李 良，張 瑩，楊新健，陳家亮，王盛章，李海云，于紅玉，汪 陽，李傳輝

(1北京大學(xué)第一醫(yī)院，北京 100050;2北京市神經(jīng)外科研究所;3復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系;4首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院)

研究發(fā)現(xiàn)，動脈瘤的直徑是動脈瘤破裂最重要的獨立危險因子，即大動脈瘤存在更高的自然破裂風(fēng)險［1～5］。血流動力學(xué)作用力被認(rèn)為在動脈瘤的形成、發(fā)展和破裂的自然病程中具有極其重要的作用［6，7］。2010 年7 月 ～2011 年6月，我們對12 例直徑≥15 mm 的未破裂顱內(nèi)動脈瘤進(jìn)行了血流動力學(xué)數(shù)值模擬，對其流速、流動模式、壁面切應(yīng)力(WSS)、切應(yīng)力震蕩因子(OSI)等進(jìn)行了分析，并將動脈瘤和其載瘤動脈的參數(shù)比較。現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 12例未發(fā)生破裂出血的直徑≥15 mm顱內(nèi)囊性動脈瘤患者，其中男3例，女9例;年齡39～67歲。首發(fā)臨床表現(xiàn)為頭痛伴眼瞼下垂和(或)復(fù)視、視物模糊4例，單側(cè)肢體無力伴言語不清4例，頭痛頭暈伴有耳鳴2例，頭痛伴單眼失明及單純頭痛頭暈各1例。動脈瘤部位:頸內(nèi)動脈后交通段4例，前交通段3例，頸內(nèi)動脈眼動脈段2例，頸內(nèi)動脈C2段、海綿竇段及大腦中動脈分叉各1例。形狀分型:側(cè)方型和頂端(分叉處)型各6例。

1.2 血流動力學(xué)數(shù)值模擬方法 本研究所采用的模擬方法詳見我們的前期研究［8，9］。

1.2.1 數(shù)值模擬的硬件及軟件 本研究所應(yīng)用的計算機為特別配置的惠普工作站，主頻為Intel Xeon 3.0 G，內(nèi)存為8.0 G，硬盤為160 G。主要軟件有:本課題組自編程序及Matlab 7.0、Ansys ICEM，Ansys CFX，Photoshop7.0 等。

1.2.2 數(shù)值模擬和流體分析 對12例患者調(diào)整重建后的三維DSA圖像，去掉不重要的分支，重點分析動脈瘤及其載瘤動脈。采用本課題組自編寫的程序，及Matlab7.0計算，合成STL格式的三維圖像。采用ANSYS ICEM軟件進(jìn)行三維體網(wǎng)格劃分。為兼顧計算的精度和計效率，本研究劃分的網(wǎng)格數(shù)量為1500000～1800000個。采用ANSYS CFX 11.0軟件行流體分析計算。血管入口條件設(shè)定為通過經(jīng)顱多普勒超聲獲得的搏動性血流，出口條件設(shè)定為自由流動出口。每個心動周期被劃分為800步，每步時間為0.001 s。計算兩個心動周期后取第二個心動周期計算所得的數(shù)值進(jìn)行分析。在每個心動周期內(nèi)部，動脈瘤的血流動力學(xué)參數(shù)的分布一致，只是隨著血壓的波動，發(fā)生了數(shù)值上的變化，最大的時刻出現(xiàn)在血壓最高峰的收縮期末。

1.2.3 圖像顯示和數(shù)據(jù)分析 采用ANSYS CFX 11.0軟件結(jié)合自編程序行圖像顯示和數(shù)據(jù)采集。取動脈瘤上的數(shù)據(jù)和其載瘤動脈(取動脈瘤頸部為中心1 cm長度的載瘤動脈)上的數(shù)據(jù)相對比。用SPSS11.5統(tǒng)計學(xué)專用軟件包進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。所得計量數(shù)據(jù)以表示，比較采用配對t檢驗。P≤0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 血流流動模式及流速 側(cè)方動脈瘤血流流動模式為入瘤血流從瘤頸口下游側(cè)流向動脈瘤內(nèi)，并沿著瘤周壁回流至載瘤動脈中，再從瘤頸口上游流出，形成一個主要的渦流。頂端(分叉處)動脈瘤血流流動模式為血流從入流動脈直接沖擊入動脈瘤，后沿瘤周壁回流至兩出流動脈，形成兩側(cè)兩個主要渦流。所有的大型動脈瘤皆發(fā)現(xiàn)瘤內(nèi)部渦流形態(tài)復(fù)雜，在主要渦流內(nèi)部有大面積紊亂的低速流動。動脈瘤瘤頸附近速度最大，瘤頂附近流速最低，頂部存在一個面積較大的低速區(qū)，最小速度接近于0。

