任國(guó)榮，祝樹(shù)森，于良寧，孟祥水，安盼盼

（1.山東大學(xué)齊魯醫(yī)院（青島）放射科，山東青島 266035；2.山東大學(xué)齊魯醫(yī)院（青島）醫(yī)學(xué)工程與信息部，山東青島 266035）

0 引言

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是常見(jiàn)的腦血管疾病之一，其主要危害是動(dòng)脈瘤破裂引起的繼發(fā)性腦出血及其占位效應(yīng)[1]，可能引發(fā)腦水腫、腦卒中等并發(fā)癥，嚴(yán)重威脅患者的生命健康[2]。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其發(fā)生率和死亡率均較高，是致死、致殘的重要原因[3]。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤與血流動(dòng)力學(xué)改變、年齡、基因遺傳、高血壓以及環(huán)境等因素有關(guān)。研究表明，血流動(dòng)力學(xué)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展以及破裂中起重要作用，并且已經(jīng)得到初步的臨床驗(yàn)證[4]。早期的血流動(dòng)力學(xué)研究使用的模型多是采用成型技術(shù)制造的硅膠或者玻璃模型，難以與患者真實(shí)的實(shí)體模型完全一致[5]。而且這些研究是基于理想化的動(dòng)脈瘤模型，對(duì)于具體的臨床患者應(yīng)用價(jià)值不高。因此，針對(duì)臨床患者的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分析更有意義。由于圖像偽影和現(xiàn)有成像方法的分辨力有限，在體內(nèi)測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)的特性仍然具有挑戰(zhàn)性。隨著影像技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，基于圖像的計(jì)算流體力學(xué)研究方法成為臨床研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)的重要方法[6]。由于能夠處理任何幾何圖形，該方法逐漸被用于研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)[7]。基于圖像的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)研究步驟包括三維模型重建、有限元模型構(gòu)建、邊界條件設(shè)定及血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析等。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，以期能更深入地研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的發(fā)生機(jī)理和破裂原因，為臨床提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 三維模型重建和有限元模型構(gòu)建

在進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)分析之前，首先要重建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的三維模型，可以利用醫(yī)學(xué)影像處理軟件如Simpleware、Mimics等建立個(gè)體化真實(shí)的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維模型重建過(guò)程如圖1所示。丁金立等[8]應(yīng)用Mimics逆向工程軟件對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者的動(dòng)脈瘤及周?chē)X動(dòng)脈CT血管造影（computed tomography angiography，CTA）圖像進(jìn)行三維容積重建，重建所得的動(dòng)脈瘤瘤體的長(zhǎng)徑和短徑與二維圖像上測(cè)量的結(jié)果相比誤差均在4%以?xún)?nèi)。

圖1 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維模型重建過(guò)程

王芙昱等[9]把患者的CTA圖像導(dǎo)入Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，建立了基于患者個(gè)體化的三維顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型，該模型形態(tài)逼真，與患者實(shí)際動(dòng)脈瘤形態(tài)一致。Sabour等[10]評(píng)價(jià)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤CTA、磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）和三維旋轉(zhuǎn)血管造影（three-dimensional rotational angiography，3DRA）圖像重建的三維模型形態(tài)學(xué)差異，結(jié)果顯示，三者能再現(xiàn)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的幾何結(jié)構(gòu)，沒(méi)有顯著差異。Vali等[11]對(duì)2例考慮手術(shù)治療的基底動(dòng)脈瘤患者進(jìn)行了三維建模，以比較和驗(yàn)證建模的結(jié)果與X射線(xiàn)血管造影的結(jié)果。結(jié)果表明，三維建模結(jié)果與X射線(xiàn)血管造影數(shù)據(jù)吻合較好。

由于醫(yī)學(xué)圖像處理軟件重建的三維模型大都不能直接分析血流動(dòng)力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，所以要將三維重建的模型導(dǎo)入到力學(xué)分析軟件（如常用的有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS、HyperMesh等）進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，如圖2所示[12]。模型構(gòu)建中的關(guān)鍵因素是對(duì)模型體網(wǎng)格的劃分和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查。

圖2 基于ANSYS有限元模型構(gòu)建[12]

