基于MRA的大腦中動脈瘤血液流變特性研究

樊俊杰 陳廣新 郭金興 張洋

[關(guān)鍵詞]大腦中動脈瘤；血流動力學(xué)；紊流；瘤體破裂

大腦中動脈瘤（middlecerebralarteryaneurysm，MCAA）是血管壁異常改變造成局部向外膨出的瘤樣凸起，伴有較高蛛網(wǎng)膜下腔出血的風(fēng)險，具有高病死率、高致殘率等，因此對MCAA進(jìn)行深度認(rèn)識及研究破裂影響因素十分必要[1-2]。大腦中動脈位于顱內(nèi)動脈wills環(huán)，負(fù)責(zé)大腦半球背外側(cè)面以及島葉的血供。但由于顱骨結(jié)構(gòu)包繞，目前常規(guī)醫(yī)學(xué)檢查較難對MCAA內(nèi)的血液特性進(jìn)行精準(zhǔn)測量及變化監(jiān)測[3]。血流動力學(xué)仿真計算是指計算機(jī)求解方程探討流體領(lǐng)域模擬的技術(shù)，目前已廣泛用于分析動脈瘤的起始、生長和破裂，且顱內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)具有局部形態(tài)特異性，可作為MCAA形成風(fēng)險指標(biāo)探尋的首要研究對象[4-6]。MCAA破裂的確切病理生理機(jī)制尚不清楚，但由于血流動力學(xué)應(yīng)激效應(yīng)被認(rèn)為是影響血管壁局灶性退行性機(jī)制的重要觸發(fā)因素，因此本研究對MCAA和周圍血管網(wǎng)的血流動力學(xué)因素進(jìn)行了研究，以了解動脈瘤內(nèi)部的血流動力學(xué)改變，有助于加深對動脈瘤演變的理解，為臨床醫(yī)生治療MCAA提供參考。

1資料與方法

1.1一般資料

收集2018年3月至2019年12月牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院（我院）診斷為MCAA及正常大腦中動脈的磁共振血管成像（magneticresonanceangiography，MRA），以大腦中動脈MRA圖像為基礎(chǔ)構(gòu)建動脈三維幾何模型，分為動脈瘤組與對照組，每組各15例，于我院放射科進(jìn)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(jìn)行光盤存儲。本研究經(jīng)牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查、批準(zhǔn)。

1.2基底動脈三維模型重建

MRA圖像通過高級可視化MIMICS軟件（比利時，Materialise公司）生成動脈瘤及其周圍血管網(wǎng)系統(tǒng)的三維模型。該軟件以Dicom（醫(yī)學(xué)中的數(shù)字圖像和通信）格式的MRA圖像創(chuàng)建血管系統(tǒng)的空間重建。以閾值分割劃分感興趣區(qū)域，對部分血管進(jìn)行人工勾畫，依據(jù)多平面確認(rèn)三維重建的窗口，以保證準(zhǔn)確測量，見圖1。重建模型格式保存為STL，導(dǎo)入3-MATIC軟件（比利時，Materialise公司）中進(jìn)行模型光滑處理，并進(jìn)行模型質(zhì)量診斷，得到合格模型后保存為STL格式，見圖2。

1.3網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入ANSYSFLUENTMESHING（ANSYS，美國）軟件中進(jìn)行模型出入口定義，對模型進(jìn)行劃分面及體網(wǎng)格，并進(jìn)行優(yōu)化處理。所有模型網(wǎng)格數(shù)量分布在638517～858529，設(shè)置模型屬性為流體，為后續(xù)計算分析作準(zhǔn)備。為使計算結(jié)果更具準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行6層邊界層加密處理。

1.4邊界條件與計算設(shè)置

數(shù)值模擬計算分析假設(shè)大腦中動脈管壁為剛性，將血液狀態(tài)設(shè)置為層流，血流定義為牛頓流體屬性[7]。大腦中動脈管壁邊界入口條件設(shè)定為速度入口（圖3）。設(shè)定血液密度ρ=1060kg/m3，設(shè)置血液黏度為4g/（m·s），計算運(yùn)行過程使用Fluent（ANSYS，美國）軟件[8]。

