樊俊杰 陳廣新 郭金興 張 洋

1.牡丹江醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生管理學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011；2.牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011；3.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院眼科，黑龍江牡丹江 157011；4.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院檢驗(yàn)科，黑龍江牡丹江 157011

基底動脈瘤（basilar tip aneurysm，BTA）是指基底動脈局限性擴(kuò)張導(dǎo)致的動脈退行性疾病，是基底動脈較為常見的疾病[1]。先進(jìn)化的現(xiàn)代影像設(shè)備使BTA 發(fā)現(xiàn)率升高，同時(shí)BTA 位于大腦后循環(huán)關(guān)鍵位置，涉及基底動脈、大腦后動脈等主要血管，易發(fā)生破裂等危急情況，具有較高致殘率，故早期識別BTA 及評估破裂可能具有重要意義[2]。目前BTA 的發(fā)病機(jī)制仍處于研究中，大部分研究者認(rèn)為動脈瘤形成與管壁炎癥、內(nèi)皮細(xì)胞凋亡等病理異常改變有密切關(guān)系；同時(shí)也有學(xué)者提出瘤體本身及載瘤動脈的血流動力學(xué)改變也與動脈瘤破裂有關(guān)[3]。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬通過血流動力學(xué)仿真，可對瘤體內(nèi)部血液流動速度分布、血液流線及血管壁面壓力等參數(shù)進(jìn)行分析，直接觀測BTA 的流體變化，對動脈瘤的發(fā)生、破裂進(jìn)行研究，為個體化治療提供參考[4]。計(jì)算機(jī)數(shù)值較動物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)具有有效、無創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，并且能獲得更為準(zhǔn)確的研究信息，是研究體內(nèi)血流情況的良好工具，并有望更好地指導(dǎo)BTA的治療。因此本研究通過建立個體化BTA 計(jì)算機(jī)仿真模型，分析血流速度、壁面壓力（wall pressure，WP）及震蕩剪切系數(shù)（oscillatory shear stress，OSI）等血流動力學(xué)參數(shù)情況，輔助臨床BTA 的診治。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院2018 年1 月至2020 年1 月診斷為BTA 及正?；讋用}的磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA）圖像各20 例，在放射科進(jìn)行原始影像數(shù)據(jù)采集，光盤存儲時(shí)選用國際通用DICOM 格式。動脈瘤組男10 例，女10 例；對照組男9 例，女11 例。動脈瘤組平均年齡（56.31±4.32）歲，對照組平均年齡（54.52±3.56）歲。動脈瘤組2 例伴有惡心嘔吐，3 例步調(diào)不穩(wěn)，1 例意識障礙，4 例頭暈；對照組1 例頭痛，3 例視物模糊，4 例噯氣。兩組一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞ 0.05），具有可比性。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，患者或患者家屬簽署知情同意書。

1.2 BTA數(shù)值模型的構(gòu)建及求解方法

1.2.1 提取原始圖像及創(chuàng)建動脈模型 使用MIMICS 軟件（比利時(shí)，Materialise 公司）建立基底動脈模型。建模中使用剖面線、編輯掩膜、形態(tài)運(yùn)算等功能，對初始3D 模型進(jìn)行一系列處理操作（圖1）。將模型導(dǎo)入3-MATIC 軟件（比利時(shí)，Materialise 公司）中進(jìn)一步光滑，最后垂直于中心線進(jìn)行模型邊緣裁剪，創(chuàng)建出入口平面，進(jìn)行模型診斷，保存為STL 格式（圖2）。

圖1 MCAA 的矢狀位圖像

圖2 動脈模型

1.2.2 創(chuàng)建網(wǎng)格模型 將模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT MESHING（美國，ANSYS）軟件中進(jìn)行幾何檢查，并定義模型出入口，對模型進(jìn)行面及體網(wǎng)格劃分，并提高網(wǎng)格整體質(zhì)量。所有模型網(wǎng)格數(shù)量分布在96 474 ～1024 245，設(shè)置模型屬性為流體，為后續(xù)計(jì)算分析做準(zhǔn)備。為使計(jì)算結(jié)果更具準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行6 層邊界層加密處理，初始高度為0.12 mm，層高生長因子為1.0[8]。

