)下流量的增加與搏動(dòng)性耳鳴強(qiáng)度的增加有關(guān)。Kao等[25]的研究發(fā)現(xiàn)頸靜脈球的解剖形態(tài)和由此產(chǎn)生的血流模式之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，抬高的頸靜脈球有明顯的漩渦。其次，單純的頸靜脈球高位并不導(dǎo)致VPT的發(fā)生，頸靜脈球周圍的骨壁缺失是VPT發(fā)生的必要條件。Liu等[26]、Yeo等[27]通過重建頸靜脈球周圍的骨壁缺失處可治療此類病因。

以上研究表明橫竇狹窄和頸靜脈球高位導(dǎo)致的血流動(dòng)力學(xué)改變是VPT的發(fā)病因素，但是缺乏橫竇狹窄合并頸靜脈球高位相關(guān)病例的血流動(dòng)力學(xué)研究。血流動(dòng)力學(xué)的研究方法有很多，其中計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于血流動(dòng)力學(xué)的分析，將多維流場數(shù)據(jù)利用科學(xué)計(jì)算可視化進(jìn)行處理，可以更清楚地認(rèn)識(shí)血液流場中特定區(qū)域的血液動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。此外，CFD數(shù)值模擬能夠得出實(shí)驗(yàn)中所難以得出的復(fù)雜流動(dòng)參數(shù)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件不斷的進(jìn)步，可以研究特定病灶處的幾何和力學(xué)因素對(duì)血液動(dòng)力學(xué)的影響。

多病因的分析對(duì)臨床醫(yī)生判斷患者的病情十分重要，可以幫助醫(yī)生采用更加準(zhǔn)確的治療方案。因此，本研究就橫竇狹窄合并頸靜脈球高位對(duì)乙狀竇血管血流動(dòng)力學(xué)的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，定量計(jì)算橫竇狹窄程度和頸靜脈球高度的幾何因素對(duì)乙狀竇血管血流動(dòng)力學(xué)的影響，探究其對(duì)搏動(dòng)性耳鳴發(fā)生和發(fā)展的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 患者信息

本研究收集了1例PT患者的CTA圖像。患者為女性，35歲，診斷為左側(cè)乙狀竇骨壁缺失(sigmoid sinus wall dehiscence,SSWD),具有輕度橫竇狹窄和頸靜脈球高位，行骨壁修復(fù)術(shù)后耳鳴消失。CTA圖像(分辨率為512×512像素，像素尺寸為0.625 mm)由256層螺旋CT掃描儀(飛利浦)獲得。本研究使用的醫(yī)療資料來源于北京友誼醫(yī)院，經(jīng)機(jī)構(gòu)評(píng)審委員會(huì)批準(zhǔn)，并征得患者同意。

1.2 模型構(gòu)建

將患者的CTA醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS 20.0以生成3D幾何模型。將重建的三維幾何模型導(dǎo)入Freeform軟件進(jìn)行光滑處理，得到幾何實(shí)例，如圖1所示。圖1中黑色圓區(qū)域處為乙狀竇壁異常區(qū)域(sigmoid sinus wall anomalies,SSWA)。橫竇狹窄根據(jù)病因不同可分為腔內(nèi)阻塞或腔外壓迫。腔外壓迫表現(xiàn)為無混濁管腔內(nèi)相對(duì)較長的光滑圓錐段，通常由腦實(shí)質(zhì)壓迫所致。腔內(nèi)梗阻的特點(diǎn)是腔內(nèi)充盈缺損，混濁的管腔內(nèi)邊界清晰，常見于蛛網(wǎng)膜顆粒增大或靜脈竇血栓形成[28]。

圖1 血管三維幾何模型Figure 1 Three-dimensional geometric model of blood vessel

本研究采用腔外壓迫所導(dǎo)致的錐形狹窄。臨床中橫竇狹窄的實(shí)際位置通常處于橫竇遠(yuǎn)段，靠近橫竇和乙狀竇交界處[15]。以往對(duì)TSS的評(píng)估多采用半定量的方法，即橫竇狹窄處與正常竇腔橫徑之比。但是單純計(jì)算橫徑之比會(huì)比實(shí)際狹窄偏小，無法反映真正的狹窄程度，因此本研究采用更為準(zhǔn)確的橫截面積之比。通過Freeform軟件人工制作出正常血管(0%)、輕度狹窄(25%)、中度狹窄(50%)、重度狹窄(75%)4種血管模型。頸靜脈球高位通常以達(dá)耳蝸蝸窗層面設(shè)為1度，達(dá)前庭窗層面為2度，達(dá)水平半規(guī)管層面為3度判定頸靜脈球高位。為了更好地對(duì)頸靜脈球高度進(jìn)行量化，將頸靜脈球高度分為3類：0 cm，達(dá)外耳道底部；0.5 cm，達(dá)外耳道底與水平半規(guī)管中間；1.0 cm，達(dá)水平半規(guī)管層面。將以上3種頸靜脈球高度分別在不同橫竇狹窄程度模型上進(jìn)行重建，得到如圖2所示的12個(gè)模型。

