大腦中動脈狹窄形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)的數(shù)值模擬相關(guān)性分析

鐘 彥 明照凱 陳曉琴 成志國 陳廣新 于廣浩

牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011

缺血性腦血管病是一種病因尚未明確的慢性閉塞性顱腦血管疾病，常表現(xiàn)為頸內(nèi)動脈（internal carotid artery，ICA）或大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）漸進(jìn)性狹窄、閉塞，歐美人群和亞洲人群分別好發(fā)于ICA起始部和MCA起始部M1段[1-3]。在臨床工作中通常用磁共振血管造影、CT血管造影（CT angiography，CTA）和數(shù)字減影血管造影對患者進(jìn)行顱頸動脈狹窄的檢查[4-6]，其中CTA能夠清晰顯示MCA狹窄、閉塞情況，且創(chuàng)傷性較小，是研究MCA動脈粥樣硬化的重要影像學(xué)方法。

隨著計算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）在醫(yī)學(xué)的廣泛應(yīng)用[7-8]，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)動脈粥樣硬化血管存在血流動力學(xué)改變[9-12]。目前大腦中動脈狹窄形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)的相關(guān)性研究較少，因此本研究通過測量MCA-M1段狹窄的多項形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)和計算血流動力學(xué)常見參數(shù)，探討?yīng)M窄發(fā)生發(fā)展過程中形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019年7月至2022年3月牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院影像科診斷為MCA-M1段狹窄的21例患者CTA圖像，其中男15例、女6例，年齡30～69歲，平均（53.38±10.54）歲。本研究經(jīng)牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審核通過。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)CTA明確診斷為單側(cè)MCA-M1段動脈粥樣硬化性狹窄；②影像學(xué)資料完整；③顱內(nèi)其余血管未見明顯病變及狹窄；④患者知情同意。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有心力衰竭、惡性腫瘤及經(jīng)過顱腦外科手術(shù)、顱內(nèi)血管介入手術(shù)患者；②由于先天性因素如先天性肌纖維發(fā)育不良導(dǎo)致的大腦中動脈狹窄；③無法完成CTA檢查。

MCA-M1段狹窄率、狹窄體積計算方法如下：狹窄率=[（狹窄遠(yuǎn)端正常直徑-狹窄段最窄直徑）/狹窄遠(yuǎn)端正常直徑]×100%[13]；狹窄體積=MCA-M1段血管體積-大腦中動脈M1段正常血管體積；本實驗中的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)由MIMICS和3-MATIC軟件測得。

1.2 建立模型

在MIMICS和3-MATIC軟件分別完成3D模型重建（圖1），光滑后將3D模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT計算機(jī)軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，本研究模型網(wǎng)格數(shù)范圍為400 000～1000 000，檢驗合格后在ANSYS CFX軟件中進(jìn)行血流動力學(xué)計算。邊界條件設(shè)定如下：血管壁設(shè)定為剛性壁；血液定義為不可壓縮的牛頓流體，血液流動狀態(tài)為層流并滿足Navier-Stokes方程，其中血液密度ρ=1066 kg/m3，血液黏滯系數(shù)μ=0.0035 Pa·s；入口及出口條件均來源于數(shù)據(jù)庫，入口和出口形式分別為速度、壓力，兩者均隨心動周期發(fā)生變化。在本次仿真模擬過程中，每個3D網(wǎng)格模型計算3個心動周期，每個周期分100步共0.8 s，將最后一個周期結(jié)果導(dǎo)出至CFD POST軟件進(jìn)行參數(shù)可視化處理。

圖1 大腦中動脈狹窄3D模型

1.3 血流動力學(xué)參數(shù)

本項研究計算了壁面剪切力（wall shear stress，WSS）和震蕩剪切指數(shù)（oscillatory shear index，OSI）兩種血流動力學(xué)參數(shù)，兩種參數(shù)均取自最后一個周期的最后一刻，且均為峰值。其中WSS是血液與血管壁之間的摩擦力，它能被內(nèi)皮細(xì)胞頂端的機(jī)械傳感器感知，從而誘導(dǎo)細(xì)胞和分子發(fā)生變化[14]。OSI是由壁面剪切力求得的無量綱參數(shù)，范圍為0～0.5[15]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 25.0軟件對形態(tài)學(xué)和血流動力學(xué)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計與分析。由于狹窄體積不符合正態(tài)分布，其余連續(xù)變量符合正態(tài)分布，因此采用Person相關(guān)和Spearman相關(guān)兩種統(tǒng)計學(xué)方法分析大腦中動脈狹窄的形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)之間的相關(guān)性，以P＜ 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 MCA-M1段狹窄的血流動力學(xué)基本特征

