應用數值模擬技術在腦梗死的研究進展

陳曉琴 成志國 陳廣新 明照凱 鐘彥 沈文哲 周志尊

[摘要]腦梗死是大腦供血動脈的狹窄或閉塞，引起腦組織血液供應障礙從而導致腦組織壞死及軟化。近年來，使用數值模擬技術分析腦梗死已逐漸成熟，可進行定量定性的計算。本研究查閱相關數值模擬研究內容，介紹相關參數指標，分析數值模擬技術應用于血管分叉病變及腦梗死研究，得出高低值壁面切應力的不同作用機制及高壁面壓力導致斑塊形成的可能機制，同時明確極低或較高壁面剪應力及高振蕩剪切指數更易造成動脈粥樣硬化斑塊的形成，以及動脈血管改變（如狹窄或閉塞等）易發生不穩定的血流動力學變化，使腦梗死發生概率增大，明確了數值模擬技術在腦梗死發生中的重要作用。

[關鍵詞]腦梗死;數值模擬技術;動脈粥樣硬化;壁面切應力;壁面壓力

[中圖分類號]R739.4;R273??? [文獻標識碼]A??? [文章編號]2095-0616（2022）05-0057-04

Research progress of the application of numerical simulation technology in cerebral infarction

CHEN Xiaoqin??? CHENG Zhiguo??? CHEN Guangxin??? MING Zhaokai??? ZHONG Yan??? SHEN Wenzhe??? ZHOU Zhizun

School of Medical Imaging，Mudanjiang Medical University，Heilongjiang，Mudanjiang 157011，China

[Abstract] Cerebral infarction is the stenosis or occlusion of cerebral blood supply arteries，which leads to the blood supply disorder in brain tissues，thus resulting in brain tissue necrosis and softening. In recent years，the application of numerical simulation technology to analyze cerebral infarction has gradually grown mature，which can be used for quantitative and qualitative calculation. This paper refers to relevant numerical simulation researches，introduces relevant parameters and indexes，analyzes the application of numerical simulation technology in the studies of vascular bifurcation lesions and cerebral infarction，and obtains different action mechanisms of high and low wall shear stress and the possible mechanism underlying plaque formation caused by high wall pressure. At the same time，the paper clarifies that very low or relatively high wall shear stress and high oscillatory shear index are more likely to incur the formation of atherosclerotic plaque，and that arterial changes （such as stenosis or occlusion）are prone to result in unstable hemodynamic changes，which increases the probability of cerebral infarction. This paper also specifies the important role of numerical simulation technology in the occurrence of cerebral infarction.

[Key words] Cerebral infarction;Numerical simulation technology;Atherosclerosis;Wall shear stress;Wall pressure

腦梗死指大腦供血動脈（如頸動脈和椎動脈）的狹窄或閉塞以及腦組織血液供應障礙，一類由缺血、缺氧引起的局部腦組織發生壞死或軟化，并引起相應神經功能缺損的臨床綜合征[1-2]。腦梗死嚴重危害著全球人類的生命健康，因此預先確定引起腦梗死的危險因素對預防疾病具有關鍵意義[3]。

目前對于腦梗死的臨床病因已有較多研究，但相關研究表明，血流動力學參數中壁面切應力等作用于血管壁與血流速度改變相關的參數，可影響動脈粥樣硬化的形成[4]。三維重建可使圖像可視化，具有準確測量和處理工具，將醫學影像圖像轉變為計算機模型，用于后續數據研究，處理后的圖像為STL文件保存，進行網格操作和血流動力學參數計算。應用數值模擬技術對血管進行模擬計算已非常成熟，有較多可供參考的技術路線，故可行性較高，以CT掃描圖像為基礎，獲取CTA等數據，計算機程序自動生成冠/矢/橫斷面的圖像，可構建真實患者的個體化局部血管模型，基本上可與病變血管形態學表現一致，在最大程度上保存了原始病例信息。使用數值模擬可以對腦梗死相關信息進行定量定性的計算，并且較其他實驗方法具有無創性、真實性及有效性[5]。

