基于計算流體力學的腹主動脈瘤破裂風險研究

周治軍， 王 哲， 趙珅宇， 李鳳賀， 王 成， 趙 渝

腹主動脈瘤（abdominal aortic aneurysm，AAA）是一類病情兇險、死亡率和病殘率均很高的大血管病變，一旦發生瘤體破裂，病死率極高［1］。目前還沒有可靠的方法來評估AAA潛在破裂風險。國內外學者已將計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）應用于動脈瘤等血管疾病領域研究［2-4］，但血流動力學參數與AAA破裂預測相關性研究較少。本研究基于既往有限元分析認為動脈瘤破裂發生在高應力區域［5］，假設AAA破裂發生在高壁面剪切力區域，旨在應用CFD分析真實破裂、未破裂AAA中血流動力學參數和動脈瘤內血栓指數，以便將血流速度、壁面剪切力、壁壓力等局部血流動力學因素和血栓指數與AAA破裂聯系起來，以探索AAA破裂風險。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集重慶醫科大學附屬第一醫院2016年2月至2018年9月收治的破裂和未破裂AAA患者，排除腎上AAA、無64層螺旋CTA（德國Siemens公司）影像資料患者，最后納入腎下破裂AAA患者12例（破裂組），未破裂AAA 26例（未破裂組）進行回顧性分析，見表1。本研究獲得醫院倫理審查委員會審查批準（2017-179），并取得患者和家屬知情同意。

表1 兩組AAA患者基本資料

1.2 建立CFD 3D模型

通過Siemens公司影像工作站下載所有入組患者入院時CTA圖像資料，掃描層厚0.75 mm，并以醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）國際標準格式保存。將DICOM格式CTA圖像數據導入Mimics 19.0醫學圖像處理軟件（比利時Materialise公司）重建目標血管3D模型，Mimics 19.0自帶3-matic 11.0圖像優化軟件對3D模型進行網格優化和光順處理。

1.3 邊界條件設定

入口邊界設為AAA上方2 cm，入口血流流速設定為0.18 m/s，入口壓力設為140 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），出口壓力設為 0 mmHg［6］；血液性質可視為不可壓縮的牛頓液體，密度為1.05 g/cm3，黏度為0.003 5 Pa/s；血管壁為剛性壁、無位移。根據雷諾公式Re=2ρuR/μ，計算得到各患者雷諾數，其中：ρ為血液密度；u為入口速度；R為血管半徑；μ為運動黏度；數值模擬中所用控制方程為三維非定常流動的Navier-Stokes方程。

1.4 數值求解計算

采用ANSYS 15.0高級有限元分析軟件（美國ANSYS公司）中Fluent模塊進行求解計算。在上述邊界條件下，通過CFD模擬計算得到兩組AAA患者血流動力學參數。

1.5 腔內血栓指數計算

采用Mimics19.0軟件測量兩組AAA最大直徑所在平面、破裂組實際破裂平面AAA總面積和血流面積（圖1），計算出橫斷面腔內血栓面積，得出橫斷面腔內血栓指數（腔內血栓指數=橫斷面血栓面積/橫斷面瘤體面積）。

圖1 在AAA分析平面測量瘤體囊腔面積區域（紅箭頭）、血流真腔面積（白箭頭）

1.6 統計學分析

采用SPSS 23.0軟件進行統計學分析。破裂組AAA自身比較用配對t檢驗，破裂組與未破裂組間計量資料比較用成組t檢驗，組間計數資料用卡方χ2或Fisher檢驗。P＜0.05時，差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組瘤體最大平均直徑

破裂組AAA中有4例瘤體破裂區域發生在瘤體最大直徑橫斷面，瘤體破裂平面平均直徑為（82.4±12.3） mm，最大直徑平均為（86.4±13.7） mm；未破裂組瘤體最大直徑平均為（53.2±11.4）mm。

2.2 腔內血栓指數

破裂組腔內血栓指數在瘤體最大直徑平面為平均 0.551±0.188，在破裂平面為平均 0.630±0.190，差異有顯著統計學意義（配對 t檢驗 P=0.002）；未破裂組腔內血栓指數在瘤體最大直徑平面為平均0.525±0.188， 與破裂組瘤體最大直徑平面平均血栓指數比較，差異無統計學意義（成組t檢驗P=0.699）。

2.3 瘤體內血流特征

血流動力學分析顯示，兩組AAA腔內血流結構復雜，有一個優勢血流通道和腔內低速渦流區，破裂組AAA破裂區域均位于渦流區。從流速流線圖可看出，優勢血流通道血流速度較快，渦流區域血流速度明顯變慢（圖2）。

2.4 瘤體內剪切力變化

血流動力學分析顯示，兩組AAA內壁面剪切力分布不均勻（圖3）。破裂組瘤體內破裂未發生在高剪切力區域而發生在低剪切力區域，破裂區域壁面剪切力普遍較周圍區域值小（圖3）；壁面剪切力在破裂AAA 血流最大沖擊區域較高，為（0.630±0.215） Pa，而在實際破裂區域顯著降低，為（0.031±0.017）Pa，差異有顯著統計學意義（配對 t檢驗 P＜0.001）；未破裂AAA血流最大沖擊區域壁面剪切力為（1.345±0.253） Pa，與破裂組差異有顯著統計學意義（成組 t檢驗 P＜0.001）。

