腹主動脈瘤血流動力學數值模擬研究進展*

李留江，楊 鏞，孫 毅，楊金江，萬 嘉，李國劍

1.昆明醫科大學第四附屬醫院血管外科，云南 昆明 650021；

2.云南大學附屬醫院，云南 昆明 650021；3.昆明醫科大學附屬心血管病醫院，云南 昆明 650021

腹主動脈瘤（abdominal aortic aneurysm， AAA）是局部血管病理性擴張的高危疾病，其發病率為2%～3%，每年增加約150 000新病例，呈逐年上升趨勢［1］。目前尚無有效藥物能控制AAA進展［2］，但通過戒煙，合理飲食，控制血壓、血脂水平等措施，降低危險因素的威脅，可很大程度上減少慢性炎癥、氧化應激、細胞外基質重塑等加劇血管老化事件的發生。腹主動脈血管內皮細胞（Vascular Endothelial Cells，VECs）作為隔絕血液及血管壁的唯一屏障，是血管壁的第一層保護因素，也是最早的受害者，VECs在感受過度的血流動力學刺激后，會釋放和激活多種血管活性物質，打破包括VEC、平滑肌細胞和成纖維細胞在內的多種細胞增殖和凋亡之間的動態平衡，使得血管的形態、結構及功能發生改變［3］。腹主動脈瘤腔內修復術（Endovascular Aneurysm Repair，EVAR）是手術治療AAA的主要方式，支架的植入可一定程度上減少血流動力學改變對內皮細胞的沖擊，但支架仍處于血流流體力學作用的環境中。同時有研究發現，通過瘤體直徑（直徑超過5.5 cm或直徑年增長率大于1.0 cm）評估AAA是否需要手術干預的方式已略顯片面［4］，研究報道直徑小于5.5 cm的AAA仍有23%的破裂幾率［5］，關注血流動力學改變對小直徑AAA的作用對及早診治、預防破裂和減緩瘤體進展有著極其關鍵的作用。

針對AAA血流動力學的探討，先后建立了理論模型、物理模型以及動物模型等理想化的AAA模型［6］，但這些模型一定程度上脫離了人體腹主動脈的真實環境，所得到的實驗結果有待商榷。1987年，Perktold等［7］開始利用計算機技術模擬AAA中血流動力學的改變，并且近年來，隨著影像學技術的精進與各種流體力學計算軟件的開發，基于AAA患者影像學數據建立的數值化模型，更個性化的重建了AAA血管管腔內的環境，為進一步探討AAA發生、發展機制以及優化手術方案，降低術后并發癥等提供了條件。

1 AAA重要的血流動力學指標

AAA血流動力學研究的基本內容有血壓，流場分布：如層流、逆流、渦流和湍流，以及內皮細胞力學感受器在血管壁上傳導較為敏感的壁面切應力（Wall shear stress，WSS）、壓力和周向應力三種力學刺激［8］。另外還包括了Martufi等［9］報道AAA瘤壁上受到的血流震蕩指數（Oscillatory Shear Index，OSI）等機械力的影響。除此之外還有影響管壁血流動力學的其他病理改變，如動脈壁鈣化、附壁血栓形成、瘤體偏心分布等。