1??? 數值模擬基本步驟

在臨床輔助工作中，影像學技術處于不斷發展中，通過CTA、DSA及MRA等可使病變血管更為準確地顯示出來[6]。以真實患者掃描圖像為基礎獲取原始圖像數據，以DICOM通用格式存儲，采用MIMICS （比利時，Materialise）等通過閾值分割及區域增長等工具構建個體化局部血管幾何模型，在最大程度上保存了基本病例信息。將幾何模型導入圖像處理軟件，可進行光滑三角面片網格、網格化分計算和提高、血流動力學參數指標分析等[6]。默認實際全血數值屬性設定為層狀血流、牛頓液體，血管壁材料屬性設置為光滑、無滑移無滲透的剛性管壁[7]。

2??? 數值模擬分析參數與動脈粥樣硬化進展的關聯

動脈血液流動過程中，會對血管壁產生兩個作用力，一個是血液流動時與血管壁平行的摩擦力，即壁面切應力（wall shear stress，WSS）;另一個是與血管壁垂直即使血管壁得以拉伸的作用力，即壁面壓力（wall pressure，WP）[8]。

2.1??? 壁面切應力

WSS是血流流動時與管壁內腔不斷摩擦所產生的一種作用力[9]。低WSS能導致內皮細胞功能紊亂致使內皮細胞損傷，主要是通過活性保護因子分泌減少及分泌血管損傷因子增多[10]。低WSS時，內皮細胞功能失調同時血液淤滯，導致周邊細胞吸收致動脈粥樣硬化因子增多，易形成斑塊等病變[11]。高WSS與低WSS引起動脈粥樣硬化的發生機制不一樣，有學者認為在低WSS范圍時，部分內皮細胞功能性的障礙和局部炎癥，若伴隨高膽固醇血癥，在低WSS導致動脈重構基礎上會使斑塊附近發生明顯的力學變化，即臨近斑塊區域的內皮細胞較正常血管壁上表達出高水平的WSS，當WSS超過一定范圍時，血管內皮細胞更易形成動脈粥樣硬化斑塊[12]。

2.2??? 壁面壓力

WP為血液在流動過程中對血管壁的垂直作用力[13]。WP在正常血管內表現為沿血液流動方向降低趨勢;但當動脈出現分叉時，在分叉內側會呈現出高范圍的WP。血管分叉處使血液行進方向發生改變，此時血液會受到一個作用力進而導致速度發生變化，WP即為該作用力的反作用力[14]。低范圍的WP與增厚的血管壁緊密聯系，此區域更易發生并促進動脈粥樣硬化斑塊等病變的形成，但目前此機制尚不明確，推斷是因為全血中的促進斑塊形成成分（如單核細胞和脂蛋白）在壓力差的作用下被動遷移至低WP區，即顯著聚集于壓力驟變部位;同時，不同范圍的WP對動脈內皮細胞產生不同程度的影響，動脈壓力不穩定時，導致斑塊成分再次分布，形成新的聚集區域[15]。

