串聯(lián)型頸動(dòng)脈狹窄的血流動(dòng)力學(xué)模擬分析

曹俊杰， 姚志超， 霍桂軍， 劉占鰲， 湯 堯， 黃 劍， 周大勇， 沈利明

腦卒中是全球范圍內(nèi)的第二位死亡原因，也是我國(guó)居民致殘和致死的首要病因， 其中缺血性卒中約占腦卒中發(fā)病率的70%， 頸動(dòng)脈狹窄則占缺血性卒中病因的15%～20%［1-4］。 目前，治療頸動(dòng)脈狹窄常用的手術(shù)方式為頸動(dòng)脈支架植入術(shù)（carotid artery stenting，CAS） 和頸動(dòng)脈內(nèi)膜剝脫術(shù)（carotid endarterectomy，CEA），CEA 已被認(rèn)為是治療頸動(dòng)脈狹窄的金標(biāo)準(zhǔn)［5-6］。

串聯(lián)型頸動(dòng)脈狹窄（tandem carotid artery stenosis，TCAS）是指在頸動(dòng)脈不同水平的同時(shí)狹窄，發(fā)生率為2.1%～5.0%［7-8］。雖然發(fā)生率相對(duì)較低，但形態(tài)學(xué)表現(xiàn)復(fù)雜，且多伴隨復(fù)雜的血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，既往治療頸動(dòng)脈狹窄適用的單純CEA 或CAS 術(shù)往往無(wú)法達(dá)到令人滿意的改善腦灌注、 減少腦卒中的作用［9-10］。 因此，如何有效處理TCAS 的兩處不同狹窄，是臨床治療面臨的難題與挑戰(zhàn)。

近年來(lái)， 基于影像學(xué)技術(shù)與計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)在血管病變模擬及手術(shù)療效評(píng)價(jià)方面取得了諸多進(jìn)展，已廣泛應(yīng)用于門(mén)靜脈系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及主動(dòng)脈系統(tǒng)［11］，但尚缺乏關(guān)于TCAS 的CFD 模擬研究。 本研究招募了1 例頸內(nèi)動(dòng)脈和頸總動(dòng)脈串聯(lián)狹窄的患者，通過(guò)CTA 數(shù)據(jù)重建了三維頸動(dòng)脈分叉模型并進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)模擬，探討其發(fā)生發(fā)展過(guò)程及不同手術(shù)方式對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

選取1 例2022 年就診于南京醫(yī)科大學(xué)姑蘇學(xué)院/蘇州市立醫(yī)院（本部）且頸動(dòng)脈CTA 確認(rèn)存在頸總動(dòng)脈（common carotid artery，CCA）和頸內(nèi)動(dòng)脈（internal carotid artery，ICA）串聯(lián)狹窄患者。男，76 歲，頭暈、乏力1 月余，有吸煙史，無(wú)外傷史、手術(shù)史，無(wú)高血壓、糖尿病、冠心病、腦卒中等慢性病史。 本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并簽署知情同意書(shū)。

1.2 模型構(gòu)建

將DICOM 格式CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS 軟件（MATERIALISE 公司，比利時(shí)）中，使用閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、 冗余刪除等方法重建頸動(dòng)脈分叉處模型，輸出STL 格式文件后導(dǎo)入3-MATIC（MATERIALISE公司，比利時(shí)）進(jìn)行表面光滑、模型切割等再處理，再以各血管中心線為基準(zhǔn)裁剪，得到垂直于中心線的出入口平面［12］。

患者特異性頸動(dòng)脈分叉的重建幾何結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在CCA 近分叉處存在一個(gè)狹窄， 在ICA 存在2 個(gè)狹窄并被一個(gè)小突起分開(kāi)。 由于ICA 的2 個(gè)狹窄彼此接近，本研究將其合并視為1 個(gè)狹窄，建立真實(shí)模型即模型1。 狹窄程度使用北美癥狀性頸動(dòng)脈內(nèi)膜剝脫術(shù)中的方法進(jìn)行計(jì)算。 建立真實(shí)模型后，通過(guò)去除CCA 狹窄建立模型2， 去除ICA 狹窄建立模型3，兩處狹窄均去除建立模型4，這3 個(gè)假定模型用以模擬不同的手術(shù)處理方式。 模型4 也可認(rèn)為是健康者模型。

圖1 頸動(dòng)脈模型構(gòu)建

1.3 CFD 計(jì)算

網(wǎng)格劃分： 使用3-MATIC 中Remesh 功能畫(huà)出體表網(wǎng)格并進(jìn)行質(zhì)量修整， 將保存的STL 文件導(dǎo)入FLUENT 軟件（ANSYS 公司，美國(guó)）中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精度，邊界層采用6 層加密，增長(zhǎng)率1.2，網(wǎng)格類型為Poly-Hexcore 網(wǎng)格并進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證，滿足精度要求，得出面網(wǎng)格、體網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格，見(jiàn)圖2。4 個(gè)模型生成網(wǎng)格數(shù)均為20～30 萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格化