AAA的發生與較低或較高的WSS、高OSI有較大的關系，其主要的作用機制為血管平滑肌細胞表型的改變、炎性細胞因子和氧化因子的增加，以及上調基質金屬蛋白酶的表達，最終引起細胞活性降低、彈性蛋白降解和紅細胞破壞［12］。AAA瘤體的擴張與瘤體肩部應力關系密切，因此，通過瘤體肩部WSS與瘤體肩部之間的擴張關系可指導小動脈瘤（瘤體直徑＜5.0 cm）的腔內修復治療［13］。WSS與OSI的大小受AAA瘤體形狀、瘤體偏心率、附壁血栓（Intra-Luminal Thrombus，ILT）、管壁鈣化程度、流場變化等多種因素的影響。其中，ILT可增加管壁厚度，降低腹主動脈管壁上承受的最大WSS［14］，這種改變主要表現為瘤體前壁最大WSS值的降低，前壁減少的WSS被轉移到瘤體后壁，對鄰近管壁起到一定的保護作用［15］，但ILT沉積可致局部管壁組織缺氧加重，造成炎性因子聚集、蛋白水解。OSI與ILT沉積程度呈現負性相關［16］，在低TAWSS區域通常伴隨著高OSI的出現，不利于ILT沉積，因此，在低TAWSS區域和高OSI區域，ILT沉積程度較其他區域明顯［17］。另外，ILT可改變流場和流體結構之間的相互作用［18］。管壁鈣化可增加AAA所受到的WSS，從而降低AAA生物力學穩定性，管壁收到的WSS與生鈣化位置相關，與鈣化量的大小無明顯無相關性［14］。流場改變，如渦流或湍流會導致WSS降低和OSI升高，AAA中再循環區域可增加ILT的沉積［18］。隨著AAA的擴張，流場紊亂，管壁受渦流、逆流和湍流的影響程度增大，隨之WSS、OSI等力學參數改變導致了惡性循環的發生，最終加速動脈瘤的生長和破裂速度。腎下腹主動脈段因受流場改變較其他部位明顯，這也是其易發生動脈瘤或瘤體破裂的重要原因［19］。

2 AAA數值模型進展

隨著計算機仿真技術的高速更新，基于患者的多普勒超聲、CT、MRI、數字減影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）等影像學數據重建出的AAA三維數值模型，在經濟成本和變量條件控制等方面也有突出優勢，逐漸成為研究包括腹主、顱內、心臟大動脈和四肢小動脈等血流動力學的主要方法［20-21］。通過計算機仿真技術重建的AAA血流動力學數值模型主要有：流固耦合（Fluidstructure Interaction，FSI）模型、計算流體力學（Computational FluidDynamics，CFD）模型、計算固體應力（Computational Solid Stress， CSS） 模 型 和 點 云 模 型（Point-cloud Model，PCM）。這些模型建立的主要方法為：收集患者的CT、MRI、DSA等影像數據，導入醫學逆向重建軟件和流體力學分析軟件中，如Mimics和FLUENT，先重建AAA的三維數值模型，然后在力學分析軟件中對模型的材料屬性、邊界條件等進行設定，再對得到的合格模型進行網格劃分，迭代計算后得到AAA瘤體中的流速改變、流場分布、血壓、WSS、TAWSS、峰值壁面切應力（Peak Wall shear stress， PWSS）等血流動力學參數的分布云圖，同時還可對影響血流動力學的其他指標因素，如：ILT、鈣化斑塊、瘤體形狀等進行研究。

FSI模型是分析AAA瘤體內部血流動力學最有效的建模手段。通過任意拉格朗日—歐拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian method， ALE）將Navier-Stokes方程和彈性動力學方程耦合，將以脈動性流動的血流作用在動脈瘤壁的血流動力學改變準確表達［15］。FSI模型已成功應用于涉及移動邊界、自由表面和流體結構相互作用的AAA血流動力學參數的研究中。但在此模型中，因研究血管管壁的物理特性，如管壁厚度、管壁非線性行為及管壁組成成分在空間上分布不均的影響［22］，WSS和PWSS的大小出現了差異，厚度不同的各向異性管壁與管壁厚度均勻的各向同性管壁相比，后者低估了瘤體的WSS［23］。真實AAA的管壁物理特性的取向更接近各向異性的設定，因此，基于各向異性設定獲得的FSI模型的精準度相對更高，同時可兼顧瘤體內部脈動性流動的血流在管壁上引起壓力分布不均的不足，較準確的捕獲血流動力學的變化。Giuma等［24］還建議首選FSI建模技術應用到AAA患者的術前計劃中。

