劉莉 穆振霞 薛曉飛 黃素琴 呂涵 高斌 趙鵬飛 丁賀宇 王振常

0 引言

搏動性耳鳴是在沒有外界聲源刺激下，患者主觀感受到耳內或者顱內的嗡嗡狀雜音，其頻率與心跳一致[1]。人群中耳鳴的患病率為10%～15%，搏動性耳鳴患者占全部耳鳴患者的4%～10%，持續(xù)的耳鳴對患者的睡眠和生活質量產生負面影響[2]，常導致失眠焦慮、抑郁，甚至導致患者自殺。搏動性耳鳴的病因包括動脈粥樣硬化、良性顱內高壓、硬腦膜動靜脈瘺、乙狀竇異常(裂開和憩室)以及頸靜脈球瘤[3]。搏動性耳鳴的發(fā)病機制一般認為有兩種：一種是由上述疾病導致的血管異常，使局部血流由層流變?yōu)闇u流或湍流，血流的勢能轉化為聲音；另一種是乙狀竇異常造成的骨壁缺失或裂開，削弱了對血流聲音的屏蔽作用[4]。盡管導致搏動性耳鳴的因素有多種，但乙狀竇憩室或骨壁裂開是最常見且可治療的病因[5]，憩室所致的搏動性耳鳴多達搏動性耳鳴患者的20%[5]。彈簧圈栓塞是一種新的治療憩室型搏動性耳鳴方法，臨床已經有很多成功的案例報道。Lenck等[6]對一名搏動性耳鳴患者，采用可脫性彈簧圈栓塞乙狀竇憩室，永久性地消除了患者的耳鳴，Houdart等[7]報道了一例左側憩室的搏動性耳鳴患者，經彈簧圈血管內治療，憩室閉塞患者耳鳴消退。曹向宇等[8]證實了患者進行支架輔助線圈栓塞后，憩室內湍流消失病人搏動性耳鳴消失。以上臨床已證實彈簧圈栓塞治療搏動性耳鳴的有效性，但是其中彈簧圈參數的選擇主要依賴于臨床醫(yī)生的經驗或者參考顱內動脈瘤彈簧圈的栓塞經驗。

在彈簧圈治療腦動脈瘤的研究中，填充密度被認為是影響栓塞效果的重要因素，因而取得了研究者的廣泛關注。為了取得更好的栓塞效果，通常對動脈瘤內彈簧圈的填塞盡可能致密[9]。Nair等[10]的研究表明了彈簧圈的填充密度可能是決定動脈瘤破裂的重要因素。Otani等[11]研究了局部彈簧圈密度對動脈瘤內血流停滯程度的影響，更好地解釋了彈簧圈的分布與血液停滯之間的關系。Babiker等[12]采用有限元方法和計算流體力學(computational fluid dynamics ，CFD)方法相結合模擬彈簧圈栓塞動脈瘤囊，再現了復雜的血管內治療策略，為臨床治療后血流動力學的變化進行了預測。Morales等[9]認為彈簧圈填充密度和彈簧圈結構對動脈瘤內血流動力學有著重要的影響。雖然上述研究表明填充密度對顱內動脈瘤的彈簧圈栓塞治療效果具有直接的影響[9-10,13]，但是乙狀竇憩室的形態(tài)、體積均與動脈瘤存在較大差異，因此彈簧圈填充密度對乙狀竇的血流動力學環(huán)境的影響規(guī)律尚不明確。

為了解決這一問題，本研究將有限元方法和CFD方法相結合，研究彈簧圈的填充密度對乙狀竇憩室內血流動力學環(huán)境的影響，為臨床彈簧圈栓塞治療憩室型搏動性耳鳴提供理論指導。

1 研究方法

1.1 數據來源

數據來源于北京友誼醫(yī)院一名47歲女性搏動性耳鳴患者，CTA圖像顯示患者左側乙狀竇憩室。本次研究得到了醫(yī)院機構審查委員會的批準，并獲得了患者的知情同意。

1.2 血管幾何模型

將患者CTA醫(yī)學圖像數據導入醫(yī)學影像控制系統(tǒng)軟件(MIMICS20.0)，重建3D幾何模型，并將該模型通過STL格式導出保存。使用Freeform軟件對重建的3D幾何模型進行平滑操作。得到的血管模型主要部分包括橫竇、乙狀竇和憩室，入口段位于橫竇中部，出口段位于乙狀竇末端，如圖1所示。

