基于曲率的破裂腹主動(dòng)脈瘤計(jì)算流體力學(xué)研究

滕碧云， 王 哲， 周治軍， 趙 渝

腹主動(dòng)脈瘤（abdominal aortic aneurysm， AAA）一旦發(fā)生破裂，病死率可高達(dá)80%［1］。目前研究顯示AAA 直徑在男性達(dá)到55 mm， 女性達(dá)到50 mm，或發(fā)展速度為8.0 mm/年，或出現(xiàn)腹痛等癥狀，可考慮先兆破裂或破裂，予以手術(shù)干預(yù)修復(fù)［2-4］。 但也存在較大直徑動(dòng)脈瘤保持完好，而直徑較小動(dòng)脈瘤破裂的報(bào)道［2-3］。 可見僅以動(dòng)脈瘤直徑預(yù)測AAA 破裂有一定局限性。 計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）及血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)在動(dòng)脈瘤發(fā)生、發(fā)展及破裂方面有一定作用［5］。本文圍繞AAA 血流動(dòng)力學(xué)和曲率等AAA 破裂因素進(jìn)行差異性及相關(guān)研究。

1 材料與方法

1.1 患者選擇和數(shù)據(jù)收集

選取2019 年10 月至2020 年12 月于重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院住院治療的AAA 患者。 納入標(biāo)準(zhǔn)： 經(jīng)CTA 明確診斷為AAA。 排除標(biāo)準(zhǔn)： 腎上AAA，創(chuàng)傷性/結(jié)核性/多發(fā)性AAA，大動(dòng)脈炎，無CTA影像資料。

收集AAA 患者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息（性別、年齡、入院時(shí)血壓、既往病史等）及入院時(shí)以醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式保存的CTA 圖像資料。

1.2 建立三維幾何模型

將AAA 患者CTA 導(dǎo)入Mimics Medical 20.0 逆向工程處理軟件進(jìn)行三維圖像生成和編輯處理。 采用灰度圖像閾值工具分割A(yù)AA，從腎下主動(dòng)脈瘤體上2 cm 至髂外起始段截取圖像， 排除動(dòng)脈小分支以降低幾何形狀的復(fù)雜性，測量患者特定模型的瘤體最大直徑、瘤頸直徑和曲率（彎曲程度）（圖1）。三維平滑重建模型， 以立體光刻（stereolithography，STL）文件格式輸出。

圖1 AAA 三維成像與解剖學(xué)數(shù)據(jù)測量

1.3 建立網(wǎng)格模型

采用Mimics 自帶軟件3-Matic 對三維幾何模型進(jìn)行優(yōu)化處理，消除對分析結(jié)果不造成影響或影響較少的小細(xì)節(jié)部分。 采用Ansys 15.0 有限元分析軟件中基于柵格理論的三維六面體網(wǎng)格法進(jìn)行自動(dòng)劃分設(shè)置。

1.4 有限元分析

采用Ansys Fluent 15.0 CFD 軟件求解器中有限體積法， 求解瞬態(tài)條件下流體運(yùn)動(dòng)Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程。 假設(shè)血液是具有牛頓特性的不可壓縮流體，其恒定的動(dòng)態(tài)黏度和血液密度分別為ρ=1.050 g/cm3和μ=0.003 5 Pa/s［6］；血管壁為非線性、各向同性超彈性材料，密度2 g/cm3，彈性模量2.7 MPa，泊松比0.45［7］。 計(jì)算過程中入口條件為特定的流速曲線，流速值為0.8 m/s，入口邊界壓力為140 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），而出口邊界應(yīng)用零擴(kuò)散流量邊界的條件外流［8］。通過CFD 模擬和有限元分析生成壁剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）值和圖像（圖2）。

圖2 AAA 的WSS 圖像

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s 描述， 組間比較用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)， 計(jì)數(shù)資料比較用精確Fisher 檢驗(yàn)，組內(nèi)比較用配對樣本t 檢驗(yàn)，相關(guān)性分析用Pearson相關(guān)分析法； 非正態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù)（4 分位間距）表示，組間比較用Mann-Whitney U 檢驗(yàn)，組內(nèi)相關(guān)性分析用Spearman 相關(guān)分析法。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 采用R 語言（2020）中“Performance Analytics”、“Forestplot” 包對分析結(jié)果進(jìn)行可視化。

2 結(jié)果

共納入35 例AAA 患者，其中瘤體破裂13 例，未破裂22 例。 兩組患者臨床基線資料差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表1。 單因素logistic 回歸分析顯示瘤體最大直徑是AAA 獨(dú)立危險(xiǎn)因素（OR=1.095，P=0.003），見圖3。

表1 AAA 患者臨床基線資料

圖3 AAA 患者單因素logistic 回歸分析結(jié)果

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，瘤體最大直徑與瘤頸直徑呈負(fù)相關(guān)（r=-0.732，P＜0.01），與曲率呈正相關(guān)（r=0.492，P=0.003）。 通過繪制相關(guān)性矩陣圖，可直觀看出瘤體最大直徑、 瘤頸直徑及曲率的相關(guān)性（圖4）。