CFD模型是由FSI模型簡化而來的，根據AAA中WSS和渦旋的形成來量化血流動力學參數的變化［25］，但同時也只能捕獲到流體域的動力學信息［26］。CFD模型將動脈瘤壁視為剛性壁，在這種假設下，血流的動能在向動脈壁擴散的過程中容易受到阻礙，這種阻礙會增加流體湍流的出現，在一定程度上高估了近端瘤頸部區域的WSS。在邱越等［27］的報道中，總結了近10年來使用CFD模型研究AAA血流動力學改變的研究，其中將血管壁設定為剛性壁的研究約占90%。在Raptis等［28］的報道中，盡管CFD模型的剛性壁假設可影響其仿真效果，但通過CFD建模技術可用于分析AAA EVER置入支架后管腔內的血流動力學情況，進而優化支架的選擇、放置和支架構型的設計。

CSS模型用時變壓力代替流體域，通過WSS和順應性來反應AAA中血流動力學的改變，流體域中的血流運動被假定為均勻分布的壓力載荷，并假定其壓力值與瘤體出口處的壓力值相當［29］。盡管大多數研究認為CSS模型對壁應力的影響可以忽略不計，但考慮到AAA瘤體軸向長度的改變，CSS模型可能會低估WSS的改變［24］。

由于人體器官的復雜性和個體性差異，加之上述三種數值模擬技術都需要基于生物體的圖像信息以重建模型，再利用有限元網格劃分等技術進行生物流體力學分析，使得整個建模和流體力學分析過程需要大量的時間和人力，對計算機的處理能力也有極高的要求，這些缺點一定程度上限制了上述三種數值模擬技術的廣泛應用，見表1。使用PCM仿真技術可一定程度上克服上述建模技術存在的缺點，但基于PCM基礎上的無網格法、有限差分法和有限體積法的仿真分析技術，盡管不需要建立有限元網格，因其所依賴的算法極為復雜以及網格節點的要求，使得其存在計算速度緩慢、通用性不良等缺點。錢璟等［30］報道了基于PCM基礎上的離散梯度法進行的數值模擬分析技術，可直接在任意的PCM上進行數值模擬分析，不依賴任何結構化或非結構化的網格模型，從而實現對生物體器官進行準確快速的靜、動力學分析的目的。同時，離散梯度法最明顯的優點在于整個分析過程可以實現全自動化，極大地降低了對模型的處理和分析時間，可以廣泛地應用到AAA病例的特異性研究和治療方案的選擇上來。

表1 FSI、CFD、CSS、PCM的優缺點對比

人體血管中的血流是脈動性流動的，血流動力學參數的變化隨心動周期的變化而變化，在每個脈沖期間血管壁與官腔中的血流是相互作用的，血管壁的形變可帶來流場、流速等的改變。總結上述三維數值模型可發現，材料屬性和邊界條件的設定，AAA瘤體形狀的描述是當下數值模型存在的主要不足。表現在剛性壁的假設忽略了管壁的順應性，不能準確的模擬AAA瘤體中再循環區域血流的流動方向的變化。剛性壁假設下的數值模型在描述渦流變化上是有時間減速的，而柔性壁假設下的數值模型是源自管壁運動的分離渦流，以及以動脈瘤為中心的再循環區域的流場改變。同正常的動脈管壁相比，異常血管腔內會出現較為明顯的血流分離區域和再循環區域，這些區域的形成會引起ILT的沉積，而ILT沉積、瘤體直徑改變和動脈壁鈣化程度的大小都是影響血管壁剛度變化的重要原因，故在特定區域，剛性壁的設定會導致這些病變區域WSS評估出現較大程度的偏離［36-37］。在最新的邊界設定研究中，彭臣等［38］將血管壁設定為動邊界，從而得出了動邊界條件下AAA瘤腔內血流淤滯所引發ILT的可能性更大。在邊界條件設定為各向同性的前提下，管壁厚度是影響固體域與流體域流固耦合界面物理性質測量結果出現差異的重要原因，血管壁厚在AAA進展過程中是逐漸減少的，處于動態變化之中，所以對邊界條件的設定也不應是一成不變的。Raut等［39］通過激光高精確卡尺對血管壁厚度進行了測量，證實了在均勻壁厚和可變壁厚條件下WSS有著較為明顯的差異。AAA瘤體的幾何形態是導致脈動性流動的血流在時間減速空間減速上出現差異的關鍵原因，AAA瘤體的形態影響著瘤腔內的血流動力學參數的改變，這是將來數值模擬急需關注的重要因素之一［40］。