1.2.3 邊界條件設(shè)定 椎動脈入口采用速度入口（圖3），出口壓力設(shè)為0，假定剛性血管壁，血液狀態(tài)為脈動層流，血液密度ρ=1050 kg/m3，設(shè)置血液黏度為4 g/（m·s），計(jì)算運(yùn)行使用Fluent（美國，ANSYS）軟件[5]。

圖3 椎動脈入口速度曲線

1.2.4 方程求解設(shè)置 求解器為3D 耦合式，梯度、壓力選用可見離散格式，殘差設(shè)置為10-5。心動周期為0.8 s，計(jì)算三個周期，保存最后一個周期計(jì)算結(jié)果，使用Ensight 軟件進(jìn)行后處理云圖輸出。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

由2 名熟練后處理操作的醫(yī)師進(jìn)行基底動脈血流速度、WP 及OSI 的采點(diǎn)，兩位醫(yī)師在采點(diǎn)前接受統(tǒng)一培訓(xùn)，采點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)良好（kappa=0.763）。采樣點(diǎn)為20，重復(fù)試驗(yàn)3 次，可重復(fù)性高，取平均值后保存，應(yīng)用SPSS 26.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（s）表示，進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較，P＜ 0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組血流動力學(xué)參數(shù)比較

動脈瘤組血流動力學(xué)參數(shù)均高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）。見表1。

表1 兩組血流動力學(xué)參數(shù)比較（x ± s）

2.2 動脈瘤血流速度云圖

圖4 顯示了動脈瘤血流速度結(jié)果。對照組為均勻穩(wěn)定血流，血流速度較低，在基底動脈末段可見稍高速血流及低速紊流共同存在，系血管幾何分支導(dǎo)致血流撞擊可能。動脈瘤組可見基底動脈血流速度較高，瘤頸部入口速度較快，流入擴(kuò)張瘤腔內(nèi)速度減慢，瘤體內(nèi)表現(xiàn)為低速渦流，血流主要撞擊點(diǎn)為左側(cè)瘤壁處，伴雙側(cè)大腦后動脈速度明顯升高。

圖4 血流速度云圖

2.3 動脈瘤WP云圖

圖5 顯示了動脈瘤WP 結(jié)果。對照組WP 較低，但雙側(cè)椎動脈及小腦前下動脈起始部WP 略高，推測與該處血流流量較大及血管管徑較細(xì)有關(guān)。動脈瘤組高WP 值集中于雙側(cè)椎動脈，推測可能與BTA 影響入口血液流動有關(guān)。另外瘤體整體WP 較均勻，呈現(xiàn)稍高WP，余血管區(qū)域未見明顯異常波動。

圖5 WP 云圖

2.4 動脈瘤OSI云圖

圖6 顯示了動脈瘤OSI 結(jié)果。對照組椎動脈匯合處、雙側(cè)小腦前下動脈及雙側(cè)大腦后動脈起始部可見小片狀稍高OSI，多因上述血管區(qū)域?yàn)檠芊植嫣?，伴有正常血流方向改變。動脈瘤組高OSI 集中位于瘤頸部及左側(cè)瘤體部，OSI 不穩(wěn)定，與血流速度低速渦流區(qū)域重合，余血管區(qū)域未見明顯異常。

圖6 OSI 云圖

3 討論

BTA 位于后循環(huán)關(guān)鍵位置，涉及周圍鄰近血管較多，具有高破裂風(fēng)險(xiǎn)及高致死率。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析具有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的瞬態(tài)血流動力學(xué)參數(shù)等，并且可以輸出云圖等直觀顯示[6]。因此本研究通過建立個體化的BTA 計(jì)算機(jī)仿真模型，對血流速度、WP 及OSI 等血流動力學(xué)參數(shù)情況進(jìn)行討論。

