大型未破裂顱內動脈瘤的血流動力學特點分析

李 良，張 瑩，楊新健，陳家亮，王盛章，李海云，于紅玉，汪 陽，李傳輝

(1北京大學第一醫院，北京 100050;2北京市神經外科研究所;3復旦大學力學與工程科學系;4首都醫科大學生物醫學工程學院)

研究發現，動脈瘤的直徑是動脈瘤破裂最重要的獨立危險因子，即大動脈瘤存在更高的自然破裂風險［1～5］。血流動力學作用力被認為在動脈瘤的形成、發展和破裂的自然病程中具有極其重要的作用［6，7］。2010 年7 月 ～2011 年6月，我們對12 例直徑≥15 mm 的未破裂顱內動脈瘤進行了血流動力學數值模擬，對其流速、流動模式、壁面切應力(WSS)、切應力震蕩因子(OSI)等進行了分析，并將動脈瘤和其載瘤動脈的參數比較。現報告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 12例未發生破裂出血的直徑≥15 mm顱內囊性動脈瘤患者，其中男3例，女9例;年齡39～67歲。首發臨床表現為頭痛伴眼瞼下垂和(或)復視、視物模糊4例，單側肢體無力伴言語不清4例，頭痛頭暈伴有耳鳴2例，頭痛伴單眼失明及單純頭痛頭暈各1例。動脈瘤部位:頸內動脈后交通段4例，前交通段3例，頸內動脈眼動脈段2例，頸內動脈C2段、海綿竇段及大腦中動脈分叉各1例。形狀分型:側方型和頂端(分叉處)型各6例。

1.2 血流動力學數值模擬方法 本研究所采用的模擬方法詳見我們的前期研究［8，9］。

1.2.1 數值模擬的硬件及軟件 本研究所應用的計算機為特別配置的惠普工作站，主頻為Intel Xeon 3.0 G，內存為8.0 G，硬盤為160 G。主要軟件有:本課題組自編程序及Matlab 7.0、Ansys ICEM，Ansys CFX，Photoshop7.0 等。

1.2.2 數值模擬和流體分析 對12例患者調整重建后的三維DSA圖像，去掉不重要的分支，重點分析動脈瘤及其載瘤動脈。采用本課題組自編寫的程序，及Matlab7.0計算，合成STL格式的三維圖像。采用ANSYS ICEM軟件進行三維體網格劃分。為兼顧計算的精度和計效率，本研究劃分的網格數量為1500000～1800000個。采用ANSYS CFX 11.0軟件行流體分析計算。血管入口條件設定為通過經顱多普勒超聲獲得的搏動性血流，出口條件設定為自由流動出口。每個心動周期被劃分為800步，每步時間為0.001 s。計算兩個心動周期后取第二個心動周期計算所得的數值進行分析。在每個心動周期內部，動脈瘤的血流動力學參數的分布一致，只是隨著血壓的波動，發生了數值上的變化，最大的時刻出現在血壓最高峰的收縮期末。

1.2.3 圖像顯示和數據分析 采用ANSYS CFX 11.0軟件結合自編程序行圖像顯示和數據采集。取動脈瘤上的數據和其載瘤動脈(取動脈瘤頸部為中心1 cm長度的載瘤動脈)上的數據相對比。用SPSS11.5統計學專用軟件包進行統計學分析。所得計量數據以表示，比較采用配對t檢驗。P≤0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 血流流動模式及流速 側方動脈瘤血流流動模式為入瘤血流從瘤頸口下游側流向動脈瘤內，并沿著瘤周壁回流至載瘤動脈中，再從瘤頸口上游流出，形成一個主要的渦流。頂端(分叉處)動脈瘤血流流動模式為血流從入流動脈直接沖擊入動脈瘤，后沿瘤周壁回流至兩出流動脈，形成兩側兩個主要渦流。所有的大型動脈瘤皆發現瘤內部渦流形態復雜，在主要渦流內部有大面積紊亂的低速流動。動脈瘤瘤頸附近速度最大，瘤頂附近流速最低，頂部存在一個面積較大的低速區，最小速度接近于0。

2.2 顱內動脈瘤與其載瘤動脈內的血流動力學參數 見表1。瘤壁平均低WSS區域占動脈瘤總表面積的百分數平均為24.74%。

表1 大型動脈瘤與其載瘤動脈血流動力學參數比較()

