謝 明,陳俊健,趙伯英,鄭 偉,馮江毅,楊德淑,孔令文△

(重慶市急救醫(yī)療中心/重慶市第四人民醫(yī)院:1.胸心外科;2.醫(yī)學(xué)影像科;3.普通外科,重慶 400016)

急性主動(dòng)脈綜合征(acute aortic syndrome,AAS)是一組起病急驟、致死率極高的急危重癥,常常給臨床工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn),早期、精準(zhǔn)識(shí)別該類(lèi)疾病對(duì)制訂治療策略、改善患者預(yù)后至關(guān)重要[1]。AAS可以分為3種不同的亞型,即主動(dòng)脈夾層(aortic dissection,AD)、穿透性潰瘍(penetrating aortic ulcer,PAU)及主動(dòng)脈壁間血腫(intramural hematoma,IMH)[2]。其中,IMH占AAS的10%～25%[3]。KRUKENBERG教授于1920年首次在尸檢時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)道IMH,描述其為“沒(méi)有內(nèi)膜破口的夾層”。IMH現(xiàn)定義為在無(wú)明確主動(dòng)脈內(nèi)膜破口的情況下,主動(dòng)脈壁中層形成的血腫呈環(huán)形或星月型增厚>5 mm,伴或不伴PAU、潰瘍樣突起(ulcer-like projection,ULP)或血腫內(nèi)局限性強(qiáng)化灶(intramural blood pools,IBP)[4-5]。

約40%的IMH經(jīng)藥物治療可完全消退,但其中約80%的Stanford A型和10%的Stanford B型IMH會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼉措U(xiǎn)的AD,最終形成動(dòng)脈瘤并有可能破裂導(dǎo)致死亡。單純藥物保守治療的A型IMH患者不良臨床事件(進(jìn)展為AD、需手術(shù)治療和死亡)的發(fā)生率約32%[6],若合并心包積液、升主動(dòng)脈潰瘍、升主動(dòng)脈瘤,一旦確診后若無(wú)明確手術(shù)禁忌均應(yīng)急診手術(shù)治療,手術(shù)方式與Stanford A型AD類(lèi)似[7]。合并主動(dòng)脈明顯擴(kuò)張或ULP的Stanford B型IMH患者,如果疼痛等癥狀持續(xù)、反復(fù)發(fā)作,或隨訪(fǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈擴(kuò)張速度較快,應(yīng)密切隨訪(fǎng)并更積極地考慮介入或手術(shù)等治療方式[8-9]。但單純以影像學(xué)表現(xiàn)預(yù)測(cè)IMH進(jìn)展及破裂的風(fēng)險(xiǎn)存在一定局限性,有許多沒(méi)有升主動(dòng)脈潰瘍、心包積液等表現(xiàn)的患者亦會(huì)突發(fā)主動(dòng)脈破裂導(dǎo)致猝死,同樣也有部分存在心包積液或者主動(dòng)脈潰瘍等危險(xiǎn)因素的患者能長(zhǎng)期生存,而應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的模擬血管內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)并通過(guò)建模分析其血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的研究方法已在主動(dòng)脈疾病中廣泛應(yīng)用。本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描獲取患者的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù),將1例隨訪(fǎng)過(guò)程中出現(xiàn)進(jìn)展的IMH合并ULP的患者進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)建模,以描述其血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),現(xiàn)報(bào)道如下。

1 臨床資料

患者,男,81歲,因胸痛于2022年3月13日于本院就診,增強(qiáng)CT顯示升主動(dòng)脈、主動(dòng)脈弓壁間血腫形成,并升主動(dòng)脈ULP。使用計(jì)算機(jī)斷層掃描(德國(guó)Siemens公司,型號(hào):Trio Tim 3.0T),最大切換率200 T·m—1·ms—1,最大梯度強(qiáng)度45 mT/m,平面分辨率512×512,像素大小0.7 mm,切片厚度1.25 mm,圖像共1 200張,應(yīng)用相控陣線(xiàn)圈,心電門(mén)控掃描獲得受試者的全主動(dòng)脈圖像信息。