圖1 血管模型Figure 1 Vascular geometric model

1.3 有限元彈簧圈和支架模型的釋放

考慮到乙狀竇血管的形態(tài)，本次研究參考Enterprise支架的參數和結構完成支架的部署。支架幾何模型采用SolidWorks2018軟件建立，然后利用軟件ABAQUS2019進行有限元分析，得到適應乙狀竇血管形態(tài)的支架模型。支架釋放的工作參考Leng的研究[13]，最終得到適應乙狀竇血管形態(tài)的支架模型。

同時，彈簧圈的釋放過程參考Damiano等[14]的工作，在MATLAB 2020b生成彈簧圈的成籃圈和填塞圈幾何中心線，基于有限元軟件ABAQUS 2019模擬彈簧圈在憩室的釋放過程，采用連續(xù)的3D Timoshenko梁單元對彈簧圈離散化，彈簧圈的網格分辨率設為0.1 mm，梁單元的截面直徑設為真實彈簧圈截面直徑的1.5倍，以防止彈簧圈之間的干涉。彈簧圈的彈性模量設為7500 MPa，密度為21.3 g/cm3，泊松比為0.39。彈簧圈與彈簧圈、彈簧圈與微導管和彈簧圈與血管壁的相互作用采用Abaqus/Explicit中的“通用接觸”。首先，彈簧圈部署到微導管中，然后彈簧圈從微導管釋放到憩室，彈簧圈存在預應力，在釋放到憩室時自動彎曲成型。釋放完成后，得到了彈簧圈幾何中心線的梁單元離散化，將彈簧圈中心線掃描為三維實體模型，將彈簧圈模型與血管模型進行布爾運算用于后續(xù)的CFD仿真計算。

1.4 血流動力學的研究

利用Fluent 2020軟件對模型進行多面體網格劃分，為了精確地捕捉到彈簧圈表面結構，網格尺寸最大設為0.001 m。血管壁處采用三層邊界層網格，邊界層的增長率設為1.2。為了確定網格尺寸的大小，檢驗了計算結果對網格的依賴性。選擇憩室骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力作為檢驗網格無關性的標準，進行穩(wěn)態(tài)的CFD計算。最終用于計算的網格尺寸如表1。

表1 網格尺寸Table 1 The grid size

1.5 控制方程

假設血液是各向同性的、均質、不可壓縮的牛頓流體，最大雷諾數小于700，血流為層流，血管壁面為剛性無滑移，用Navier-Stroke方程[2]表示如下：

▽u=0

(1)

(2)

式中：u為流體的速度矢量；ρ為密度,1 050 kg/m3；μ為流體的黏度，0.0035 Pa.s；p為壓力；t為時間。

1.6 邊界條件

由于缺乏患者特定的血流信息，參考前人研究在血管入口給定了血流速度的邊界條件[15]，血流速度曲線如圖2所示。血管的出口壓力設為0 Pa，為了消除初始血流條件對計算結果的影響，計算3個心動周期的結果。提取第3個心動周期的結果進行血流動力學分析，收斂精度設為10-6s。

圖2 邊界條件Figure 2 Boundary conditions

1.7 血流動力學的分析

采用憩室骨壁區(qū)域壁面壓力分布、壁面剪切力分布、骨壁缺失區(qū)域平均壁面壓力(Pavg)隨時間變化、骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力(WSSavg)隨時間的變化、血流速度流線、速度矢量、血流速度云圖、憩室的低流速(<5 mm/s)區(qū)域體積占比(φ)等參數來評估填充密度對憩室的血流動力學變化的影響。φ、Pavg和WSSavg的公式定義[16]如下：

(3)

式中：Vd指憩室內血流速度小于5 mm/s的區(qū)域的體積；VToal指憩室的體積。

(4)

(5)

式中：pi為元素i的壓力；Ai為元素i的面積[16]。

2 結果

2.1 憩室內彈簧圈的分布

圖3分別顯示了彈簧圈填充密度為0%、6%、12%、18%、24%時在憩室內的分布狀況，隨著填充密度的增大，憩室頸部和頂部的彈簧圈分布增多，彈簧圈在憩室的分布更貼近血管壁。