參數(shù)設(shè)置：根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，血液被設(shè)定為絕熱、均勻、不可壓縮的牛頓力學(xué)流體，密度設(shè)定為1 060 kg/m3、粘度系數(shù)設(shè)定為0.003 5 Pa·s［13］。 由于血管內(nèi)壓力較小，計(jì)算雷諾數(shù)均RE＜2 300，故流動(dòng)方式定義為層流［14］。

邊界條件：為了真實(shí)反映頸動(dòng)脈內(nèi)血流情況，采用生理脈動(dòng)流動(dòng)條件， 將速度入口和壓力出口作為邊界條件。CCA 入口處速度曲線及ICA、頸外動(dòng)脈（external carotid artery，ECA）出口處壓力曲線［15-17］見(jiàn)圖3。 血管壁為不可壓縮的剛性壁，不考慮重力加速度的影響。

圖3 出入口條件

計(jì)算設(shè)置： 使用FLUENT 求解， 壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法， 計(jì)算收斂條件殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-4。迭代次數(shù)設(shè)置1 000 次，時(shí)間步長(zhǎng)0.002 s，總時(shí)長(zhǎng)2 s（2 個(gè)心動(dòng)周期）。 為減少誤差，取第2 個(gè)心動(dòng)周期中計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)用于后處理及分析。

結(jié)果分析： 使用后處理軟件CFD-post（ANSYS公司，美國(guó)）進(jìn)行結(jié)果可視化及分析，除流量、流速、壁面剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）等常規(guī)參數(shù)外，使用了WSS 相關(guān)的衍生參數(shù)，如時(shí)間平均壁面剪切應(yīng)力（time-average wall shear stress，TaWSS）、剪切振蕩系數(shù)（oscillatory shear index，OSI）和相對(duì)停留時(shí)間（relative residence time，RRT）。 TaWSS：為整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)WSS 的時(shí)間加權(quán)平均值，反映了單位時(shí)間內(nèi)血流向局部切線平面運(yùn)動(dòng)時(shí)血管壁產(chǎn)生的摩擦力［18］。OSI：描述了局部WSS 在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)方向改變的大小，用于衡量WSS 在流場(chǎng)中震蕩水平的強(qiáng)弱［19］。 RRT：結(jié)合了TaWSS 及OSI，量化血液處于低剪切、高振蕩狀態(tài)的程度［20］。

為評(píng)估整個(gè)心動(dòng)周期過(guò)程中4 個(gè)頸動(dòng)脈分叉模型血流動(dòng)力學(xué)改變情況，選取心動(dòng)周期中T1、T2、T3、T4 共4 個(gè)不同時(shí)刻及a、b、c、d、e 共5 個(gè)不同截面進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。

圖4 心動(dòng)周期內(nèi)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與截面選取

2 結(jié)果

2.1 血液流量

真實(shí)模型與假定模型的速度入口、壓力出口邊界條件均相同。 因此，當(dāng)流體域幾何形狀基于不同狹窄條件而發(fā)生改變時(shí)， 分配到ICA 和ECA 的血流質(zhì)量流率在各模型之間是不同的。 4 個(gè)模型中心動(dòng)周期內(nèi)從ICA 及ECA 流出的血液質(zhì)量流率曲線，見(jiàn)圖5。可見(jiàn)①在心動(dòng)周期的大部分時(shí)間，通過(guò)ICA 流出的血液多于ECA，這是因?yàn)镮CA 直徑大于ECA；②當(dāng)CCA狹窄時(shí)，通過(guò)ECA 流出的血液多于ICA，而ICA 血流減少使血管壁的WSS 降低， 可能導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生；③當(dāng)ICA 狹窄時(shí)，ICA 和ECA 之間的血液分布變得均勻，因?yàn)榇藭r(shí)ICA喪失了直徑大的優(yōu)勢(shì)；④當(dāng)ICA 與CCA 同時(shí)狹窄時(shí)，ICA 和ECA 之間的血液分布有明顯差異，因?yàn)橛懈嗟难鹤訣CA 流出。