網(wǎng)格劃分分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2種。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用于幾何結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的幾何體，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何體。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大都是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查是通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)劃分的疏密來(lái)完成的，只有當(dāng)網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小時(shí)，其數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果才有意義。

綜上所述，通過(guò)對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，可以構(gòu)建與病灶形態(tài)吻合的三維模型和有限元模型，使顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)非在體測(cè)量成為可能。

2 邊界條件的設(shè)定

網(wǎng)格劃分后的有限元模型導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)軟件以后要進(jìn)行初始化邊界條件以及流體性質(zhì)的設(shè)定。其中邊界條件包括血液的物理性質(zhì)、血管壁的性質(zhì)、血液和血管壁交界面的性質(zhì)以及動(dòng)脈瘤的性質(zhì)等。梁夫友[13]研究不同邊界條件的設(shè)定對(duì)血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，研究結(jié)果顯示，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流形態(tài)受血流動(dòng)力學(xué)邊界和幾何學(xué)的共同影響，因此如何針對(duì)患者個(gè)體設(shè)置合理的邊界條件仍將是關(guān)鍵課題之一。

2.1 血液的物理性質(zhì)

血液的物理性質(zhì)包括血液的黏滯度、血液的密度、血流的速度等。

在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分析中，國(guó)內(nèi)外研究大都把血液當(dāng)作牛頓流體來(lái)處理，假設(shè)血液黏滯度為一常數(shù)。如李淼[14]在對(duì)大腦中動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分型及其形態(tài)特點(diǎn)分析研究中將血液黏滯度系數(shù)假設(shè)為0.004 Pa/s。但是血液是一種非牛頓流體，血液黏滯度系數(shù)因人而異。Suzuki等[15]收集2例健康志愿者的血液黏滯度數(shù)據(jù)，對(duì)3個(gè)不同大小的動(dòng)脈瘤進(jìn)行了3次模擬（2次采用基于測(cè)量值的非牛頓模型，1次采用牛頓模型），結(jié)論為無(wú)論動(dòng)脈瘤的大小如何，其黏滯度因個(gè)體不同而不同。因此，血液黏滯度系數(shù)為常數(shù)的假設(shè)不一定適用于所有患者。

血液的密度即血液的濃度，國(guó)內(nèi)外研究者在血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中將其設(shè)為一常數(shù)。Paliwal等[16]研究了血流導(dǎo)向裝置植入15例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者（其中10例為完全栓塞、5例為部分栓塞）后的血流動(dòng)力學(xué)變化（在數(shù)值模擬中將血液密度設(shè)置為1 060 kg/m3），結(jié)果表明完全栓塞治療更顯著地干擾了局灶性復(fù)雜血流。

顱內(nèi)動(dòng)脈各血管的血流速度不同，入口處血流速度會(huì)顯著影響顱內(nèi)動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流情況。在血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中入口處的血流速度一般設(shè)置成2種情況:一種為給予一常數(shù)值進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。Ujiie等[17]在研究大腦前交通動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，均一的血流速度對(duì)前交通動(dòng)脈血管壁的壁面剪切力（wall shear stress，WSS）幾乎為零，當(dāng)入口速度增大時(shí)，載瘤動(dòng)脈近端血管、遠(yuǎn)端血管及瘤體WSS和壓力隨之升高。另一種為隨心動(dòng)周期變化的血流速度進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。Castro等[18]研究不同血流速度與腦動(dòng)脈瘤破裂的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)心動(dòng)周期，載瘤動(dòng)脈遠(yuǎn)端的血流速度大于近端的血流速度，瘤頂部的血流速度很低。

2.2 血管壁的性質(zhì)