2.2 顱內(nèi)動脈瘤與其載瘤動脈內(nèi)的血流動力學(xué)參數(shù) 見表1。瘤壁平均低WSS區(qū)域占動脈瘤總表面積的百分?jǐn)?shù)平均為24.74%。

表1 大型動脈瘤與其載瘤動脈血流動力學(xué)參數(shù)比較()

表1 大型動脈瘤與其載瘤動脈血流動力學(xué)參數(shù)比較()

注:與載瘤動脈比較，*P ＜0.01

動脈 WSS(Pa)OSI動脈瘤 4.990 ±1.565* 0.0690 ±0.0274*載瘤動脈13.850 ±4.092 0.0040 ±0.0022

3 討論

臨床上大約75%的巨大動脈瘤發(fā)現(xiàn)時均未破裂，因此臨床存在大動脈瘤不容易破裂的誤解。本研究12例首發(fā)癥狀均為占位壓迫和缺血表現(xiàn)等動脈瘤破裂前的先兆癥狀，亦印證了上述臨床事實。大量研究結(jié)果表明，動脈瘤直徑是動脈瘤破裂的最重要的獨立危險因子。2003年國際未破裂動脈瘤研究協(xié)作組發(fā)表大樣本多中心研究結(jié)果，認(rèn)為動脈瘤瘤體越大，發(fā)生破裂引起SAH機會越大［1］。

為了驗證動脈瘤越大越容易破裂的內(nèi)在原因，本研究應(yīng)用計算機流體動力學(xué)方法對大型未破裂動脈瘤的內(nèi)在血流動力學(xué)因素進(jìn)行了研究，并與其各自的載瘤動脈的血流動力學(xué)參數(shù)作對比。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的大型動脈瘤皆發(fā)現(xiàn)瘤內(nèi)部渦流形態(tài)復(fù)雜，在主要渦流內(nèi)部有大面積紊亂的低速流動。大型動脈瘤壁與其載瘤動脈相比具有明顯的低WSS和高 OSI。

Cebral等［6］對62例破裂和未破裂動脈瘤內(nèi)血流流動模式的研究證明，未破裂動脈瘤大部分具有簡單穩(wěn)定的血流模式，破裂動脈瘤大都具有復(fù)雜紊亂的血流模式。提示復(fù)雜紊亂的血流模式與動脈瘤破裂高風(fēng)險相關(guān)。本研究中大型動脈瘤皆發(fā)現(xiàn)瘤內(nèi)部渦流紊亂，提示破裂風(fēng)險，且瘤頂部存在大面積低速血流，流速甚至接近0。局部血流停滯會導(dǎo)致紅細(xì)胞集聚、血小板和白細(xì)胞在瘤壁內(nèi)側(cè)的集合和黏附，導(dǎo)致附壁小血栓的形成以及血小板和血漿纖維蛋白單體進(jìn)一步浸潤動脈瘤壁，增加動脈瘤破裂風(fēng)險［10］。

目前的觀點認(rèn)為動脈瘤的破裂與WSS不足密切相關(guān)［7，11～13］，維持正常動脈瘤壁形態(tài)需要的 WSS約為2 Pa，WSS低于1.5 Pa時會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的變性與凋亡，促進(jìn)動脈瘤的生長以及最后的破裂［14］。WSS不足直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)形變，內(nèi)皮細(xì)胞間隙加大，屏障功能喪失，血液內(nèi)的有害物質(zhì)侵入，使瘤壁彈性纖維及膠原纖維斷裂、缺失，從而形成了動脈瘤壁的特有病理學(xué)形態(tài)。隨著動脈瘤生長，WSS進(jìn)一步降低，形成惡性循環(huán)直至破裂。本研究發(fā)現(xiàn)大型動脈瘤壁上的WSS與載瘤動脈相比顯著偏低，且低WSS區(qū)域平均占24.74%，此提示大型動脈瘤壁的內(nèi)皮細(xì)胞更容易變性、凋亡而引起破裂。OSI作為評價脈動血流的一個重要參數(shù)，可反映收縮期和舒張期動脈瘤內(nèi)血流方向快速變化引起WSS的振蕩大小，大的OSI表示W(wǎng)SS的方向變化較大。變化著方向的WSS不斷作用于瘤壁內(nèi)膜上，達(dá)到一定閾值時造成內(nèi)膜上內(nèi)皮細(xì)胞損傷、脫落，膠原纖維暴露，血小板在頸部、頂部受損的內(nèi)膜表面聚集，附著于膠原纖維上，導(dǎo)致內(nèi)膜增厚。反復(fù)內(nèi)膜損傷造成內(nèi)膜進(jìn)行性增厚，血栓形成，最終由纖維蛋白溶解反應(yīng)導(dǎo)致瘤的破裂。本研究發(fā)現(xiàn)與載瘤動脈相比，大型動脈瘤具有顯著偏高的OSI值，說明大型動脈瘤壁WSS震蕩明顯大于載瘤動脈。因為動脈瘤壁比載瘤動脈更薄，故能耐受的WSS震蕩更小、破裂風(fēng)險更高。