圖3 不同填充密度下彈簧圈的分布Figure 3 Distribution of coils with differentpacking density

2.2 血管壁面壓力

圖4顯示了T1時刻(入口速度的峰值時刻，T1=0.22 s)填充密度在0%、6%、12%、18%、24%時的憩室壁面壓力分布云圖。T1時刻血流流速最大，對血管壁的沖擊最強烈，所以選擇T1時刻來評估血流動力學的變化。

結果顯示，填充密度為0%時憩室處存在一個高壓區(qū)(圖4黑線內區(qū)域)，與骨壁缺失區(qū)域重合，這與Tian等[17]的研究一致，乙狀竇憩室處高的壁面壓力是導致搏動性耳鳴的重要原因。隨著填充密度的增加，高壓區(qū)域減小。當填充密度超過18%時，憩室壁面高壓區(qū)消失。圖5量化了憩室骨壁缺失區(qū)域(sigmoid sinus wall absence ，SSWA)的平均壁面壓力Pavg隨時間一個心動周期的變化曲線。結果顯示，在T1=0.22 s，憩室內彈簧圈填充密度0%、6%、12%、18%、24%下，骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg分別為157.46 、154 、151.7 、147.9 、148.8 Pa。填充密度低于18%時，隨著填充密度的增加，平均壁面壓力Pavg隨時間變化的曲線下移，填充密度超過18%時，平均壁面壓力Pavg基本不變。

圖4 血管壁面壓力分布云圖Figure 4 Distribution of blood vessel wall pressure

圖5 一個心動周期骨壁缺失區(qū)域平均壁面壓力Pavg隨時間的變化Figure 5 Pavg of SSWA change with time in onecardiac cycle

2.3 血管壁面剪切力

圖6顯示了T1時刻(入口速度的峰值時刻，T1=0.22 s)填充密度在0%、6%、12%、18%、24%時的憩室壁面剪切力分布云圖。填充密度在0%時憩室區(qū)域壁面剪切力高于周圍區(qū)域，尤其是骨壁缺失區(qū)域壁面剪切力最高(圖6箭頭處)。圖7量化了骨壁缺失區(qū)域的平均壁面剪切力WSSavg隨時間的變化，結果表明，在T1=0.22 s，憩室內彈簧圈填充密度0%、6%、12%、18%、24%下，平均壁面剪切力WSSavg分別為4.3、2.8、1.83 、0.83、0.67 Pa。隨著彈簧圈填充密度的增加，憩室的高壁面剪切力減小至消失。從曲線可看出填充密度小于18%時，平均壁面剪切力WSSavg隨時間變化曲線下移；填充密度超過18%時，繼續(xù)增加填充密度，曲線下降幅度很小。

圖6 血管壁面剪切力分布云圖Figure 6 Distribution of blood vessel wall shear stress

圖7 一個心動周期骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力WSSavg隨時間的變化Figure 7 WSSavg in the area of SSWA change with time in one cardiac cycle

2.4 血流速度流線

T1時刻的血流速度流線見圖8(a)。填充密度為0%時橫竇的血流流線擊中憩室入口后旋轉至憩室頂部，隨著憩室內彈簧圈填充密度的增加，憩室內的血流流線減少，血流紊亂程度降低[圖8(a)黑色方框內]。當填充密度達到12%時，憩室內沒有流線進入。圖8(b)顯示了高速血流撞擊骨壁缺失區(qū)域，彈簧圈植入后緩沖了血流對血管壁的撞擊，血流的方向發(fā)生改變，隨著填充密度的增加，血流不再撞擊血管壁。

憩室切面的血流速度云圖見圖8(c)，血流速度大于5 mm/s的顏色為紅色，從云圖可以看到憩室內紅色區(qū)域隨著彈簧圈填充密度的增大而減小，憩室內的血流速度隨著彈簧圈填充密度的增大而減小。