圖2 AAA內血流速度流線圖

圖3 AAA內壁剪切力分布圖

3 討論

隨著CFD分析技術更多地用于醫學領域分析，為基礎和臨床研究提供了一個很好的平臺。通過分析動脈瘤血流速度、壁面剪切力、壁面壓力、血流結構等流體力學參數［4，7-8］，可以更好地獲得患者動脈瘤血流動力學參數，更好應用于臨床。

臨床上及時發現并預測AAA破裂風險顯得格外重要。迫切需要一種好的技術方法用于評估AAA破裂風險，從而及時處理，挽救患者生命，降低死亡率。準確預測破裂風險和破裂區域有助于了解AAA進展情況，并設計治療方案，但如何有效地預測動脈瘤破裂風險和破裂區域是一項具有挑戰性的任務。迄今尚無一種好的標準用于預測AAA潛在破裂風險和破裂區域。既往認為，AAA直徑為影響瘤體破裂的主要預測因素，是判斷是否手術干預的主要指征；AAA直徑在男性＞5.5 cm、女性＞5 cm時，瘤體破裂風險較高，此時建議予以手術治療［9］。然而，通過瘤體直徑預測其破裂風險存在爭議，臨床上時常發現一些直徑＞5.5 cm動脈瘤未破裂且長期生存［10］，小直徑動脈瘤卻發生了破裂［11-12］，這表明單獨應用動脈瘤直徑標準評估AAA預后轉歸是不準確的，這值得廣大臨床工作者思考。因此，臨床上迫切需要一種更為可靠的評估動脈瘤破裂風險的方法用于指導治療。

本研究分析12例腎動脈下破裂AAA和26例未破裂AAA壁面剪切力，結果顯示壁面剪切力在瘤體入口和出口處較高，在瘤體內逐漸減低。AAA破裂區域血流動力學分析提示，血流速度低、血流結構為渦流，壁面剪切力較周圍降低，接近于零，并伴有腔內血栓大量形成，但壁面剪切力梯度較大（圖3①）；破裂小范圍內，壁面剪切力大小存在巨大波動；同時AAA腔內出現特征性渦流，破裂發生于層流和渦流循環的邊界區域（圖2）；破裂組與未破裂組血流最大沖擊區域壁面剪切力比較顯示，破裂組AAA壁面剪切力明顯降低，提示AAA發生發展和破裂與局部低壁面剪切力有關。

本研究還發現，破裂組中僅有4例（33.3%）破裂發生在最大直徑平面，表明并非所有AAA破裂均發生在最大直徑平面區域，AAA直徑大小不能完全準確地預測破裂區域；破裂組AAA破裂平面的腔內血栓指數明顯高于最大直徑平面的血栓指數，表明腔內血栓指數與AAA破裂區域有關，血栓指數越高的平面更容易破裂。

既往對AAA壁物理特征進行的有限元分析提示，高壁面應力與AAA破裂相關［5］。對AAA腔內血栓研究結果提示，腔內血栓能改變AAA壁應力分布［13］，降低峰值壁應力，進而對 AAA起到保護作用。然而，本研究顯示破裂組AAA破裂區域均發生在低剪切力、伴有腔內血栓大量形成區域，說明瘤體內低剪切力［2，14-15］、腔內血栓與 AAA 破裂有關。 同時有研究顯示，高壁面剪切力可破壞動脈內皮細胞促進AAA起始形成［16-17］，隨后瘤腔內渦流形成、血流速度下降、血管壁剪切力下降，從而促進AAA腔內血栓形成［18］。AAA腔內血栓較厚區域局部易發生缺氧，導致局部新生血管、炎性細胞增加、血管壁變薄、細胞外基質降解［19-20］，血栓形成和炎性細胞積累可能會擾亂血管壁結構完整性和穩定性，從而增加AAA破裂風險。

當然還有其他一些因素影響AAA破裂，例如血壓增高將影響AAA內血流動力學穩定，血流速度增快，瘤體內壁面剪切力增大，這從一定意義上將減少腔內血栓形成，并一定程度上起到保護作用。然而，血壓增高的同時血管壁所承受的壁面壓力將快速增大，也將影響AAA破裂［21］，綜合作用下血壓增高過大，AAA同樣易破裂。同樣，瘤體直徑增大也將影響AAA血流動力學，隨著瘤體內血流速度變慢，壁面剪切力更加降低，引起更多腔內血栓形成［18］，血栓形成使動脈壁發生缺氧，局部新生血管炎癥增加、血管壁變薄，擾亂血管壁結構完整性和穩定性，從而導致破裂。

動脈瘤發生發展是一多因素綜合發展過程。動脈瘤發生發展及其破裂均與血流動力學因素和腔內血栓存在較大關系。采用CFD技術分析AAA局部血流動力學參數和腔內血栓指數，有助于更好地預測其破裂風險，更好地結合臨床，及時干預治療，這對阻止動脈瘤破裂，造福患者有重大意義。然而盡管醫學影像學和CFD分析技術有了顯著進展，但基于計算機的AAA破裂風險評估仍存在許多不確定性和爭議。本研究分析的破裂AAA病例數較少，需要更多病例數研究加以驗證。

綜上所述，血流動力學參數結合腔內血栓指數對預測AAA破裂起到一定的作用。