從血流速度分布云圖可見，BTA 瘤頸部處速度較快，流入擴(kuò)張瘤腔內(nèi)速度減慢，瘤內(nèi)表現(xiàn)為低速渦流。文獻(xiàn)提及血流速度與血流通過處管腔橫截面的面積呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)血液通過橫截面積較大的血管時(shí)（如瘤腔內(nèi)），血流速度較低；而通過橫截面積較小的血管時(shí)（如瘤頸），血流速度明顯升高[7-8]。同時(shí)動脈瘤內(nèi)的血液速度并非均勻一致，瘤頸處的高速渦流主要集中為左側(cè)瘤腔內(nèi)，這與后文提及的高OSI 區(qū)域重合。同時(shí)本研究也觀察到右側(cè)瘤腔表現(xiàn)為低速血流，紅細(xì)胞易滯留、聚集，血液中致動脈粥樣硬化成分停留時(shí)間加長，這可能也是動脈瘤內(nèi)易形成血栓的原因之一[9]。

從WP 分布云圖可見，動脈瘤組高WP 分布在雙側(cè)椎動脈，推測可能與BTA 影響入口血液流動有關(guān)[10]。瘤體整體WP 較均勻，呈現(xiàn)稍高WP。基底動脈的形態(tài)和功能主要是由血管壁中層的彈性纖維和膠原纖維產(chǎn)生的彈性牽引力維持，在正常壁壓時(shí)，這種狀態(tài)維持穩(wěn)定，但處于高WP 時(shí)，上述纖維結(jié)構(gòu)持續(xù)遭到破壞，管壁穩(wěn)定性改變，促使動脈瘤形成，并推動動脈瘤發(fā)展[11-12]。最終當(dāng)病變血管壁承受的應(yīng)力超過極限時(shí)，動脈瘤便會破裂、出血。

從OSI 分布云圖可見，動脈瘤組高OSI 集中為瘤頸部及左側(cè)瘤體部，并可見OSI 波動不穩(wěn)定，與研究低速渦流區(qū)域重合。OSI 為無量綱參數(shù)，其數(shù)值范圍為0 ～1，數(shù)值為0 時(shí)，代表血液為層流狀態(tài)[11-13]；數(shù)值越大，血流狀態(tài)越不穩(wěn)定，易發(fā)生血流之間的相互碰撞[14-15]。結(jié)合血流速度分布云圖可以看出，BTA 瘤腔內(nèi)高OSI 區(qū)域也是紊流分布區(qū)域，進(jìn)一步促使低密度脂蛋白沉積，導(dǎo)致血栓的形成。

綜上所述，本研究采用BTA 模型，分析動脈瘤引起的血流動力學(xué)差異，獲得了BTA 模型的血流動力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果血流速度、WP 及OSI 三項(xiàng)指標(biāo)，動脈瘤組其數(shù)值均高于對照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜ 0.05）。動脈瘤頸處的血流速度大于瘤腔內(nèi)的血流速度，表現(xiàn)為高速血流向低速渦流轉(zhuǎn)變，血流主要撞擊點(diǎn)為左側(cè)瘤壁。動脈瘤組高WP主要分布在雙側(cè)椎動脈，瘤體整體為均勻稍高WP。動脈瘤組高OSI 集中分布瘤頸部及左側(cè)瘤體部，并且OSI 不穩(wěn)定，與低速渦流血管區(qū)域重合。BTA 血流不穩(wěn)定，表現(xiàn)為高WP 及波動OSI，以瘤頸及左側(cè)瘤壁區(qū)域明顯，血管壁損傷概率較大，瘤體破裂風(fēng)險(xiǎn)增加，臨床應(yīng)著重關(guān)注該區(qū)域，進(jìn)行個體化治療。本研究為BTA 等心腦血管疾病提供理論依據(jù)，并為動脈瘤血管支架手術(shù)提供血流動力學(xué)支持。