基底核區(qū)高血壓腦出血患者穿刺引流置管靶點(diǎn)的位置與血腫清除率及神經(jīng)功能的關(guān)系研究

睢豫擘，劉展，王艮衛(wèi)，陶勝忠，盧慧鵬，王在斌

腦出血占腦卒中的25%～55%［1］，高血壓腦出血（hypertensive intracerebral hemorrhage，HICH）是其主要類型，目前對(duì)HICH的研究主要集中在手術(shù)方式的利弊分析及對(duì)患者預(yù)后的影響［2-4］，而對(duì)于血腫形態(tài)的研究多集中在影響血腫擴(kuò)大的生物學(xué)和生理因素［5-7］。出血點(diǎn)位置及自身解剖結(jié)構(gòu)能夠影響血腫形態(tài)發(fā)展，從力學(xué)角度分析，腦組織因出血沖擊會(huì)發(fā)生彈性形變，當(dāng)血腫內(nèi)、外應(yīng)力分布達(dá)到平衡時(shí)才能勾勒出血腫最終形態(tài)，但這缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證，主要是受研究方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制。如果將力學(xué)傳感器置于血腫腔內(nèi)，勢(shì)必會(huì)影響血腫腔內(nèi)初始應(yīng)力分布。TAKIZAWA等［8］較早在二維平面進(jìn)行了腦內(nèi)血腫形態(tài)有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，腦組織高精度力學(xué)模型的建立為顱腦損傷、腦出血、腦積水等疾病的演變過(guò)程提供了很好的數(shù)字模型［9-11］。翟國(guó)德等［12］使用FEA模擬梗阻性腦積水，得出腦積水時(shí)角部最易受影響、體部形變最大等結(jié)論。對(duì)于HICH患者，臨床治療手段主要是手術(shù)治療，尤其是鉆孔引流術(shù)、內(nèi)鏡下血腫清除術(shù)等微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛［13］，其已逐漸成為神經(jīng)外科手術(shù)的主要方法。如何在同樣的手術(shù)創(chuàng)傷下，更快地清除血腫、解除占位效應(yīng)、縮短病理過(guò)程尤為重要，因此，本研究旨在探討基底核區(qū)HICH患者穿刺引流置管靶點(diǎn)的位置（是否位于強(qiáng)應(yīng)力區(qū)）與血腫清除率及神經(jīng)功能的關(guān)系，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性選取2018—2021年就診于鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科的基底核區(qū)HICH患者30例為研究對(duì)象，其中男20例，女10例；年齡48～73歲，平均（59.5±6.8）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）符合《中國(guó)腦卒中防治指導(dǎo)規(guī)范（2021年版）》中HICH診斷標(biāo)準(zhǔn)：①有確切的高血壓病史；②典型的出血部位，如基底核區(qū)、丘腦、腦室、腦干、小腦半球等；③采用顱腦數(shù)字減影血管造影/CT血管造影/磁共振血管造影排除繼發(fā)性腦血管病；④排除凝血功能障礙性疾病；⑤早期（72 h內(nèi)）或晚期（血腫全部吸收2～3周后）行增強(qiáng)磁共振成像檢查并排除腦腫瘤或海綿狀血管畸形等疾病［1］。（2）年齡≥40歲。（3）出血部位位于基底核區(qū)。（4）患者術(shù)前無(wú)血流動(dòng)力學(xué)障礙、無(wú)中線偏移。（5）采用無(wú)框架立體定向穿刺技術(shù)置管引流（美敦力S7神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)下）。（6）原始DICOM數(shù)據(jù)基于同一臺(tái)雙源CT平掃（GE公司生產(chǎn)，1 mm層厚）。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）出血量＞40 ml或血腫破入腦室者；（2）入院前合并嚴(yán)重基礎(chǔ)疾病，如心力衰竭、心肌梗死、重度心房顫動(dòng)者；（3）術(shù)前多次出血，深昏迷，刺痛無(wú)反應(yīng)或術(shù)后再次出血者；（4）既往檢查提示顱內(nèi)存在動(dòng)脈瘤或動(dòng)靜脈畸形等可能引起血流動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的疾病者。本研究獲得鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（倫審批件號(hào)：2022052）。