3??? 應用數值模擬仿真技術對腦梗死的研究進展

影響血管疾病的因素繁多，本研究探討使用數值模擬技術分析血管內血流動力學改變情況和血管管壁承受的生物作用力變化，繼而對疾病提供可靠治療方案和達到有效預防。

3.1??? 應用數值模擬對動脈血管分叉處病變的研究

年齡、吸煙、高血壓是動脈粥樣硬化等病變形成的高危險因素，但是血管粥樣硬化的發生仍具有明顯的生物幾何傾向，如血管分支處。相關研究證實，頸部血管最易發生粥樣硬化為頸總動脈分叉處，在此區域表現為較低的WSS與振蕩剪切指數（oscillation shear index，OSI）[16]。Morbiducci等研究證實，測量頸內外動脈分叉處的面積較研究頸動脈球內部的復雜血流作用更能及時可靠地預測WSS在頸動脈球部的表現情況，離體實驗也表明頸動脈粥樣硬化發生階段與低范圍內的WSS和OSI有緊密關系[17]。Jia等的研究中，以磁共振MRA真實患者掃描圖像為基礎，構建幾何流體模型并分析相關力學指標參數得出粥樣硬化區域伴有紊亂血流與低范圍的WSS[17]。姜宗來等[18]研究提及血流流動形態特征：當動脈管壁處斑塊發生破裂時，血液流速局部提高出現高范圍WSS。Gijsen等[19]實驗中發現，冠狀動脈左側主干分叉處斑塊的形成與高范圍的WSS存在聯系，這也可能是導致左側主干處外側壁頻發硬化伴斑塊的原因之一。劉玉倩等[21]納入冠狀動脈分叉病變的患者CTA圖像，構建出植入虛擬支架前后冠狀動脈流體模型，得出植入支架后，冠狀動脈整體的血液流速降低、壁面剪切應力降低[20]。鹿曄等[21]提取動脈粥樣硬化患者CT掃描圖像，得出血管的分叉處血流動力學參數具有較大波動變化，在分叉部位會存在極低的切應力即極易形成動脈粥樣硬化等病變，在此病變形成后導致分叉遠心端的力學環境發生較大變化，呈現出極低的切應力，形成血管壁的進一步惡化。

3.2??? 數值模擬對腦梗死的研究

李華文等[22]探討早期急性腦梗死患者腦血管血流動力學改變情況，得出腦血管血流動力學改變對早期急性腦梗死患者的診斷及病情評估具有重要臨床意義。譚乃杰等[23]得出一旦某支顱內外動脈重度狹窄或閉塞時就會發生血流動力學障礙，即病變血管內血液壓力差明顯增大，血管性側支通路和吻合血管增粗開放，使病變血管供應的腦組織的缺血狀態得到不同程度的代償，保證大腦的血供。Qiao等[24]進行腦梗死組血流動力學的研究，表明腦梗死組別血管病變處WP明顯增高且血流狀態呈現不規律改變。

4??? 小結

目前數值模擬參數方面的研究，多集中在WSS及WP兩項主流指標參數上，本文分析了高低值WSS的不同作用機制及高WP導致斑塊形成的可能機制;在采用數值模擬技術分析血管分叉病變上，總結出極低或較高WSS及高振蕩OSI更易造成該區域的動脈粥樣硬化斑塊的形成;在腦梗死研究上，表明動脈血管改變（如狹窄或閉塞等）易發生不穩定的血流動力學變化，從而使腦組織缺血發生概率增大，與腦梗死形成密切相關。

數值模擬分析正在成為研究腦梗死疾病發生發展的主要方向，在真實數據下進行WSS、WP及OSI等血流動力學參數指標分析，對動脈粥樣硬化及斑塊的形成進展有更深一步的認識，同時可以結合臨床檢查與既往病例，對高危險人群提供更進一步有效預防，為延緩及阻止腦梗死相關疾病的發展提供新思路。

[參考文獻]

[1] Luscher TF.Coronary artery disease：risk factors，haemodynamic significance，anatomic complexity，and platelet lipidome[J].Eur Heart J，2017，38（25）：1939-1942.

[2] Younis HF，Kaazempur-Mofrad MR，Chung C，et al. Computational analysis of the effects of exercise on hemodynamics in the carotid bifurcation[J]. Annals of biomed-ical engineering，2003，31（8）：995-1006.

[3] Hohri Yu，Numata Satoshi，Itatani Keiichi，et al. Determination of the dominant arch by computational fluid dynamics analysis using computed tomography images in double aortic arch[J].The International Journal of Cardiovascular Imaging，2021，37（8）：2573-2575.

[4] Gijsen FJ，Wentzel JJ，Thury A，et al.Strain distribution over plaques in human coronary arteries relates to shear stress[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2008，295（4）：H1608-1614.

[5] Ismail Bouhout，Walid Ben-Ali，Dori Khalaf，et al. Effect of Fenestration on Fontan Procedure Outcomes：A Meta-Analysis and Review[J].The Annals of Thoracic Surgery，2020，109（5）：1467-1474.

[6] Wang Xinggang，Ge Junbo.Haemodynamics of atherosclerosis：a matter of higher hydrostatic pressure or lower shear stress？[J].Cardiovascular research，2021，117（4）：e57-e59.