CT數(shù)據(jù)處理:(1)數(shù)值模型建立。根據(jù)CT數(shù)據(jù)建立主動(dòng)脈的數(shù)值模型,通過(guò)圖像處理軟件Mimics21.0進(jìn)行圖像分割并進(jìn)行表面的平滑處理后重構(gòu)為三維模型。導(dǎo)出STL格式并通過(guò)Ansys的建模軟件SpaceClaim進(jìn)行模型實(shí)體化與修復(fù),直至得到可用來(lái)仿真的實(shí)體模型。生成的主動(dòng)脈模型包括竇管交接處直至主動(dòng)脈弓末端,并在主動(dòng)脈瘤部分分為3個(gè)平面,其中平面1為ULP區(qū)域入口處主動(dòng)脈橫截面,平面2為ULP最深處主動(dòng)脈橫截面,平面3為ULP區(qū)域出口處主動(dòng)脈橫截面。(2)圖像的網(wǎng)格化。采用ANSYS內(nèi)置網(wǎng)格劃分工具mesh劃分網(wǎng)格和進(jìn)行計(jì)算的前處理。模型采用四面體元素,元素大小設(shè)定為0.001 4 m,并在進(jìn)出口位置進(jìn)行局部加密網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為0.001 0 m。網(wǎng)格劃分好后進(jìn)入fluent界面進(jìn)行求解,使用雙精度、十核心進(jìn)行求解。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,進(jìn)入fluent界面后,劃分完成后的四面體轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格。(3)邊界條件和流動(dòng)模型。假設(shè)模型為瞬態(tài)流,且血管壁是剛性管壁,沒(méi)有滑移。數(shù)值模擬以三維不可壓縮的Navier-Stokes方程方程為基礎(chǔ)。血液設(shè)定為均勻、各向同性、連續(xù)、不可壓縮的牛頓流體,并為層流模型,動(dòng)態(tài)黏度為1 050 kg/m3。輸入正弦波形流速給主動(dòng)脈入口,指定進(jìn)入無(wú)名動(dòng)脈、左、左鎖骨下動(dòng)脈的流量分別為12%、5%、8%的主動(dòng)脈入口血流量。入口平面中央位置設(shè)為壓力參照處零點(diǎn),其余點(diǎn)位相對(duì)值測(cè)算壓力強(qiáng)度。模型中以峰值收縮期平均流速為基準(zhǔn)的雷諾數(shù)平均值為1 149。Womersley數(shù)(α)為22.5。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和心動(dòng)周期分別設(shè)定為0.01 s和0.80 s。采用基于有限元體積的計(jì)算流體力學(xué)求解器Fluent2020r1(美國(guó)ANSYS公司)進(jìn)行模擬分析。設(shè)置解析器數(shù)值法,反復(fù)迭代,直到收斂為止。為了盡量減少初期流動(dòng)條件的影響,對(duì)6個(gè)心動(dòng)周期進(jìn)行分析,以達(dá)到周期解的目的,本研究介紹的是在第6個(gè)心動(dòng)周期中獲得的結(jié)果。

結(jié)果顯示:(1)流線(xiàn)與流速。從1個(gè)心動(dòng)周期中選擇了3個(gè)特征性時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行描述,包括等容收縮期、收縮峰值期及收縮末期。沿瞬時(shí)速度矢量的切線(xiàn)方向繪制心動(dòng)周期中3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的流線(xiàn),與正常的主動(dòng)脈入口速度(1.0～1.7 m/s)相比,模型中入口平面的流速變快,最高可達(dá)2.4 m/s,且血流速度呈現(xiàn)偏心性,這在收縮峰值期中尤為明顯。然而,由于血流在進(jìn)入U(xiǎn)LP區(qū)域后會(huì)形成大量反流,血流的速度急速下降,這使得ULP里的血流變得紊亂。當(dāng)血流到達(dá)ULP的出口截面(平面3)時(shí),血流的流速趨于均勻,見(jiàn)圖1。(2)壓力。在等容收縮期和收縮峰值期中,主動(dòng)脈壓力始終是由近端至遠(yuǎn)端呈逐漸下降的階梯式分布;而在收縮末期,主動(dòng)脈壓力由近端至遠(yuǎn)端呈逐漸升高的趨勢(shì),見(jiàn)圖2。(3)壁面切應(yīng)力(wall shear stress,WSS)。在等容收縮期及收縮峰值期中,ULP及其附近區(qū)域的WSS較周?chē)冀K偏低,而在收縮末期與周?chē)鷧^(qū)域的WSS差異不明顯,見(jiàn)圖3。

圖1 計(jì)算流體力學(xué)IMH合并ULP模型顯示的主動(dòng)脈各平面、時(shí)間點(diǎn)的血流速度分布

圖2 計(jì)算流體力學(xué)IMH合并ULP模型顯示的主動(dòng)脈各時(shí)間點(diǎn)的壓力分布

圖3 計(jì)算流體力學(xué)IMH合并ULP模型顯示的主動(dòng)脈各時(shí)間點(diǎn)的WSS分布

2 討 論

目前預(yù)測(cè)主動(dòng)脈壁間血腫病情進(jìn)展危險(xiǎn)因素的研究相對(duì)較少。部分研究表明,IMH合并ULP的患者往往預(yù)后更差,ULP直徑越大、內(nèi)陷越深,疾病進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)越大[10-11]。ULP發(fā)生在升主動(dòng)脈,也提示預(yù)后不良[12]。但其對(duì)IMH合并ULP患者病情轉(zhuǎn)歸的預(yù)測(cè)僅僅是基于部分影像學(xué)特征,臨床應(yīng)用存在一定局限性。計(jì)算流體力學(xué)可以動(dòng)態(tài)模擬流體流動(dòng)時(shí)的各種相關(guān)物理現(xiàn)象及參數(shù),自2002年SHAHCHERAGHI等首次報(bào)道計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用于主動(dòng)脈血流模擬的研究以來(lái),計(jì)算流體力學(xué)在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到推廣[13-17]。但I(xiàn)MH合并ULP的血流動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)尚不明確,其能否預(yù)測(cè)病變的轉(zhuǎn)歸還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。本研究患者病變?yōu)镮MH合并ULP,且ULP位于升主動(dòng)脈,根據(jù)指南建議應(yīng)行手術(shù)治療,預(yù)防病變進(jìn)展為AD、動(dòng)脈瘤甚至發(fā)生破裂。但因患者拒絕手術(shù),因此可在后期隨訪(fǎng)過(guò)程中觀(guān)察到ULP局部進(jìn)展至AD形成的全過(guò)程。