1.2 建模 將患者原始DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D Slicer 4.0.10.2中，勾勒出基底核亞區(qū)不同解剖結(jié)構(gòu)，由于腦組織生理結(jié)構(gòu)為對(duì)稱分布，通過(guò)描繪解剖結(jié)構(gòu)正常的大腦半球，軸對(duì)稱處理后得出患側(cè)大腦半球模型。重建三維大腦半球鑲嵌模型后，導(dǎo)出其光刻模型。使用Geomagic 2015及Solidworks 2019將腦組織模型實(shí)體化，再分割、修整后，生成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式（.x_t）模型，見(jiàn)圖1。將模型導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）軟件ANSYS 2020 R2的Flunt模塊中［14］，采用四面體網(wǎng)格劃分（the tetrahedral network，TEN）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2。因血液在血管中的流動(dòng)為層流與湍流交替進(jìn)行［15］，血管破口模型選取基于壓力的黏性（Realizable k-e，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)）瞬態(tài)分析模型，以期在雷諾應(yīng)力上盡可能與真實(shí)血流保持一致。出血口壓力的設(shè)定使用UFD編譯出隨心動(dòng)周期變化的壓力變化函數(shù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略了噴口處流體回流（實(shí)際上血管破口處血液向管外噴射時(shí)常伴有極少量血液向管內(nèi)湍流）。在網(wǎng)格設(shè)置中，為更直觀地看到出血對(duì)腦組織的沖擊，使用擴(kuò)散平滑的動(dòng)網(wǎng)格結(jié)合網(wǎng)格重新劃分網(wǎng)格，使得局部單元、局部面、區(qū)域面的尺寸調(diào)整及參數(shù)更適配復(fù)雜的腦組織鑲嵌模型。依據(jù)灰質(zhì)、白質(zhì)在基底核外囊區(qū)的分布不同，分別設(shè)定不同參數(shù)，從而對(duì)腦組織鑲嵌模型內(nèi)的不同組織賦予不同材料特性。將出血點(diǎn)處與腦組織接觸的界面（即動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域處）設(shè)為流體-固體界面，施加載荷后進(jìn)行瞬態(tài)雙向流固耦合（bidirectional structure-fluid coupling，BSFC）。基底核區(qū)HICH血腫呈腎形，見(jiàn)圖3。

圖1 腦組織鑲嵌模型建模流程圖Figure 1 Flowchart of brain tissue mosaic modeling

圖2 腦組織鑲嵌模型四面體網(wǎng)格劃分結(jié)果Figure 2 Tetrahedral mesh partitioning results of brain tissue embedding model

圖3 基底核區(qū)HICH腎形血腫模擬結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFigure 3 Comparison chart of simulated results of reniform haematoma in the basal ganglia HICH

1.3 觀察指標(biāo) 從ANSYS 2020 R2軟件導(dǎo)出置管靶點(diǎn)等效應(yīng)力與血腫應(yīng)力最大值比值，根據(jù)穿刺引流置管靶點(diǎn)的位置是否位于血腫強(qiáng)應(yīng)力區(qū)將患者分為強(qiáng)應(yīng)力組（置管靶點(diǎn)等效應(yīng)力與血腫應(yīng)力最大值比值＞74%，19例）和弱應(yīng)力組（置管靶點(diǎn)等效應(yīng)力與血腫應(yīng)力最大值比值≤74%，11例）。收集患者性別、年齡、出血部位、術(shù)后水腫量、術(shù)后3 d血腫清除率、術(shù)后2周格拉斯哥昏迷量表（Glasgow Coma Scale，GCS）評(píng)分與術(shù)前差值以及拔管時(shí)間。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)量資料符合正態(tài)分布以（±s）表示，兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)量資料不符合正態(tài)分布以M（QR）表示，兩組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以相對(duì)數(shù)表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

強(qiáng)應(yīng)力組與弱應(yīng)力組性別、年齡、出血部位、術(shù)后水腫量、拔管時(shí)間比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；強(qiáng)應(yīng)力組術(shù)后3 d血腫清除率、術(shù)后2周GCS評(píng)分與術(shù)前差值高于弱應(yīng)力組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)應(yīng)力組與弱應(yīng)力組觀察指標(biāo)比較Table 1 Comparison of observation indicators between strong stress group and weak stress group

3 討論

盡管血腫的擴(kuò)散速度、方向、最終體積等因素與患者的預(yù)后密切相關(guān)，既往關(guān)于HICH的研究主要集中于從病理生理學(xué)或者臨床醫(yī)學(xué)角度探討血腫對(duì)人大腦功能的影響以及相應(yīng)的治療手段［15-16］，極少有學(xué)者從力學(xué)角度探討血腫形成的過(guò)程。因動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的局限性和CFD的發(fā)展，人們開(kāi)始考慮使用計(jì)算機(jī)模擬腦出血后血腫的形態(tài)變化并探究血腫內(nèi)部生物力學(xué)，從而嘗試構(gòu)建符合臨床觀察結(jié)果的數(shù)字模型［17］。1994年，TAKIZAWA等［8］使用二維有限元模型設(shè)置了不同位置的出血點(diǎn)并進(jìn)行FEA，得出了大腦變形及應(yīng)力分布圖。當(dāng)血液在高血管內(nèi)壓作用下噴涌而出形成血腫時(shí)，會(huì)擠壓、破壞周圍腦組織，血腫的發(fā)展使腦組織發(fā)生持續(xù)彈性形變進(jìn)而改變血腫周邊應(yīng)力，直至血腫內(nèi)、外應(yīng)力分布平衡才會(huì)形成穩(wěn)定的血腫。這一復(fù)雜的過(guò)程人力計(jì)算太過(guò)困難，無(wú)法用單一的方程求解。隨著CFD軟件的興起，逐漸有研究者將復(fù)雜的疾病以模型形式展現(xiàn)并進(jìn)行分析［18］。NARASIMHAN等［19］使用CFD軟件模擬血腫抽吸過(guò)程引起腦組織變形的過(guò)程，分別建立了三維中央疏散抽吸模型、疊加疏散抽吸模型，并分析了不同模型的血腫抽吸百分比、大腦形變、時(shí)間成本等，其雖然模擬了血腫抽吸過(guò)程，并將之應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助臨床醫(yī)生更精確地抽吸血腫，避免破壞正常的腦組織，但卻忽略了血腫內(nèi)部應(yīng)力分布問(wèn)題。MILLER等［20］通過(guò)創(chuàng)建高分辨率、解剖精確的大腦有限元模型，并加入從撞擊尸體得出的優(yōu)化大腦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及材料特性，預(yù)測(cè)腦組織中局部應(yīng)力和應(yīng)變，盡管其模型在驗(yàn)證測(cè)試中表現(xiàn)出良好的整體反應(yīng)，但該模型沒(méi)有將腦組織中材料特性區(qū)分開(kāi)來(lái)，只籠統(tǒng)地認(rèn)為是均質(zhì)，限制了其仿真效果。