正常的血管壁具有一定的彈性，在血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬時(shí)把動(dòng)脈瘤和載瘤動(dòng)脈設(shè)置成彈性壁更符合實(shí)際情況，但是在實(shí)際計(jì)算時(shí)，由于無(wú)法給出彈性壁的具體參數(shù)，一般把血管壁作為剛性壁[19]。Passerini等[20]在大腦前動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，剛性壁可能會(huì)使WSS升高，從而無(wú)法準(zhǔn)確地模擬血流在血管壁的滯留情況。因此，越來(lái)越多的學(xué)者主張將動(dòng)脈瘤和載瘤動(dòng)脈的血管壁設(shè)置成彈性壁。Xu等[21]對(duì)比研究了彈性WSS與剛性WSS，采用可變形彈性壁動(dòng)脈瘤模型，利用粒子成像測(cè)速法，研究彈性壁對(duì)大腦前動(dòng)脈尖部動(dòng)脈瘤內(nèi)WSS的影響，并在計(jì)算流體力學(xué)軟件中驗(yàn)證，結(jié)果表明彈性壁降低了WSS的峰值強(qiáng)度和平均WSS，而剛性壁則會(huì)增加WSS峰值強(qiáng)度。

2.3 血液和血管壁交界面的性質(zhì)

血管壁是具有彈性的管道，血液在血管壁內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)使血管壁產(chǎn)生變形，稱(chēng)之為血管壁的順應(yīng)性，而血管壁的變形又反作用于流動(dòng)的血液而影響血液的流動(dòng)，即血液和血管壁交界面符合流固耦合力學(xué)的重要特征。

2.4 其他

動(dòng)脈瘤性質(zhì)、血管分支等亦會(huì)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果有較大影響。Qiu等[22]探討顱內(nèi)動(dòng)脈瘤形態(tài)與WSS之間的相關(guān)性，以確定破裂風(fēng)險(xiǎn)的可靠預(yù)測(cè)因素，其將所有動(dòng)脈瘤均分為窄型（長(zhǎng)寬比≥1.4 mm）和寬頸型（長(zhǎng)寬比<1.4 mm或頸寬≥4 mm）2類(lèi)，研究結(jié)果表明，動(dòng)脈瘤的形態(tài)不同影響WSS的分布和大小。Krylov等[23]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法研究側(cè)壁動(dòng)脈瘤患者的三維模型并模擬動(dòng)脈瘤模型的血流動(dòng)力學(xué)特征，結(jié)果表明，動(dòng)脈分支的存在對(duì)血流流線(xiàn)和WSS有很大的影響，尤其對(duì)于側(cè)壁動(dòng)脈瘤更為明顯。

綜上所述，在進(jìn)行顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分析前，必須充分考慮初始條件，不同的初始條件對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果有一定的影響。

3 血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析

血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要包括血流的壓力分布、剪切力分布和流速分布，在形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上增加了功能學(xué)信息。血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬為無(wú)創(chuàng)研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)提供了新途徑[24]。通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬主要得到WSS、血流速度以及血流流線(xiàn)圖等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的起始、生長(zhǎng)和破裂與這些血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)[25]。

3.1WSS

由于血液具有黏性，當(dāng)血流通過(guò)血管壁時(shí)便會(huì)產(chǎn)生摩擦形成WSS。WSS對(duì)維持細(xì)胞的正常形態(tài)具有重要作用[26]。通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬可以得到2種不同方向的生理壓力，一種為平行于血管壁的WSS，一種為垂直于血管壁的壁面壓力。血管壁剪應(yīng)力等血流動(dòng)力學(xué)因素在腦動(dòng)脈瘤的發(fā)病和治療中起著重要作用，其中WSS被認(rèn)為是血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)中影響顱內(nèi)動(dòng)脈瘤形成、發(fā)展和破裂的主要因素[27]。盧海濤等[28]結(jié)合數(shù)字減影血管造影，采用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件對(duì)20例動(dòng)脈瘤行血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤內(nèi)壁面壓力與載瘤血管內(nèi)壓力無(wú)明顯不同，推測(cè)局部壓力的改變對(duì)動(dòng)脈瘤發(fā)生、生長(zhǎng)無(wú)影響。