本研究通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析發(fā)現(xiàn),IMH合并ULP的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生了明顯的改變:(1)入口平面血流速度更快,進(jìn)入U(xiǎn)LP區(qū)域后明顯降低;(2)入口平面血流速度呈現(xiàn)偏心性,在收縮峰值期中尤為明顯;(3)在等容收縮期及收縮峰值期中,ULP及附近區(qū)域的WSS較低,而夾層形成后的假腔位于ULP對(duì)側(cè)的相對(duì)高WSS區(qū)域。

血流動(dòng)力學(xué)異常是心血管疾病進(jìn)展的關(guān)鍵因素。在本研究中,IMH合并ULP的血流模式、WSS等參數(shù)顯示出差異。該患者病變最終進(jìn)展為主動(dòng)脈夾層,但內(nèi)膜破口并非先前預(yù)測(cè)的ULP區(qū)域,而是位于ULP水平的主動(dòng)脈大彎側(cè)。從計(jì)算流體力學(xué)模型中可以看出,內(nèi)膜破口所處區(qū)域相較于ULP區(qū)域具有高流速、高WSS的特點(diǎn)。理論上受沖擊的血流速度更快、壓力更高,主動(dòng)脈壁的功能將受到更明顯的影響。既往多項(xiàng)研究表明,由血流紊亂引起的壓力改變是導(dǎo)致動(dòng)脈進(jìn)行性擴(kuò)張、動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)進(jìn)而破裂的重要因素[18-19]。此外,主動(dòng)脈的WSS發(fā)生了明顯改變,而WSS與血管壁內(nèi)皮細(xì)胞功能密切相關(guān),是動(dòng)脈瘤進(jìn)展的關(guān)鍵因素,高WSS可在一定程度上破壞內(nèi)皮細(xì)胞并促使主動(dòng)脈進(jìn)行性擴(kuò)張[20-22]。因此,本研究提示高流速、高WSS環(huán)境可使動(dòng)脈呈現(xiàn)內(nèi)彈力層缺失、中膜變薄和凸起形成等動(dòng)脈瘤性血管壁重塑特征,可能是促進(jìn)內(nèi)膜病變進(jìn)展的危險(xiǎn)因素[23]。

腹主動(dòng)脈瘤破裂大多發(fā)生在血液再循環(huán)區(qū)域(回流區(qū)域)內(nèi)或其附近,而與流體的大小或構(gòu)造無(wú)關(guān)。因?yàn)樵撐恢玫腤SS降低更明顯,血栓沉積更為明顯,這些變化導(dǎo)致外膜變性更嚴(yán)重,最終出現(xiàn)主動(dòng)脈破裂[24-25]。從上訴可以推論,IMH合并ULP最終發(fā)生破裂的區(qū)域應(yīng)該在WSS降低的區(qū)域,但在本例患者中結(jié)果與上述推論有所矛盾,因此認(rèn)為腹主動(dòng)脈中的血流由于流速、壓力等特征均與升主動(dòng)脈存在較大差別,且動(dòng)脈壁結(jié)構(gòu)也有所不同,其病理進(jìn)展機(jī)制也應(yīng)有所區(qū)別。故病變所處位置的不同對(duì)病變進(jìn)展的影響值得進(jìn)一步探索。

綜上所述,對(duì)于IMH合并ULP的患者,使用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)高流速及高WSS可能是IMH合并ULP進(jìn)展的危險(xiǎn)因素,可以為臨床預(yù)測(cè)病變進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)、手術(shù)時(shí)機(jī)決策提供更多的理論支持,并有助于闡明IMH合并ULP進(jìn)展為AD或主動(dòng)脈瘤的生物力學(xué)機(jī)制。本研究存在一定局限性,由于類(lèi)似典型病例較少,且嚴(yán)格進(jìn)行隨訪(fǎng)的患者更少,目前僅分析了1例IMH合并ULP患者的數(shù)據(jù)。未來(lái)將擴(kuò)大樣本量,并根據(jù)IMH分型及ULP位置進(jìn)行分組分析。此外,本研究未考慮固態(tài)和液態(tài)耦合作用的固定邊界條件,對(duì)于WSS、軸向和周向分類(lèi)并未考慮在內(nèi)。