腦組織具有明顯的非線性黏彈性，表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性，且這些特性隨著腦組織的形變而不斷變化［21］。為了精簡(jiǎn)計(jì)算過(guò)程，本研究選取的基底核區(qū)HICH血腫形態(tài)較規(guī)則，出血量較少，未波及較大區(qū)域，避免過(guò)大血腫引發(fā)的腦組織黏彈性劇烈變化。腦組織近似為線彈性模型［22］，本研究對(duì)基底核區(qū)不同亞區(qū)進(jìn)行精細(xì)劃分，并賦予不同的材料特性，以避免模型過(guò)于單一刻板而偏離實(shí)際解剖。在早期的研究中，對(duì)于出血點(diǎn)的設(shè)置也過(guò)于簡(jiǎn)單，不符合臨床情況［23］。借鑒YING等［24］在模型中加入心臟脈動(dòng)模擬，本研究使用了隨心動(dòng)周期變化的出血口壓力。對(duì)血腫內(nèi)部和周邊應(yīng)力云圖分析顯示，血腫為腎形。內(nèi)部應(yīng)力非均勻分布，集中分布于靠近豆?fàn)詈瞬课唬⒃诳臻g中向各方向遞減，尤以向豆?fàn)詈朔较驕p低速率最甚。研究顯示，對(duì)于自發(fā)性基底核區(qū)HICH患者，約70%的血腫形狀為腎形［25］。在彈力學(xué)中，應(yīng)力集中現(xiàn)象廣泛存在，常導(dǎo)致物質(zhì)斷裂甚至破壞。與之對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象稱為應(yīng)力擴(kuò)散，應(yīng)力集中越明顯，擴(kuò)散的現(xiàn)象越明顯［26］。基于此規(guī)律本研究探討了置管靶點(diǎn)的位置（是否位于血腫強(qiáng)應(yīng)力區(qū)）與血腫清除率的關(guān)系。本研究結(jié)果顯示，強(qiáng)應(yīng)力組術(shù)后3 d血腫清除率、術(shù)后2周GCS評(píng)分與術(shù)前差值高于弱應(yīng)力組，提示強(qiáng)應(yīng)力組置管靶點(diǎn)更接近血腫應(yīng)力中心，血腫具有更大的擴(kuò)散趨勢(shì)。

綜上所述，基底核區(qū)HICH患者穿刺引流置管靶點(diǎn)的位置可能影響其術(shù)后血腫清除率及GCS評(píng)分，提示術(shù)前應(yīng)快速建立模型，確定血腫應(yīng)力中心，利用神經(jīng)導(dǎo)航將置管靶點(diǎn)設(shè)置在強(qiáng)應(yīng)力區(qū)，從而促進(jìn)血腫引流，改善患者神經(jīng)功能，這可以為臨床治療提供一定的理論支持。本研究模型受制于消費(fèi)級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及簡(jiǎn)化模型生成（CT對(duì)硬組織及出血情況評(píng)估具有良好的適用性，但對(duì)于軟組織成像效果不佳，可能會(huì)影響腦組織及基底核團(tuán)的劃分和提取）、網(wǎng)格劃分精細(xì)程度、材料特性、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化（忽略了比奧固結(jié)理論中滲流率的參數(shù)）、樣本量等，模型的建立與分析可能存在部分偏差，今后仍需進(jìn)一步完善。

作者貢獻(xiàn)：睢豫擘、劉展進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，論文的修訂；王艮衛(wèi)、王在斌進(jìn)行研究的實(shí)施與可行性分析；睢豫擘、陶勝忠、盧慧鵬進(jìn)行資料收集；睢豫擘進(jìn)行資料整理，統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，論文撰寫(xiě)；劉展負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無(wú)利益沖突。