3 數值模擬的應用進展

AAA數值模擬技術不但可用于探討AAA中血流動力學參數的異常改變，并在此基礎上進一步探索血流動力學異常改變在AAA的形成、進展、破裂中的機制。還可探討AAA瘤體腹主動脈與髂動脈分叉處、AAA長軸拐點處以及瘤體后壁等特殊位置的血流動力學參數變化，為探索重點區域的防治和特殊區域的支架置入方式提供可能，進而優化手術方案和預防措施。另外，數值模擬技術還可用于探討EVER后支架內的血流動力學改變，預防術后支架移位、斷裂、內漏形成和再狹窄。當然，數值模擬技術除可對動脈血管中的血流動力學進行研究外，還可應用到靜脈血管中血流動力學的研究，防治靜脈血栓的形成和脫落。

數值模擬技術可用于支架的設計和改良。在谷雪蓮等［41］對直形覆膜支架的設計改良中，利用數值模擬技術建立AAA的三維模型，然后根據支架的材料屬性建立直形覆膜支架的三維模型，最后模擬直形覆膜支架從體外到植入AAA中的整個過程，得到了支架在植入過程中的徑向壓握值變化，植入瘤腔后自膨脹釋放狀態以及植入后平衡狀態3種工作情況下的穩定性和各個狀態下的生物力學指標變化，進而不斷優化該支架。張婭等［42］在頸動脈瘤支架置入手術方案預設計中，通過數值模擬技術得到了支架置入前、后瘤腔內的流場、流速、WSS、壁面壓力、血流灌注比等參數的變化，證明了數值模擬技術可有效預測頸動脈支架植入術治療重度頸動脈狹窄的療效。張星等［43］利用數值模擬技術研究了不同孔徑的支架對頸動脈瘤內血流動力學參數的影響，發現支架的孔率對瘤腔內的WSS、流速有著明顯的影響，支架的孔率越低，這種異常影響就越小。李寶童等［44］在新型導流支架的設計中，利用數值模擬技術重建AAA和支架系統，比較了多層密網支架（Streamliner Multilayer Flow Modulator，SMFM）與新型導流支架對復雜AAA的血流動力學影響程度，得出新型導流支架對腹主動脈分支動脈處的血流動力學的影響較小。數值模擬技術為探討減少EVER術后腎功能衰竭、內漏、盆腔缺血、臀肌跛行（Buttock Claudication，BC）、性功能障礙等嚴重并發癥的措施提供了新的思路［45］。

數值模擬技術可以對形狀復雜的AAA以及AAA中特殊區域，如主、髂動脈分叉處、瘤頸、瘤體最狹窄處、動脈瘤長軸中心線拐點處等的血流動力學進行研究，尋找AAA的高風險破裂區域和瘤體易進展區域，為精準醫療提供技術支撐。在Boniforti等［46］的研究中，通過建立AAA的三維數值模型，對動脈瘤中心線拐點處的流場變化和復雜形態的動脈瘤做了研究，發現瘤體中心線拐點是血流形成渦流和湍流的重點區域，并發現越曲折的瘤體，ILT形成的可能性越大，曲折性大的瘤體，其進展速度較曲折性小的瘤體更快。這對指導手術恢復AAA瘤體軸線，探索長軸中心線拐點周圍是否是AAA易破裂區提供了條件，同時還可在術前對復雜AAA進行手術模擬。通過設計復雜AAA的透明模型系統，能可視化的模擬支架在瘤體中釋放的全過程，增加了手術成功的幾率。目前的研究大多集中于真性AAA，針對夾層動脈瘤研究卻較少，通過數值模擬技術也可分析夾層動脈內的血流動力學參數變化。這在張錫文等［47］通過數值模擬技術分析支架植入前、后夾層動脈內的流場、流速、應力分布情況，發現植入覆膜支架后瘤壁上的最大WSS和最大位移均從瘤腔壁面轉移到管狀動脈壁上，且數值大大下降，證明植入覆膜支架能很好地防止夾層動脈瘤破裂。宋雨杰等［48］預防證實了數值模擬技術在早期防治AAA進展中的作用。