研究發(fā)現(xiàn)MCA-M1段狹窄區(qū)域WSS明顯增大；狹窄區(qū)域OSI未見明顯異常，狹窄兩端正常區(qū)域OSI升高（圖2～3）。

圖2 大腦中動脈狹窄WSS云圖

圖3 大腦中動脈狹窄OSI云圖

2.2 形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)統(tǒng)計分析結(jié)果

形態(tài)學(xué)及血流動力學(xué)基本情況見表1；統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)血管狹窄率、狹窄體積與OSI無明顯直線相關(guān)；狹窄長度與OSI、WSS均無明顯直線相關(guān)；而MCA-M1段狹窄率與WSS呈正相關(guān)（rs=0.788，P=0.000）；狹窄體積與WSS呈負(fù)相關(guān)（rs=-0.769，P=0.000）（圖4～6）。

表1 形態(tài)學(xué)與血流動力學(xué)基本情況

圖4 狹窄率與WSS、OSI的相關(guān)性結(jié)果

圖5 狹窄長度與WSS、OSI的相關(guān)性結(jié)果

圖6 狹窄體積與WSS、OSI的相關(guān)性結(jié)果

3 討論

顱腦狹窄血管的形態(tài)學(xué)改變常引起血流動力學(xué)變化，探索兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于臨床評估腦缺血事件發(fā)生的風(fēng)險，對顱腦動脈粥樣硬化狹窄的預(yù)防及治療具有重要意義。本實驗通過CFD研究發(fā)現(xiàn)大腦中動脈狹窄處及兩端血流動力學(xué)發(fā)生明顯區(qū)域性改變，并且動脈的狹窄率、狹窄體積與WSS相關(guān)性顯著。

WSS和OSI是血流動力學(xué)仿真模擬中較常見的兩種參數(shù)。有研究發(fā)現(xiàn)血管長期處于低循環(huán)及低水平WSS容易產(chǎn)生動脈粥樣硬化斑塊，OSI也與動脈粥樣硬化形成關(guān)系密切，是研究動脈狹窄發(fā)生發(fā)展的重要血流動力學(xué)參數(shù)[16-18]。MCA-M1段是顱內(nèi)動脈粥樣硬化的常見部位，且其走行較為平直能減少其他形態(tài)學(xué)因素對血流動力學(xué)的影響，因此將其作為本研究對象，研究結(jié)果顯示狹窄段WSS升高而狹窄下游或兩端出現(xiàn)OSI增大。有學(xué)者認(rèn)為血管處于高WSS、低OSI狀態(tài)下，低密度脂蛋白對動脈管壁的滲透性增加、局部密度增大，從而引起動脈粥樣硬化及進(jìn)一步狹窄，此外高WSS容易引起不穩(wěn)定斑塊破裂出血并繼發(fā)血小板聚集，發(fā)生急性血栓事件的風(fēng)險增加[19-21]。

本研究結(jié)果顯示，血管狹窄率、狹窄體積與OSI無明顯直線相關(guān)，狹窄長度與OSI、WSS均無明顯直線相關(guān)，考慮狹窄長度對血流動力學(xué)影響較小，此外實驗存在如血管迂曲程度及直徑等形態(tài)學(xué)因素的干擾。MCA-M1段狹窄率與WSS呈正相關(guān)（rs=0.788，P=0.000）；狹窄體積與WSS呈負(fù)相關(guān)（rs=-0.769，P=0.000），提示狹窄率越高、狹窄越局限，WSS越高，血管易發(fā)生進(jìn)一步狹窄及狹窄處不穩(wěn)定斑塊破裂，臨床需給予充分重視及積極預(yù)防治療。

本研究還存在以下不足：首先，實驗樣本數(shù)較少，可能會導(dǎo)致結(jié)果偏移，在今后的研究中需要增大樣本量；此外，本實驗的入口、出口條件均來源于數(shù)據(jù)庫，與個體真實病例數(shù)據(jù)存在一定差異，后期研究可考慮采用經(jīng)顱多普勒超聲獲得病例特異的血管入口流速及出口壓力，使CFD仿真模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確真實；動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展是多種因素共同作用的結(jié)果，本研究由于樣本量較小并未對臨床各種危險因素進(jìn)行校正，后續(xù)實驗需在擴(kuò)大樣本量的同時對病例進(jìn)行篩選。

綜上所述，MCA-M1段狹窄時血流動力學(xué)發(fā)生改變，并且狹窄率越高、狹窄越局限時WSS越高，可為臨床工作者了解狹窄患者血流動力學(xué)情況提供一定幫助。