圖5 血液質(zhì)量流率

2.2 血流速度

隨著不同模型狹窄情況的改變，血液流動(dòng)也發(fā)生了變化。 流動(dòng)行為的復(fù)雜性導(dǎo)致了后續(xù)血管內(nèi)狹窄的形成與發(fā)展。 將4 個(gè)模型中T1、T2、T3、T4 4 個(gè)不同時(shí)刻及a、b、c、d、e 共5 個(gè)不同截面的血流速度進(jìn)行繪制，見(jiàn)圖6。 可見(jiàn)各模型在相同時(shí)間、相同截面的血流速度有著重大差異， 在ICA 與CCA 狹窄的部位可見(jiàn)明顯流速增快，這證明了狹窄更易導(dǎo)致血液湍流的產(chǎn)生。 此外，CCA 狹窄會(huì)導(dǎo)致頸動(dòng)脈分叉部位的流速加快及流動(dòng)分離，引起ICA 血流流動(dòng)行為的改變， 而ICA 的狹窄對(duì)CCA 血流基本無(wú)影響。 另外，串聯(lián)狹窄的真實(shí)模型比其他假定模型具有更為復(fù)雜的血流行為改變。

圖6 心動(dòng)周期內(nèi)各模型血流速度變化情況

2.3 WSS

WSS 與動(dòng)脈粥樣硬化的形成和斑塊易損性密切相關(guān)。4 個(gè)模型心動(dòng)周期不同時(shí)刻WSS 的情況見(jiàn)圖7。 可見(jiàn)串聯(lián)狹窄的模型1 在頸動(dòng)脈分叉處具有最高的WSS，僅CCA 狹窄的模型3 有較高的WSS，而僅ICA 狹窄的模型2 與無(wú)狹窄的模型4 相應(yīng)位置WSS 明顯較低。結(jié)果表明，隨著無(wú)狹窄到CCA 狹窄再發(fā)展為串聯(lián)狹窄，分叉部位WSS 逐步增大。 此外， 還發(fā)現(xiàn)ICA 狹窄對(duì)分叉處WSS 值的影響較CCA 狹窄所產(chǎn)生的影響小，這可能因?yàn)镮CA 的狹窄程度較CCA 更輕，且ICA 狹窄位于血流下游，對(duì)分叉處血流狀態(tài)影響有限。

圖7 心動(dòng)周期內(nèi)各模型剪切應(yīng)力(WSS) 變化情況

而以無(wú)狹窄的健康模型4 為基準(zhǔn)，可見(jiàn)WSS 多集中于安全范圍（0～7 Pa）內(nèi)，隨著局部狹窄的形成，相對(duì)應(yīng)位置WSS 隨之升高；當(dāng)形成串聯(lián)狹窄時(shí)，WSS 的高值范圍（＞10 Pa）部分明顯擴(kuò)大，這可能更易導(dǎo)致斑塊的脫落。

2.4 TaWSS、OSI、RRT

4 種模型的TaWSS、OSI 和RRT 的情況見(jiàn)圖8。與單一狹窄模型相比，串聯(lián)狹窄模型在ICA 及CCA狹窄部位顯示了更多的高TaWSS 值（＞10 Pa）區(qū)域。而在ICA 狹窄中的突起處可見(jiàn)TaWSS 異常減低的區(qū)域，此處可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。

圖8 各模型TaWSS、OSI、RRT 情況

此外，在無(wú)狹窄的模型4 中，在CCA 分叉處外側(cè)壁可見(jiàn)高OSI 和RRT，表明在這些位置可能已形成斑塊。 在僅CCA 狹窄的模型3 中，高OSI 和RRT區(qū)域出現(xiàn)在ECA 及ICA 外側(cè)壁， 其中ICA 部分正是在串聯(lián)狹窄模型中狹窄形成的位置。 然而，在僅ICA 狹窄的模型2 中，CCA 的OSI 和RRT 與無(wú)狹窄模型幾乎沒(méi)有差異。 證實(shí)在此患者特異性頸動(dòng)脈分叉模型中，CCA 的狹窄更可能首先形成， 并導(dǎo)致了ICA 狹窄的發(fā)生。

3 討論

血流動(dòng)力學(xué)因素所致內(nèi)膜損傷在動(dòng)脈粥樣硬化及斑塊發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起重要作用［21］。 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于頸動(dòng)脈狹窄的血流動(dòng)力學(xué)研究多為單一CCA 或ICA 狹窄，著重于術(shù)前與術(shù)后的對(duì)比以突出手術(shù)的有效性［22-24］，鮮有涉及串聯(lián)狹窄并對(duì)術(shù)前不同方案進(jìn)行模擬對(duì)比以指導(dǎo)手術(shù)的研究。