2.5 憩室低流速區(qū)域體積所占比

圖8(d)顯示了提取的憩室低流速區(qū)域體積，由于血流速度小于5 mm/s時有可能導致血栓[18]，因此選擇5 mm/s作為提取低流速區(qū)域的指標。結果表明，彈簧圈填充密度為0%時，憩室內低流速區(qū)域體積占比為0.4%，隨著彈簧圈填充密度的增加，憩室內低流速區(qū)域體積占比增大，結果如圖8(e)所示。

圖8 血流速度Figure 8 Blood flow velocity

3 討論

本文結果表明，隨著填充密度的增加，憩室骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg下降，當填充密度為18%時憩室壁面壓力的高壓區(qū)完全消失。當填充密度超過18%時，骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg隨時間變化的曲線不再下降。同樣的，憩室骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力WSSavg隨時間變化的曲線，隨著填充密度的增大而下降，以上可能是影響彈簧圈治療的短期血流動力學機制。此外，憩室內低流速區(qū)域的體積占比隨著彈簧圈填充密度的增大而增大，填充密度越高越有利于憩室內血栓形成的血流動力學環(huán)境。彈簧圈的填充密度與血流動力學環(huán)境的改善并不是線性相關的，當填充密度增大到一定程度后，血流動力學狀態(tài)的改善效果明顯降低。

為了取得更好的栓塞效果，動脈瘤彈簧圈治療追求的目標是高的填充密度，但這也增加了更大的臨床挑戰(zhàn)和動脈瘤破裂的風險[12]。彈簧圈治療后的血流動力學在高填充密度下更趨向于穩(wěn)定[14]。而本研究結果表明，當填充密度小于18%時，結果符合動脈瘤彈簧圈填塞規(guī)律，隨著填充密度增大，血管壁面壓力降低，血管壁面剪切力降低。但是當填充密度達到18%時繼續(xù)增大填充密度，血流動力學變化不明顯。造成這種差異的原因可能是，乙狀竇憩室是靜脈血管，相對于動脈瘤其血流的搏動較小，彈簧圈通過阻擋血流對血管壁的撞擊，降低動脈瘤內血流速度，從而栓塞動脈瘤，靜脈的搏動較小，血流速度較緩，所以這可能是造成填充密度達到一定數值時，血流動力學變化不明顯的原因。

搏動性耳鳴不僅與高速血流速度、高流量有關，而且與異常的血流模式相關[19]。Amans等[19]研究了憩室內的靜脈血流，發(fā)現憩室內存在渦流。而治愈后的搏動性耳鳴患者的血流更加順暢，本研究結果中彈簧圈治療前憩室內有紊亂的血流流線。填充密度達到18%時憩室內沒有流線進入。Li等[20]4D flow和MR成像中觀察到，橫竇的高速血流射向憩室的側壁，認為局部竇壁長期可能會被血流撞擊，存在高壓區(qū)。圖4顯示填充密度為0%時憩室骨壁缺失區(qū)域存在高壓區(qū)，填充密度為18%時高壓區(qū)消失。提取憩室內的低流速區(qū)域(<5mm/s)體積占比，結果發(fā)現隨著填充密度的增加，低流速區(qū)域體積從憩室頂部向頸部擴增，這可能是有利于血栓形成的血流動力學環(huán)境。在動脈瘤彈簧圈治療中，血流速度下降的結果是促進動脈瘤囊內血栓形成，血流速度的下降取決于彈簧圈的填充密度[21]。提高憩室內彈簧圈的填充密度，有助于憩室內血栓的形成，從而封堵憩室達到一個長期的治療效果。

這項研究還存在一定的局限性，首先患者的樣本量不足，在以后的研究中應該擴大樣本量。其次缺乏患者特定的血流信息，使用文獻的搏動性耳鳴患者信息進行的仿真模擬，邊界條件的選擇會影響結果，但不影響憩室內血流動力學的橫向比較。最后，在未來的研究中應該涉及聲學實驗，直觀地反映血流動力學與搏動性耳鳴之間的聯系。

4 結論

在低填充密度下，血流動力學的改善與填充密度的增大并不是線性的。當彈簧圈填充密度達到一定數值時，繼續(xù)增加填充密度，血流動力學變化不明顯。憩室內低流速區(qū)域體積占比隨著填充密度的增大而增大，填充密度增高有利于憩室內血栓形成的血流動力學環(huán)境。