大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分析

劉海玉 王宏磊 王海峰 徐 寧 (吉林大學(xué)第一醫(yī)院神經(jīng)外科，吉林 長(zhǎng)春 130021)

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂出血是自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血的最主要病因，并且死亡率極高，受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中約占20%〔1〕。因其解剖位置的特殊性，此部位的動(dòng)脈瘤常常會(huì)出現(xiàn)巨型動(dòng)脈瘤及顱內(nèi)血腫〔2〕，因此大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤破裂出血后死亡率及病殘率相對(duì)于其他部位較高。近年來，許多專家學(xué)者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)血流動(dòng)力學(xué)在動(dòng)脈瘤發(fā)病機(jī)制中扮演著重要的角色〔2～4〕。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是伴隨著一些大型分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用，許多學(xué)者開始使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬人類顱內(nèi)動(dòng)脈瘤，操作靈活，費(fèi)用較少，可反復(fù)演算和重復(fù)，因此目前計(jì)算機(jī)已成為研究動(dòng)脈瘤的重要手段。

1 材料與方法

1.1 原始數(shù)據(jù)采集 影像學(xué)資料來自于吉林大學(xué)第一醫(yī)院影像科提供的頭部CTA影像學(xué)資料。此次試驗(yàn)選定的試驗(yàn)對(duì)象為女性，69歲，因突發(fā)劇烈頭暈頭痛4 h于2009年10月入院。入院后急查頭部CT，診斷為“自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血”。并于當(dāng)日急查頭部CTA，顯示“右側(cè)大腦中動(dòng)脈分叉部動(dòng)脈瘤”。見圖1。

1.2 動(dòng)脈瘤三維模型建立及網(wǎng)格生成 根據(jù)患者大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤多角度的CTA影像資料，使用CATIA軟件對(duì)動(dòng)脈瘤進(jìn)行三維模型的建立。見圖2。動(dòng)脈瘤的主要結(jié)構(gòu)包括三通的圓柱型血管和橢球型的瘤球。

將三維模型導(dǎo)入到Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格生成，通過該軟件對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步修改，刪除多余的倒角及微小區(qū)域，經(jīng)處理后進(jìn)行網(wǎng)格生成。然后將網(wǎng)格劃分的模型轉(zhuǎn)成MSH文件，進(jìn)而通過Fluent進(jìn)行三維流場(chǎng)分析。

圖1 右側(cè)大腦中動(dòng)脈動(dòng)脈瘤CTA影像

圖2 動(dòng)脈瘤實(shí)體模型

1.3 血流動(dòng)力學(xué)分析 不考慮能量方程，假定重力忽略不計(jì)。血管壁為剛性管壁，血流為牛頓流體，具有不可壓縮性。動(dòng)脈瘤的雷諾數(shù)(Re)在600～700以內(nèi)，所以血流為層流。血液密度1 050 kg/m3，黏滯度為0.004 Pa/s。動(dòng)脈瘤的入口處設(shè)為速度入口邊界(使用TCD測(cè)量患者大腦中動(dòng)脈內(nèi)的血流速度)。兩條出口處設(shè)為壓力出口邊界條件，取動(dòng)脈平均壓。設(shè)其他邊界為固定邊界，無滑移條件同時(shí)滿足。選定大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤的血流入口處(Inlet)、血流出口處(outlet A、B)、動(dòng)脈瘤瘤頸部、瘤頂部5處作為本實(shí)驗(yàn)的觀察區(qū)域。使用美國(guó)ANSYS公司研究開發(fā)的CFD軟件FLUENT6.2，對(duì)大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 結(jié)果

本研究計(jì)算所得的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有:動(dòng)脈瘤的流線圖、動(dòng)壓、靜壓及壁剪切力。見圖3。大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤不同部位血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最大值見表1。

圖3 動(dòng)脈瘤流線圖、動(dòng)力圖、靜力圖及壁剪切力圖

表1 大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤不同部位血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的最大值(Pa)