1.5血流動力學(xué)參數(shù)指標(biāo)選取及統(tǒng)計分析

目前認(rèn)為動脈瘤形成及發(fā)生發(fā)展過程中與血流動力學(xué)因素密切相關(guān)，故本研究選取血流速度、壁面壓力（wallpressure，WP）及震蕩剪切系數(shù)（oscillatoryshearstress，OSI）三項指標(biāo)進(jìn)行說明分析[9]。血流速度表示血液在動脈內(nèi)部的流動情況，正常血流為中心稍高速血流伴周邊低速血流分布情況[10]。血液在血管內(nèi)部流動過程中對血管內(nèi)壁進(jìn)行摩擦，這種垂直切向力稱之為壁面切應(yīng)力[11]。OSI為無單位參數(shù)指標(biāo)，大小為0～1，其數(shù)值越大，代表壁面切應(yīng)力方向變化較大[12]。對大腦中動脈的血流速度、WP及OSI進(jìn)行采點，采樣點為60。

1.6統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS26.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，符合正態(tài)分布的計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，采用兩獨立樣本t檢驗比較；不符合正態(tài)分布的計量資料以M（P25，P75）表示，采用Wilcoxon符號秩和檢驗進(jìn)行分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1兩組血流動力學(xué)參數(shù)比較

動脈瘤組血流速度、WP及OSI均高于對照組，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），見表1。

2.2動脈瘤血流速度云圖

對照組整體血流速度較低，表現(xiàn)為均勻?qū)訝钛鳌φ战M內(nèi)大腦中動脈及大腦前動脈血液分布較對稱，僅在血管分叉處伴少許紊亂血流。動脈瘤組內(nèi)部血流紊亂，呈現(xiàn)擾動模式。瘤體內(nèi)部血流紊亂，表現(xiàn)為低速渦流狀態(tài)；動脈瘤組左右側(cè)大腦前動脈血流速度不對稱，其中左側(cè)大腦前動脈起始段及雙側(cè)大腦中動脈可見高速紊流。見圖4。

2.3動脈瘤WP云圖

對照組內(nèi)動脈為均勻低WP，左右側(cè)大腦前、中動脈WP分布對稱。動脈瘤組可見左側(cè)頸內(nèi)動脈至動脈瘤前部血管表現(xiàn)為高WP，動脈瘤為中等WP，瘤體遠(yuǎn)部血管為低WP。動脈瘤組雙側(cè)顱內(nèi)血管壁壓分布不對稱，以瘤體側(cè)血管高WP明顯。見圖5。

2.4動脈瘤震蕩剪切系數(shù)云圖

對照組為均勻低OSI值，在血管分叉處見稍高OSI區(qū)域，雙側(cè)顱內(nèi)血管OSI值對稱。動脈瘤組內(nèi)OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布團(tuán)塊狀高OSI區(qū)域，同時雙側(cè)大腦前動脈、前交通動脈仍有高OSI局部波動。見圖6。

3討論

本研究采用計算流體力學(xué)方法對MCAA進(jìn)行血流動力學(xué)分析，觀察分析MCAA內(nèi)部血流動力學(xué)變化，并對血流速度、WP及OSI分布進(jìn)行討論。

正常血管內(nèi)部血液流動具有分層現(xiàn)象，以中間稍高速血流周圍低速血流分布，該模式使血液內(nèi)部物質(zhì)有效運(yùn)輸，減少與血管壁的摩擦，同時避免致動脈粥樣硬化物質(zhì)沉積管壁[13]。在動脈瘤組中觀察到動脈瘤體內(nèi)部血流紊亂，呈現(xiàn)擾動模式，瘤體內(nèi)部血流紊亂，表現(xiàn)為低速渦流狀態(tài)；動脈瘤組左右側(cè)大腦前動脈血流速度不對稱，其中左側(cè)大腦前動脈起始段及雙側(cè)大腦中動脈可見高速紊流。當(dāng)正常血流狀態(tài)被破壞，容易引發(fā)炎性物質(zhì)沉積，特別是流動分離發(fā)生的位置，提高低密度脂蛋白濃度極化概率，加速動脈瘤破裂進(jìn)程[2，4]。本研究表明，動脈瘤組較對照組相比，血液更紊亂，伴有渦流、流動分離等現(xiàn)象產(chǎn)生，瘤體前后段血管血流速度不對稱，具有較大速度差異，瘤體破裂風(fēng)險較高。