a-橫竇狹窄0%合并頸靜脈球高度0 cm；b-橫竇狹窄25%合并頸靜脈球高度0 cm；c-橫竇狹窄50%合并頸靜脈球高度0 cm；d-橫竇狹窄75%合并頸靜脈球高度0 cm；e-橫竇狹窄0%合并頸靜脈球高度0.5 cm； f-橫竇狹窄25%合并頸靜脈球高度0.5 cm；g-橫竇狹窄50%合并頸靜脈球高度0.5 cm;h-橫竇狹窄75%合并頸靜脈球高度0.5 cm；i-橫竇狹窄0%合并頸靜脈球高度1.0 cm；j-橫竇狹窄25%合并頸靜脈球高度1.0 cm；k-橫竇狹窄50%合并頸靜脈球高度1.0 cm； l-橫竇狹窄75%合并頸靜脈球高度1.0 cm圖2 三維重建不同狹窄程度合并不同頸靜脈球高度血管模型Figure 2 Three-dimensional reconstruction of vascular models with different degrees of stenosis and differentjugular bulb heights

1.3 生成網(wǎng)格模型及三維血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析

利用FLUENT對(duì)三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成高質(zhì)量的自適應(yīng)多面體三維網(wǎng)格，如圖3(a)所示。為了確定合適的網(wǎng)格大小，選擇平均壁面壓力作為網(wǎng)格獨(dú)立性測試的標(biāo)準(zhǔn)。平均壁面壓力的位置從橫竇-乙狀竇交界處至乙狀竇下游的正常區(qū)域。壓力誤差小于5%的網(wǎng)格被認(rèn)為是可接受的，如表1所示。結(jié)果表明，對(duì)于本研究而言，20萬個(gè)多面體單元是足夠的，生成了4個(gè)邊界層，用于求解無滑移邊界的薄邊界層內(nèi)的流體。假設(shè)血液為各向同性、均勻且不可壓縮的牛頓流體。由于沒有具體的流量信息，入口采用了質(zhì)量流量邊界條件的時(shí)變脈沖波形，出口設(shè)置為0 Pa，如圖3(b)所示。血液黏滯系數(shù)為0.003 5 Pa·s，血液密度為1 050 kg/m3，血液流動(dòng)遵守質(zhì)量和動(dòng)量守恒定律，即連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程。心動(dòng)周期設(shè)置為0.8 s，分為8 000步，每步0.000 1 s。為確保計(jì)算準(zhǔn)確，計(jì)算3個(gè)心動(dòng)周期以消除初始血流條件的影響，收斂進(jìn)度設(shè)置為10-5。

圖3 網(wǎng)格劃分(a)及邊界條件(b)Figure 3 Grid division and boundary conditions

表1 網(wǎng)格無關(guān)性測試的結(jié)果Table 1 Results of grid independence test

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果的后處理

應(yīng)用CFD-POST和ENSIGHT軟件對(duì)運(yùn)算得出的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行可視化后處理，得到各項(xiàng)參數(shù)的直觀圖像，并對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行相應(yīng)處理。其中時(shí)間平均壁面壓力(TAPavg)、時(shí)間平均體積渦量(TAVavgV)是用等式定義的：

(1)

(2)

式中：pi為單元i的壓力；T為心動(dòng)周期；si為單元i質(zhì)心處的標(biāo)量分量；Si為單元i的面積。

(3)