3 討論

目前，專家學(xué)者一致認(rèn)為血流動(dòng)力學(xué)在動(dòng)脈瘤的形成、生長(zhǎng)、破裂上起到了重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛快發(fā)展，三維數(shù)值模擬技術(shù)在立體的動(dòng)脈瘤模型的建立上得到了廣泛的應(yīng)用。大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤在所有的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中占有一定比例，因其死亡率及病死率較高，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)從血流動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)其發(fā)病發(fā)展以及破裂機(jī)制進(jìn)行探討。

流體的流線圖可以比較直觀地觀察到血液在血管及動(dòng)脈瘤內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡等信息，從而了解血流的分布特點(diǎn)，是否存在渦流或者擾流。從流線圖中可知流入動(dòng)脈里的血流只有一小部分(軸心部分)的血流流入了動(dòng)脈瘤，大部分的血流直接流向了流出動(dòng)脈，未進(jìn)入動(dòng)脈瘤。其主要的原因是因?yàn)閯?dòng)脈瘤瘤頸處出現(xiàn)了擾流，阻礙了大部分的入流動(dòng)脈內(nèi)的血流流入。分析擾流產(chǎn)生的原因可能是瘤內(nèi)的血流經(jīng)過復(fù)雜的瘤內(nèi)流動(dòng)后由瘤頸部流出，其受到流入動(dòng)脈瘤內(nèi)血流的影響，產(chǎn)生了擾流。動(dòng)脈瘤瘤內(nèi)的流動(dòng)形式復(fù)雜，最后由瘤頸部流出。相對(duì)比動(dòng)脈瘤中心處出現(xiàn)的相對(duì)活躍的血流流動(dòng)，靠近瘤壁處的血流速度十分緩慢，甚至瘤頂?shù)纫恍﹨^(qū)域出現(xiàn)了滯留的現(xiàn)象。

在血流動(dòng)力學(xué)研究中，血流對(duì)血管壁的壓力一直受到眾多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。血流的壓力來源于血流的慣性作用，包括了靜壓和動(dòng)壓兩種壓力成分。其中靜壓是指血流在血管內(nèi)靜止不動(dòng)的情況下產(chǎn)生的壓力。而動(dòng)壓是血液在血管內(nèi)流動(dòng)遭遇到阻力迫使其速度下降，自身的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能而產(chǎn)生的壓力。在本次實(shí)驗(yàn)中將兩種壓力單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算討論。由以上理論可知血管壁所承受的動(dòng)壓值的大小應(yīng)該與其附近血流速度呈正相關(guān)。因動(dòng)脈瘤中的血流形式復(fù)雜，形成擾流，在瘤壁附近血流速度十分緩慢，甚至在瘤頂?shù)纫恍﹨^(qū)域血流出現(xiàn)了滯留，因此可以推斷動(dòng)脈瘤瘤壁所承受的動(dòng)壓應(yīng)該較低，甚至在有些區(qū)域可以忽略不計(jì)。這樣的推論，在實(shí)際運(yùn)算中得到了驗(yàn)證，動(dòng)脈瘤的瘤壁、瘤頂部的動(dòng)壓均較低。而動(dòng)脈瘤的瘤頸部受到了血流流入流出的沖擊，形成了一定大小的動(dòng)壓。從圖表中可以看出動(dòng)脈瘤的瘤頸部的靜壓略高于瘤頂部，但數(shù)值大小相差不多。靜壓相對(duì)于動(dòng)壓來講高出許多，因此相對(duì)于靜壓來講，動(dòng)壓有時(shí)可以忽略不計(jì)。所以有時(shí)亦可以使用靜壓值的大小來約等于總壓力值的大小。