WP是血液流動狀態(tài)下對血管壁產(chǎn)生的垂直壓力[14]。穩(wěn)定和正常的WP有助于內(nèi)皮細(xì)胞積極的表達(dá)，釋放有益的生物因子，維護(hù)血管內(nèi)正常的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)動脈瘤使顱內(nèi)血管WP差異較大，分布落差較大，瘤體及瘤體周圍血管具有高壁壓。長期高WP是血管內(nèi)中外膜結(jié)構(gòu)改變，破壞正常細(xì)胞表達(dá)，在壓降較大處內(nèi)皮細(xì)胞受損加大，破壞加重，進(jìn)一步形成不穩(wěn)定WP，形成惡性循環(huán)[15-16]。本研究顯示，動脈瘤組較對照組相比，瘤體表現(xiàn)為高WP且瘤體前后段WP不對稱，具有較大壓降，瘤體破裂風(fēng)險較高。

OSI數(shù)值范圍為0～1，為無單位參數(shù)指標(biāo)，數(shù)值越大表示血液流動方向變化較大，甚至發(fā)生倒流等情況；反之亦然，當(dāng)OSI數(shù)值越小時即代表血液流動情況穩(wěn)定，為正常前進(jìn)情況，血液流動強(qiáng)度和前進(jìn)方向穩(wěn)定[17-18]。OSI數(shù)值越大，代表壁面切應(yīng)力方向變化較大，但其大小與壁面切應(yīng)力大小無緊密聯(lián)系，多與血管內(nèi)部區(qū)域流場的干擾情況有關(guān)[8，19]。本研究組中動脈瘤組內(nèi)OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布團(tuán)塊狀高OSI區(qū)域，同時雙側(cè)大腦前動脈局部仍有OSI波動，表示瘤體、瘤頸血流方向變化較大，血流流場擾亂程度較重，與血流速度參數(shù)中表現(xiàn)的渦流區(qū)域重合。本研究表明，動脈瘤組較對照組相比，瘤體OSI變化顯著，伴有團(tuán)塊狀高OSI波動，瘤體破裂風(fēng)險較高。

4 總結(jié)

本研究采用MCAA模型，分析動脈瘤引起的血流動力學(xué)差異，結(jié)果顯示，動脈瘤組的血流動力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果血流速度、WP及OSI均高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。動脈瘤組瘤體內(nèi)血流紊亂，表現(xiàn)為低速渦流狀態(tài)；動脈瘤組左側(cè)頸內(nèi)動脈至瘤頸前部血管表現(xiàn)為高壁壓，雙側(cè)顱內(nèi)血管血流速度及壁壓不對稱；動脈瘤組內(nèi)OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布小片狀、團(tuán)塊狀高OSI區(qū)域，同時雙側(cè)大腦前動脈、前交通動脈可見OSI局部波動。最后得出MCAA體內(nèi)表現(xiàn)為血流紊亂、高WP及高OSI波動，提高血管壁損傷概率及加快瘤體破裂進(jìn)程，增大了動脈瘤破裂的風(fēng)險。本研究也存在一定局限性，樣本量較少，僅收集30例患者圖像進(jìn)行分析，在之后的研究中需擴(kuò)大樣本量同時增加臨床相關(guān)信息聯(lián)合分析。試驗邊界條件設(shè)定血管壁為剛性，與人體內(nèi)部真實血管具有部分差異；同時本研究將血液假設(shè)為層流及牛頓液體，與真實多成分血液仍有差異。