式中：▽×ui為單元i的速度向量的旋度；si為單元i的質(zhì)心處的向量分量；Vi為單元i的體積。

2 結(jié)果

2.1 血管壁壓力

圖4顯示了時(shí)間T1處SS的壁面壓力分布，紅色表示高壓力值，藍(lán)色表示低壓力值。在每個(gè)模型的T1時(shí)刻，SSWA區(qū)域的壓力高于周圍區(qū)域。這與以前的研究結(jié)果是一致的，表明SSWA區(qū)域的異常壁面壓力確實(shí)是PT的一個(gè)重要特征[29]。為了定量分析橫竇狹窄合并頸靜脈球高位下SSWA區(qū)域壁面壓力的變化，計(jì)算了每個(gè)模型在1個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的壁壓。圖5中黑色箭頭所指區(qū)域?yàn)镾SWA區(qū)域，在此區(qū)域求TAPavg值。

圖4 壁面壓力Figure 4 The wall pressure

圖5 SSWA位置Figure 5 SSWA position

結(jié)果表明，當(dāng)橫竇狹窄程度為0%時(shí)，隨著頸靜脈球高度的增加，TAPavg分別增加23.60%、21.62%；當(dāng)橫竇狹窄程度為25%時(shí)，TAPavg分別增加26.53%、24.16%；當(dāng)橫竇狹窄程度為50%時(shí)，TAPavg分別增加21.80%、19.91%；當(dāng)橫竇狹窄程度為75%時(shí)，TAPavg分別增加13.05%、13.78%。可以看出在相同橫竇狹窄程度下，頸靜脈球高度的增加會(huì)導(dǎo)致SSWA區(qū)域壁面壓力不同程度的升高。橫竇狹窄程度為25%時(shí)，頸靜脈球高度的增加對(duì)TAPavg的影響最大；當(dāng)橫竇狹窄程度為75%時(shí)，頸靜脈球高度的增加對(duì)TAPavg的影響最小。

當(dāng)頸靜脈球高度為0cm時(shí)，隨著橫竇狹窄程度的增加，TAPavg分別增加-0.31%、10.41%、28.97%；當(dāng)頸靜脈球高度為0.5 cm時(shí)，TAPavg分別增加2.05%、8.80%、17.96%；當(dāng)頸靜脈球高度為1.0 cm時(shí)，TAPavg分別增加1.77%、8.86%、20.65%。可以看出在相同頸靜脈球高度下，橫竇狹窄程度的增加會(huì)導(dǎo)致SSWA區(qū)域壁面壓力不同程度的升高。當(dāng)頸靜脈球高度為0 cm時(shí)，橫竇狹窄程度的增加對(duì)TAPavg的影響最大。

2.2 渦量

為了量化不同血管模型之間的速度流線差異，研究了SS處的TAVavgV變化。圖6中黑色箭頭所指白色區(qū)域?yàn)镾S的位置。結(jié)果表明，隨著頸靜脈球高度的升高，SS處的TAVavgV并無明顯的變化。當(dāng)頸靜脈球高度為0 cm時(shí)，隨著橫竇狹窄程度的增加，TAVavgV分別增加21.78%、45.42%、147.26%；當(dāng)頸靜脈球高度為0.5 cm時(shí)，TAVavgV分別增加22.79%、43.27%、144.99%；當(dāng)頸靜脈球高度為1.0 cm時(shí)，TAVavgV分別增加21.55%、45.20%、155.93%?？梢钥闯鲱i靜脈球高度相同時(shí)，隨著橫竇狹窄程度的增加，TAVavgV具有明顯變化，當(dāng)橫竇狹窄程度達(dá)到75%時(shí)，TAVavgV變化最大。

圖6 SS的位置Figure 6 SS position

2.3 血流流線圖

圖7為時(shí)間T1時(shí)刻的速度流線。隨著橫竇狹窄程度的增加，渦量逐漸增大，流線變得更加無序。通過流線圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)高速流線撞擊乙狀竇壁，然后達(dá)到SSWA區(qū)。當(dāng)頸靜脈球高度不變時(shí)，橫竇狹窄程度50%和75%可見狹窄后區(qū)域血流加速。當(dāng)橫竇狹窄程度不變時(shí)，頸靜脈球高度的變化對(duì)乙狀竇區(qū)域的血流并未見明顯的影響。