在血流動(dòng)力學(xué)中最受大家關(guān)注的是切應(yīng)力對(duì)于動(dòng)脈瘤發(fā)生發(fā)展、破裂的作用。血管壁產(chǎn)生的切應(yīng)力的本質(zhì)是黏性血流與血管壁之間產(chǎn)生的摩擦力，其方向平行于血管壁。Feng等〔5〕認(rèn)為高切應(yīng)力區(qū)域的出現(xiàn)也與動(dòng)脈壁結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。兩者構(gòu)成了惡性循環(huán)，導(dǎo)致了動(dòng)脈瘤不斷生長(zhǎng)。血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生生物性應(yīng)答的切應(yīng)力基線區(qū)間為1.5～2.0 Pa〔6〕，但是在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤瘤頂部的WSS往往低于1.5 Pa。這樣的低切應(yīng)力，首先直接導(dǎo)致了內(nèi)皮細(xì)胞的變性和凋亡;其次也導(dǎo)致了血管內(nèi)皮細(xì)胞形變，細(xì)胞間隙加大、屏障功能功能喪失，致使血液中有害物質(zhì)侵入，導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的瘤壁彈性纖維和膠原纖維的斷裂、缺失〔7～9〕，最終導(dǎo)致動(dòng)脈瘤破裂。從本次實(shí)驗(yàn)中可以看出動(dòng)脈瘤瘤頸處的切應(yīng)力較大，而瘤頂處的切應(yīng)力極小近似于0，因此認(rèn)為瘤頸部為動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)、擴(kuò)大的部位。而瘤頂部的剪切力接近為0，因其不能維持瘤壁內(nèi)皮細(xì)胞的基本形態(tài)，而最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞退化、更新障礙而破裂。

大腦中動(dòng)脈分叉處動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)同其他部位動(dòng)脈瘤相似，其流場(chǎng)表現(xiàn)為動(dòng)脈瘤的流入動(dòng)脈的小部分血流流入瘤內(nèi)，而大部分血流因受到瘤頸部擾流的干擾，直接流入流出動(dòng)脈。血流流入動(dòng)脈瘤內(nèi)后，經(jīng)過復(fù)雜的血流運(yùn)動(dòng)后由瘤頸處流出，最后進(jìn)入流出動(dòng)脈。動(dòng)脈瘤瘤頂部的血流速度較緩慢，壓力較小，切應(yīng)力幾乎為0，為動(dòng)脈瘤破裂的好發(fā)部位，瘤頸部的血流速度較快，壓力及切應(yīng)力相對(duì)較大，為動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)及擴(kuò)大部位。

1 McCarron MO，Nicoll JA.Cerebral amyloid angiopathy and thrombolysisrelated intracerebral haemorrhage〔J〕.Lancet Neurol，2004;3(8):484-92.

2 Raabe A，Beck J，Seifert V.Technique and image quality of introoperative indocyanine green angiography during aneurysm surgery using surgical microscope intergrated near infrared video technology〔J〕.Zentralbl Neurochir，2005;66(1):1-8.

3 Ferguson G.Physical factors in the initiation，growth，and rupture of human intracranial saccular aneuryams〔J〕.Neurosurg，1972;37:666-7.

4 Gonzalez CF，Cho YI，Ortega HV，et al.Intracranial aneurysms:flow analysis of their origin and progression〔J〕.AJNR，1992;13:181-8.

5 Strother CM，Graves VB，Rappe A.Aneurysm hemodynamics:an experimental study〔J〕.AJNR，1992;13:1089-95.

6 Feng Y，Wada S，Tsubota K，et al.The application of computer simulation in the genesis and development of intracranial aneurysms〔J〕.Technol Health Care，2005;13(4):281-91.

7 ShojimaM，Oshima M，Takagi K，et al.Role of the bloodstream impacting force and the local pressure elevation in the rupture of cerebral aneurysms〔J〕.Stroke，2005;36(9):1933-8.

8 Gibbons GH，Dzau VJ.The emerging concept of vascular remodeling〔J〕.N Engl J Med，1994;330:1431.

9 Malek AM，Alper SL，Izumo S.Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis〔J〕.JAMA，1999;282:2035-42.