表1 大型動脈瘤與其載瘤動脈血流動力學參數比較()

注:與載瘤動脈比較，*P ＜0.01

動脈 WSS(Pa)OSI動脈瘤 4.990 ±1.565* 0.0690 ±0.0274*載瘤動脈13.850 ±4.092 0.0040 ±0.0022

3 討論

臨床上大約75%的巨大動脈瘤發現時均未破裂，因此臨床存在大動脈瘤不容易破裂的誤解。本研究12例首發癥狀均為占位壓迫和缺血表現等動脈瘤破裂前的先兆癥狀，亦印證了上述臨床事實。大量研究結果表明，動脈瘤直徑是動脈瘤破裂的最重要的獨立危險因子。2003年國際未破裂動脈瘤研究協作組發表大樣本多中心研究結果，認為動脈瘤瘤體越大，發生破裂引起SAH機會越大［1］。

為了驗證動脈瘤越大越容易破裂的內在原因，本研究應用計算機流體動力學方法對大型未破裂動脈瘤的內在血流動力學因素進行了研究，并與其各自的載瘤動脈的血流動力學參數作對比。研究結果發現，所有的大型動脈瘤皆發現瘤內部渦流形態復雜，在主要渦流內部有大面積紊亂的低速流動。大型動脈瘤壁與其載瘤動脈相比具有明顯的低WSS和高 OSI。

Cebral等［6］對62例破裂和未破裂動脈瘤內血流流動模式的研究證明，未破裂動脈瘤大部分具有簡單穩定的血流模式，破裂動脈瘤大都具有復雜紊亂的血流模式。提示復雜紊亂的血流模式與動脈瘤破裂高風險相關。本研究中大型動脈瘤皆發現瘤內部渦流紊亂，提示破裂風險，且瘤頂部存在大面積低速血流，流速甚至接近0。局部血流停滯會導致紅細胞集聚、血小板和白細胞在瘤壁內側的集合和黏附，導致附壁小血栓的形成以及血小板和血漿纖維蛋白單體進一步浸潤動脈瘤壁，增加動脈瘤破裂風險［10］。

目前的觀點認為動脈瘤的破裂與WSS不足密切相關［7，11～13］，維持正常動脈瘤壁形態需要的 WSS約為2 Pa，WSS低于1.5 Pa時會導致內皮細胞的變性與凋亡，促進動脈瘤的生長以及最后的破裂［14］。WSS不足直接導致血管內皮細胞出現形變，內皮細胞間隙加大，屏障功能喪失，血液內的有害物質侵入，使瘤壁彈性纖維及膠原纖維斷裂、缺失，從而形成了動脈瘤壁的特有病理學形態。隨著動脈瘤生長，WSS進一步降低，形成惡性循環直至破裂。本研究發現大型動脈瘤壁上的WSS與載瘤動脈相比顯著偏低，且低WSS區域平均占24.74%，此提示大型動脈瘤壁的內皮細胞更容易變性、凋亡而引起破裂。OSI作為評價脈動血流的一個重要參數，可反映收縮期和舒張期動脈瘤內血流方向快速變化引起WSS的振蕩大小，大的OSI表示WSS的方向變化較大。變化著方向的WSS不斷作用于瘤壁內膜上，達到一定閾值時造成內膜上內皮細胞損傷、脫落，膠原纖維暴露，血小板在頸部、頂部受損的內膜表面聚集，附著于膠原纖維上，導致內膜增厚。反復內膜損傷造成內膜進行性增厚，血栓形成，最終由纖維蛋白溶解反應導致瘤的破裂。本研究發現與載瘤動脈相比，大型動脈瘤具有顯著偏高的OSI值，說明大型動脈瘤壁WSS震蕩明顯大于載瘤動脈。因為動脈瘤壁比載瘤動脈更薄，故能耐受的WSS震蕩更小、破裂風險更高。

本研究對動脈瘤模擬分析的結果很好的詮釋了大動脈瘤破裂風險更高的深層次血流動力學原因。鑒于大動脈瘤較之小動脈瘤更容易因為頭痛、占位壓迫、缺血性發作等破裂前先兆癥狀而被提早發現，以及大動脈瘤自身存在的更大的治療難度和破裂風險，我們認為，針對未破裂大型動脈瘤的血流動力學特點采取相關治療策略可避免動脈瘤破裂出血后導致更高的治療風險和更差的預后。

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