TCAS 發(fā)病率低，但治療風(fēng)險(xiǎn)高、處理難度大。關(guān)于其治療方案的選擇， 目前無(wú)大樣本的研究報(bào)道，也無(wú)可靠隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)參考，在近期公布的相關(guān)治療指南及共識(shí)中也無(wú)針對(duì)串聯(lián)狹窄的具體處理意見(jiàn)。自1953 年CEA 術(shù)首次在臨床應(yīng)用以來(lái)，現(xiàn)已成為治療頸動(dòng)脈狹窄、預(yù)防腦卒中的主要手段之一，但對(duì)于TCAS 病變尚存在以下局限性：①I(mǎi)CA 遠(yuǎn)端病變范圍有時(shí)可超出CEA 所能暴露的最大視野，致使手術(shù)失?。虎趯?duì)累及CCA 近端及無(wú)名動(dòng)脈的病變，CEA 需術(shù)中開(kāi)胸，創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高［9］。 而CAS 因其創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，目前在頸動(dòng)脈狹窄的治療中被認(rèn)為也是安全有效的， 但其對(duì)于TCAS 病變的治療尚存在以下局限：①對(duì)于過(guò)迂曲的頸動(dòng)脈及2 型、3型主動(dòng)脈弓患者，CAS 操作難度大、手術(shù)失敗率高；②對(duì)于TCAS 病變， 置入多個(gè)支架過(guò)程中易導(dǎo)致腦保護(hù)裝置或支架的剮蹭、移位；③手術(shù)費(fèi)用高［25］。 因此， 通過(guò)CFD 技術(shù)探索TCAS 的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，分析其血流動(dòng)力學(xué)特征， 簡(jiǎn)化甚至優(yōu)化TCAS 的手術(shù)方案是臨床關(guān)注的問(wèn)題。

本研究通過(guò)患者CTA 圖像成功建立了串聯(lián)狹窄真實(shí)模型， 并通過(guò)分別去除CCA 狹窄、ICA 狹窄和兩處狹窄均去除共創(chuàng)建了3 個(gè)假定模型以模擬不同的手術(shù)方案。 通過(guò)將假定模型與真實(shí)模型的CFD 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，最終證實(shí)：①TCAS 中狹窄病變先發(fā)生于血流上游的CCA 區(qū)域，而后影響下游的ICA 區(qū)域；②串聯(lián)狹窄比單個(gè)狹窄更易引起復(fù)雜的血液流動(dòng)，導(dǎo)致異常高/低的WSS 區(qū)域，這也進(jìn)一步加劇了內(nèi)皮損傷、促進(jìn)動(dòng)脈硬化［26］；③CCA 狹窄后高速血流通過(guò)頸動(dòng)脈分叉時(shí)產(chǎn)生的渦流及流動(dòng)分離，也有助于串聯(lián)狹窄的形成及缺血性腦卒中的發(fā)生。對(duì)4 個(gè)模型心動(dòng)周期內(nèi)WSS 衍生參數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)：CCA 狹窄會(huì)影響ICA 區(qū)域， 使其具有低TaWSS、 高OSI 和RRT， 而TaWSS 的低值及OSI、RRT 的高值被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化斑塊形成的標(biāo)志，這易導(dǎo)致繼發(fā)性ICA 狹窄［27］。 相反，ICA 狹窄對(duì)CCA 的影響較小。 研究報(bào)道，單純ICA 狹窄約占頸動(dòng)脈狹窄患者總數(shù)的25%［28］。 若TCAS 首先在ICA形成狹窄繼而導(dǎo)致CCA 狹窄，則串聯(lián)狹窄的發(fā)生率不應(yīng)低至所報(bào)道的2.1%～5%［7-8］。 該結(jié)論提示對(duì)于TCAS 病變，若手術(shù)僅解除了ICA 狹窄而未處理CCA 狹窄， 則CCA 的狹窄會(huì)影響ICA 血流導(dǎo)致狹窄復(fù)發(fā)； 而若手術(shù)僅解除CCA 斑塊未處理ICA狹窄，則ICA 狹窄不會(huì)對(duì)CCA 血流產(chǎn)生影響。 因此，臨床醫(yī)生在規(guī)劃串聯(lián)狹窄患者的手術(shù)方案時(shí)，需考慮手術(shù)前后的血流變化， 必要時(shí)行假定模型的CFD 模擬，以指導(dǎo)手術(shù)方案的選擇，避免狹窄復(fù)發(fā)。

本研究存在以下缺陷：①TCAS 分型多種多樣，本研究?jī)H選取了ICA 及CCA 狹窄進(jìn)行個(gè)體化研究，可能使結(jié)論缺乏普遍性；②由于TCAS 的低發(fā)病率，僅選取了1 例患者，可能使結(jié)論缺乏可靠性；③在CFD 血流閾建模時(shí)，忽略了血管壁的彈性及血液的可壓縮性，可能產(chǎn)生一定誤差；④在進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)， 對(duì)不同的模型均使用了同一速度入口、壓力出口邊界條件， 可能與現(xiàn)實(shí)情況并不完全相符。下一步將針對(duì)上述不足，進(jìn)行多形態(tài)、大樣本、高精度的CFD 研究，以證實(shí)上述結(jié)論。