目前，血流動(dòng)力學(xué)變化是血管重構(gòu)的重要影響因素，但其相關(guān)影響機(jī)制仍未完全清楚[29]。胡鈞浛等[30]研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤夾閉手術(shù)前后及正常血管的血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，認(rèn)為WSS在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤發(fā)展過(guò)程中的作用存在2種理論:低WSS理論和高WSS理論。低WSS理論認(rèn)為，低WSS可導(dǎo)致動(dòng)脈瘤壁發(fā)生退行性變，導(dǎo)致上皮細(xì)胞間隙破壞、抗氧化和抗炎介質(zhì)調(diào)節(jié)失調(diào)，使得內(nèi)皮細(xì)胞壁重塑，甚至細(xì)胞變性、凋亡，局部過(guò)低的WSS導(dǎo)致動(dòng)脈瘤破裂。高WSS理論認(rèn)為，過(guò)高的WSS會(huì)導(dǎo)致局部血管壁退化、擴(kuò)張甚至膨脹，進(jìn)而形成動(dòng)脈瘤或者導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。

3.2 血流速度

血流速度主要從2個(gè)方面影響動(dòng)脈瘤血管壁:一方面通過(guò)影響WSS來(lái)影響動(dòng)脈瘤的發(fā)展[17]；另一方面通過(guò)影響沖擊域（指射入的血流作用于動(dòng)脈瘤壁的主要區(qū)域）的大小影響動(dòng)脈瘤的進(jìn)展[18]。

3.3 血流流線(xiàn)

血流流線(xiàn)是影響顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)的重要因素。血流流線(xiàn)影響動(dòng)脈瘤是通過(guò)載瘤動(dòng)脈與動(dòng)脈瘤的位置關(guān)系決定的，目前動(dòng)脈瘤主要分為側(cè)壁型動(dòng)脈瘤和頂端分叉處動(dòng)脈瘤2種模式。江國(guó)權(quán)等[26]研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁和頂端動(dòng)脈瘤的血流流線(xiàn)是不一致的，側(cè)壁型動(dòng)脈瘤血流從瘤頸口下游側(cè)流入瘤體內(nèi)，并沿著瘤壁流動(dòng)，從瘤頸口上游流出，在瘤體內(nèi)形成一個(gè)大的渦流，如圖3所示。頂端分叉處動(dòng)脈瘤血流由入口動(dòng)脈直接進(jìn)入動(dòng)脈瘤，到達(dá)瘤頂后沿動(dòng)脈瘤壁流動(dòng)，形成2條流出血流，在動(dòng)脈瘤內(nèi)形成2個(gè)渦流，如圖4所示[26]。

圖3 側(cè)壁型動(dòng)脈瘤血流流線(xiàn)圖[26]

圖4 頂端分叉處動(dòng)脈瘤血流流線(xiàn)圖[26]

綜上所述，通過(guò)對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析，能夠更好地理解顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為臨床上顱內(nèi)動(dòng)脈瘤治療方案的制訂提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

血流動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)于動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和治療計(jì)劃的制訂具有重要意義[31]。研究發(fā)現(xiàn)，血流動(dòng)力學(xué)因素與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)[32]。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)研究需要密切結(jié)合臨床實(shí)際情況來(lái)開(kāi)展，如真實(shí)的彈性血管壁材料屬性、非牛頓流體的血液黏滯度以及科學(xué)化、貼近生理?xiàng)l件的邊界條件等，只有這樣才能夠?qū)δX血管疾病的臨床治療和基礎(chǔ)研究提供幫助。

目前對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)的研究還存在很多不足，不能真正反映動(dòng)脈瘤在人體內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)特性，今后的研究應(yīng)該使模擬條件更加接近人體的真實(shí)狀態(tài)，主要包括以下3個(gè)方面:（1）建立專(zhuān)門(mén)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)分析的模擬系統(tǒng)，使更加接近真實(shí)的體內(nèi)環(huán)境。（2）將三維重建、計(jì)算流體力學(xué)分析以及血液流動(dòng)可視化等方法集成到一個(gè)軟件環(huán)境中，更加精確地分析顱內(nèi)動(dòng)脈瘤。（3）應(yīng)對(duì)流體力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行臨床驗(yàn)證，并將模擬結(jié)果與臨床實(shí)踐結(jié)合，從而為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的形成、發(fā)展機(jī)制及治療提供更多的支撐。未來(lái)研究應(yīng)著眼于這些技術(shù)難題，不斷完善顱內(nèi)動(dòng)脈瘤機(jī)制方面的研究，并結(jié)合最新的影像學(xué)手段和數(shù)據(jù)模擬技術(shù)，把顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)研究推向一個(gè)新的高度[33]。