[7] Brzegowy Pawel，Kucybala Iwona，Krupa Kamil，et al. Angiographic and clinical results of anterior communicating artery aneurysm endovascular treatment[J]. Wideochirurgia i Inne Techniki Maloinwazyjne Videosurgery and Other Miniinvasive Techniques，2019，14（3）：230-236.

[8] Singh Jaykrishna，Brunner Gerd，Morrisett Joel D，et al. Patient-Specific Flow Descriptors and Normalized wall index in Peripheral Artery Disease：a Preliminary Study[J]. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering.Imaging &visualization，2018，6（2）：188-189.

[9] Boersen JT，Groot JE，Versluis M，et al.Flow and wall shear stress characterization after endovascular aneurysm repair and endovascular aneurysm sealing in an infrarenal aneurysm model[J].J Vasc Surg，2017，66（6）：44-53.

[10] Zhong HuaSun，Lei Xu.Computational fluid dynamics in coronary artery disease[J].Computerized Medical Imaging and Graphics，2014，38（8）：651-663.

[11] S. Lehoux. Molecular mechanisms of the vascular repsonses to haemodynamic forces[J]Artery Research，2019，5（4）：381-392.

[12] Cicha Iwona，Beronov Kamen，Ramirez Efrain Lopez，et al. Shear stress preconditioning modulates endothelial susceptibility to circulating TNF-alpha and monocytic cell recruitment in a simplified model of arterial bifurcations[J]. Atherosclerosis，2009，207（1）：93-102.

[13]趙雪梅，徼紅陽，張曉瑋，等.冠狀動脈CT血管造影結合計算流體力學方法評估冠狀動脈血流動力學變化的價值[J].實用老年醫學，2019，33（3）：245-248，252.

[14] Guruchandrasekar Sanchitha H，Dakin Hannah， Kadochi Musunkumuki，et al.Pre-Fontan Carc Catheterization Data as a Predictor of Prolonged Hospital Stay and Post-Discharge Adverse Outcomes Following the Fontan Procedure：A Single-Center Study[J].Pediatric cardiology，2020，41（8）：1697-1703.

[15]姚文瑛，許松林，吳云，等.基于計算流體力學的血液和血栓通過靜脈瓣時流動分析[J].大連理工大學學報，2020，60（4）：339-348.

[16] Morbiducci U，Kok AM，Kwak BR，et al.Atherosclerosis at arterial bifurcations：evidence for the role of haemodynamics and geometry[J].Thromb Haemost，2016，115（3）：484-492.

[17] Jia Q，Liu H，Li Y，et al.Combination of magnetic resonance angiography and computational fluid dynamics may predict the risk of stroke in patients with asymptomatic carotid plaques[J].Med Sci Monit，2017，23：479-488.

[18]姜宗來，鄧小燕.心血管系統的發展趨勢[J].透析與人工器官，2011，22（3）：32-46.

[19] Gijsen FJ，Schuurbiers JC，van de Giessen AG，et al. 3D reconstruction techniques of human coronary bifurcations for shear stress computations[J]. J Biomech，2014，47（1）：39-43.

[20]劉玉倩，伍珩，李萌，等.冠狀動脈分叉病變單支架植入術后血流動力學分析[J].北京生物醫學工程，2019，38（6）：583-589.

[21]鹿曄，張樹生.基于CFD的血管病變部位血流流變特性分析[J].東北大學學報（自然科學版），2020，41 ⑴：148-152.

[22]李華文，廖洪通，鄒達良，等.早期急性腦梗死患者腦血管造影血流動力學改變的臨床研究[J].臨床醫學工程，2021，28（8）：1051-1052.

[23]譚乃杰，孫天蛟.TCD評估腦動脈狹窄血流動力學的研究進展[J].中國城鄉企業衛生，2019，34（6）：69-72.

[24] Qiao Yonghui，Mao Le，Ding Ying，et al. Hemodynamic consequences of TEVAR with in situ double fenestrations of left carotid artery and left subclavian artery[J].Medical engineering &Physics，2020，76：32-39.