圖7 血流流線圖Figure 7 The streamline of blood flow

3 討論

本研究首次采用橫竇狹窄合并頸靜脈球高位理想化模型定量探究其對(duì)乙狀竇血管血流動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果顯示，橫竇狹窄和頸靜脈球高位可引起異常的壁面壓力，這與Fan的工作是一致的[30]。在相同橫竇狹窄程度下，頸靜脈球高度的升高會(huì)增加SSWA區(qū)域的壁面壓力，但是頸靜脈球高度0.5 cm與1.0 cm相比，并無明顯的TAPavg增大。這提示當(dāng)頸靜脈球高度達(dá)到某一個(gè)高度時(shí)，繼續(xù)升高的頸靜脈球?qū)σ覡罡]區(qū)壁面壓力影響可能不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化。不同的橫竇狹窄程度中，升高的頸靜脈球?qū)APavg的影響不同，其中25%狹窄程度影響最大，75%狹窄程度影響最小。在相同的頸靜脈球高度下，橫竇狹窄程度的加深都會(huì)造成TAPavg的增大。當(dāng)頸靜脈球高度為0 cm時(shí)，TSS對(duì)TAPavg的影響最大。由此可以看出，頸靜脈球高度的升高和橫竇狹窄程度的加深，都會(huì)造成TAPavg的增加，并且頸靜脈球高位會(huì)加深橫竇狹窄所造成的異常壁面壓力。此外，本研究顯示的壁面壓力升高區(qū)域與患者骨壁缺失區(qū)域相吻合，這提示SSWD的發(fā)生可能是由長期以往的異常壁面壓力所造成。SS區(qū)域的異常壁面壓力引起覆蓋在SS區(qū)周圍組織上的顳骨振動(dòng)反應(yīng)[31]。隨著時(shí)間的推移，SS區(qū)周圍的顳骨會(huì)變薄，甚至裂開[32]。而對(duì)于患有SSWD的PT患者，血管振動(dòng)可以通過空氣從顳骨直接傳播到鼓膜[30]。鼓膜有較強(qiáng)的血流聲，這是由于骨傳導(dǎo)增強(qiáng)或外聲屏蔽減弱所致。因此對(duì)于橫竇狹窄合并SSWD的患者，僅治療SSWD可能會(huì)在一定程度上增加再次發(fā)生骨壁損傷和耳鳴的概率。

從橫竇射出的靜脈血流在橫竇-乙狀竇交界處急劇轉(zhuǎn)向，影響SSWA區(qū)的管腔，并在橫竇-乙狀竇交界處形成明顯的渦流[33]。先前的研究表明，在存在SSWD的情況下，SS中的渦流產(chǎn)生的聲音可以通過空氣傳遞到中耳，或者通過骨傳導(dǎo)傳遞到內(nèi)耳[34]。本研究表明，在橫竇狹窄程度不變的條件下，頸靜脈球高度的變化對(duì)TAVavgV影響不大。當(dāng)頸靜脈球高度不變時(shí)，橫竇狹窄程度越大，TAVavgV值越大。此外，不同的頸靜脈球高度下，橫竇狹窄對(duì)TAVavgV的影響程度差異不大。因此當(dāng)患者存在橫竇狹窄合并SSWD時(shí)，頸靜脈球高度的升高對(duì)TAVavgV影響較小，患者的耳鳴程度可能并不會(huì)因此而加深。

本研究通過定量計(jì)算，對(duì)橫竇狹窄合并頸靜脈球高位對(duì)乙狀竇血流動(dòng)力學(xué)的影響有了更加深入的了解，但僅僅是從橫竇狹窄程度和頸靜脈球高度進(jìn)行探究，對(duì)于患者自身的生理、病理因素沒有探討。橫竇狹窄所在的位置、類型等都會(huì)對(duì)乙狀竇處的血流動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響，這將是下一步需要繼續(xù)探討的問題。此外，本研究樣本量不足，后續(xù)研究需要擴(kuò)大樣本量，增加結(jié)論的證據(jù)力和有效性。

4 結(jié)論

通過對(duì)橫竇狹窄合并頸靜脈球高位的靜脈血管進(jìn)行三維重建和有限元分析，定量計(jì)算了對(duì)乙狀竇血管的血流動(dòng)力學(xué)影響。結(jié)果表明，在相同的橫竇狹窄程度下，頸靜脈球高度的變化對(duì)SSWA區(qū)域的TAPavg影響較大，而對(duì)SS處的TAVavgV影響不明顯。在相同的頸靜脈球高度下，橫竇狹窄程度的加深，對(duì)SSWA區(qū)域的TAPavg和SS處的TAVavgV均有明顯的影響。當(dāng)橫竇狹窄與頸靜脈球高位同時(shí)存在時(shí)，橫竇狹窄對(duì)乙狀竇血管血流動(dòng)力學(xué)的影響顯著，可能是導(dǎo)致PT的主要原因。SSWD可能是由高速血流沖擊而成。