圖4 瘤體最大直徑、瘤頸直徑、曲率相關(guān)性矩陣圖

對比分析結(jié)果顯示，破裂組瘤體破裂處WSS 均值為0.025（0.049/0.018） Pa，比最大血流沖擊處WSS 0.549（0.839/0.492） Pa 顯著降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.001）； 未破裂組瘤體最大血流沖擊處WSS 均值為（1.378±0.255） Pa，顯著大于破裂組（P＜0.01），表明AAA 破裂更易發(fā)生在低WSS 區(qū)域， 而不是高WSS 區(qū)域；兩組瘤體最大直徑、曲率比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表2。

表2 破裂組與未破裂組對比分析結(jié)果

血流動(dòng)力學(xué)流線圖顯示，瘤體入口處血流為順行層流，流速較快，隨著管腔增大出現(xiàn)低流速湍流及環(huán)形渦流，而瘤體出口直徑縮小，血流受阻，逆向血流反向作用于瘤體，出現(xiàn)遠(yuǎn)端瘤體流速高于近端瘤體現(xiàn)象， 但瘤體內(nèi)流速仍低于瘤體入口和出口處，見圖5。

圖5 AAA 血流速度流線圖

3 討論

目前臨床上以瘤體最大直徑為動(dòng)脈瘤主要手術(shù)或介入標(biāo)準(zhǔn)，對于未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)脈瘤，建議隨訪觀察至符合手術(shù)要求、有臨床癥狀或破裂，但瘤體直徑并非瘤體破裂的唯一因素。 因此，需有更可靠的方式及時(shí)評估AAA 風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)測瘤體破裂，減少病死率。

在解剖因素方面， 許多參數(shù)影響著AAA 血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果，進(jìn)而對其破裂和擴(kuò)張率估計(jì)有重要意義［9］。 Jing 等［10］研究評估動(dòng)脈瘤血管壁外科檢查結(jié)果及WSS 作用， 發(fā)現(xiàn)血管壁厚度與WSS 相關(guān)。Nieto-Palomo 等［11］研究認(rèn)為，AAA 不對稱性與血流動(dòng)力學(xué)應(yīng)力間不對稱性相關(guān)， 從而影響了瘤體破裂。 本研究發(fā)現(xiàn)35 例AAA 患者瘤體最大直徑與瘤頸直徑呈負(fù)相關(guān)。 近年關(guān)于瘤體最大直徑與瘤頸相關(guān)性研究較少，有不同研究認(rèn)為瘤體最大直徑與瘤頸直徑呈弱正相關(guān)［12-13］。 也有研究表明近端瘤頸直徑與瘤體最大直徑無相關(guān)性［14］。 本研究結(jié)果與之不同，可能與樣本量及瘤體大小差異等有關(guān)。Armon 等［15］研究認(rèn)為動(dòng)脈瘤直徑＞7 cm 時(shí)，近端瘤頸隨著瘤體大小增大而加寬。

本研究還發(fā)現(xiàn)瘤體最大直徑與曲率呈正相關(guān)，直徑、曲率增加和WSS 降低更易引起AAA 破裂。曲率隨著最大直徑增大而增大，瘤體出現(xiàn)復(fù)雜的血流模式， 渦流形成， 血流速度和壁面強(qiáng)度隨之降低。WSS 為血流與血管壁的摩擦力，血流速度降低導(dǎo)致WSS 下降。 隨著壁面強(qiáng)度降低，動(dòng)脈瘤直徑、曲率隨之增大，WSS 隨之減小，相互影響形成惡性循環(huán)，加重AAA 破裂風(fēng)險(xiǎn)。 血流射流沖擊區(qū)高WSS 可破壞可觸發(fā)壁細(xì)胞介導(dǎo)的破壞性重塑，與動(dòng)脈瘤發(fā)生有關(guān)［16］；暴露于低WSS 的血管平滑肌細(xì)胞，觸發(fā)促炎和促氧化細(xì)胞表達(dá)模式，降低細(xì)胞活性［17-18］，促進(jìn)血管內(nèi)斑塊形成，從而阻礙血管內(nèi)皮細(xì)胞從血流中獲取營養(yǎng)，導(dǎo)致動(dòng)脈壁結(jié)構(gòu)蛋白破壞，增加AAA 破裂風(fēng)險(xiǎn)［19］。

當(dāng)然，腔內(nèi)血栓也影響AAA 擴(kuò)張和破裂［6，20-21］。有研究認(rèn)為血栓存在會增加AAA 瘤壁壓力和缺氧可能，引起其發(fā)生退變，進(jìn)而強(qiáng)度降低，以致破裂［22-23］。 但也有研究顯示腔內(nèi)血栓通過降低壁壓力提供保護(hù)性生物力學(xué)優(yōu)勢， 使主動(dòng)脈壁不再直接暴露于低而振蕩的WSS 中， 減少AAA 破裂風(fēng)險(xiǎn)［24-25］。

本研究存在一些局限， 對AAA 血流動(dòng)力學(xué)模型血管壁、血流速度、血液黏度等做出一定假設(shè)，可能掩蓋了不同個(gè)體不同部位血管壁厚度、血流流速流量不穩(wěn)定性及血液黏度對其他參數(shù)的影響。 無法準(zhǔn)確得知WSS 降低是導(dǎo)致AAA 破裂的原因還是結(jié)果，且患者數(shù)量較少，需要擴(kuò)大樣本量，納入更多患者參數(shù)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證幾何因素、血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)及AAA 破裂間相關(guān)性，并深入探索影響AAA 破裂的因素及所起的作用。