本研究對動脈瘤模擬分析的結(jié)果很好的詮釋了大動脈瘤破裂風(fēng)險更高的深層次血流動力學(xué)原因。鑒于大動脈瘤較之小動脈瘤更容易因為頭痛、占位壓迫、缺血性發(fā)作等破裂前先兆癥狀而被提早發(fā)現(xiàn)，以及大動脈瘤自身存在的更大的治療難度和破裂風(fēng)險，我們認(rèn)為，針對未破裂大型動脈瘤的血流動力學(xué)特點采取相關(guān)治療策略可避免動脈瘤破裂出血后導(dǎo)致更高的治療風(fēng)險和更差的預(yù)后。

［1］Wiebers DO，Whisnant JP，Huston J，et al.Unruptured intracranial aneurysms:Natural history，clinical outcome，and risks of surgical and endovascular treatment［J］.Lancet，2003，362(9378):103-110.

［2］Matsumoto KM，Oota S，Aoki M，et al.Natural history of unruptured cerebral aneurysms of the unoperated and observed cases［J］.No Shinkei Geka，2005，33(1):35-41.

［3］Ojini FI.Natural history of cerebral saccular aneurysms［J］.West Afr J Med，2005，24(1):70-74.

［4］Rinkel GJ.Natural history，epidemiology and screening of unruptured intracranial aneurysms［J］.J Neuroradiol，2008，35(2):99-103.

［5］Mocco J，Komotar RJ，Lavine SD，et al.The natural history of unruptured intracranial aneurysms［J］.Neurosurg Focus，2004，17(5):E3.

［6］Cebral JR，Castro MA，Burgess JE，et al.Characterization of cerebral aneurysms for assessing risk of rupture by using patient-specific computational hemodynamics models［J］.AJNR Am J Neuroradiol，2005，26(10):2550-2559.

［7］Shojima M，Oshima M，Takagi K，et al.Magnitude and role of wall shear stress on cerebral aneurysm:Computational fluid dynamic study of 20 middle cerebral artery aneurysms［J］.Stroke，2004，35(11):2500-2505.

［8］Luo B，Yang X，Wang S，et al.High shear stress and flow velocity in partially occluded aneurysms prone to recanalization［J］.Stroke，2011，42(3):745-753.

［9］張義森，楊新健，喬愛科，等.支架置入對顱內(nèi)動脈分叉部動脈瘤血流動力學(xué)的影響［J］.中華神經(jīng)外科雜志，2010，26(3):215-219.

［10］Valencia A，Solis F.Blood flow dynamics and arterial wall interaction in a saccular aneurysm model of the basilar artery［J］.Comp Struct，2006，84(21):1326-1337.

［11］Malek AM，Alper SL，Izumo S.Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosis［J］.JAMA，1999，282(21):2035-2042.

［12］Alvaro V，Hernan M，Rodrigo R，et al.Blood flow dynamics in patient-specific cerebral aneurysm models:The relationship between wall shear stress and aneurysm area index［J］.Med Eng Phys，2008，30(3):329-340.

［13］Brent U，Jenn Stroud R.Numerical simulation of saccular aneurysm hemodynamics:Influence of morphology on rupture risk［J］.J Biomech，2007，40(12):2716-2722.

［14］He X，Ku DN.Pulsatile flow in the human left coronary artery bifurcation:Average conditions［J］.J Biomech Eng，1996，118(1):74-82.