林志鴻，王凌云，朱鵬，楊謙

（1.廈門大學(xué)機電工程系，福建廈門361100；2.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院心血管外科，廣東廣州510515；3.廈門大學(xué)附屬心血管病醫(yī)院心血管外科，福建廈門361004）

主動脈夾層（aortic dissection，AD）也被稱為主動脈夾層動脈瘤，是指主動脈內(nèi)膜在各種因素的作用下被撕裂，血液從撕裂處涌入主動脈中膜，導(dǎo)致中膜分離，并且順著血管壁延伸方向不斷擴張，最終形成兩個血管腔的疾病[1-2]。斯坦福大學(xué)的研究者Daily 等[3]根據(jù)原發(fā)破口產(chǎn)生的位置及假腔的病變范圍將主動脈夾層分為Stanford A 型和Stanford B 型（以下簡稱為A 型和B 型）。其中，原發(fā)破口只處于升主動脈，而夾層病變范圍可累及整個主動脈的，稱為A 型主動脈夾層，原發(fā)破口及夾層病變范圍都僅限于降主動脈及降主動脈以遠端的，稱為B 型主動脈夾層[4]。主動脈夾層發(fā)病急驟、致死率極高，其兇險性在心血管系統(tǒng)中排名首位[5-6]。據(jù)統(tǒng)計，未經(jīng)及時治療的急性A 型主動脈夾層患者，1 d 之內(nèi)的病死率以（1%～2%）/h的速度增長，48 h 內(nèi)的病死率升至36%～71%，1 周內(nèi)的病死率＞70%；而急性B 型主動脈夾層患者2 周內(nèi)的病死率為6.4%，經(jīng)藥物治療后5年內(nèi)的病死率仍有40%，并且A 型主動脈夾層的發(fā)病率和病死率要顯著高于Stanford B 型[7-9]。

研究[10-11]表明主動脈夾層臨床表現(xiàn)多樣，并無典型的特征，胸透及心電圖等常規(guī)手段對確診該疾病幫助不大，再加上還未完全掌握其發(fā)病機制，導(dǎo)致經(jīng)藥物或手術(shù)治療的病死率仍較高。目前，普遍的觀點認為主動脈夾層發(fā)病是遺傳、免疫機制、生物化學(xué)及血流動力學(xué)等因素綜合作用的結(jié)果[12-14]。其中，主動脈夾層血流動力學(xué)因素對主動脈夾層的形成與發(fā)展有著非常重要的影響，一直都是研究的重要方向[15-16]。首先，血液流動速度及流動方向改變引起的壁面壓力及應(yīng)力的變化被認為是血管病變的基礎(chǔ)[17]。其次，高血壓與主動脈夾層的產(chǎn)生密切相關(guān)。研究顯示，約有44%的主動脈夾層患者同時患有高血壓，而有70%的患者有高血壓病史，因此有觀點認為主動脈夾層是高血壓的嚴(yán)重并發(fā)癥[18]。最后，血液黏性流動過程中產(chǎn)生的剪切力會損傷內(nèi)皮細胞，增大內(nèi)膜撕裂的風(fēng)險，還有促使血小板停留聚集，形成血栓，增大動脈瘤形成的風(fēng)險[19]。采用計算流體力學(xué)的方法研究血流動力學(xué)，得出的具有規(guī)律性的原理和結(jié)論與臨床醫(yī)學(xué)的檢測診斷相結(jié)合，可以很好地預(yù)測疾病的發(fā)展情況，對臨床治療主動脈夾層具有十分重要的指導(dǎo)意義[20]。

基于血流動力學(xué)因素對主動脈夾層產(chǎn)生的重要影響，本文通過三維建模軟件Pro/E，構(gòu)建出模擬無夾層及假腔破裂前夾層發(fā)展初期至末期的理想主動脈模型，利用計算流體力學(xué)的方法對其進行雙向流固耦合仿真，對比無夾層與夾層發(fā)展不同時期血流動力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，從流體動力學(xué)的角度探究夾層的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)的獲取與處理

本研究以廈門大學(xué)附屬心血管1 例B 型主動脈患者的計算機斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，如圖1 所示，患者發(fā)病前主動脈已存在嚴(yán)重的擴張行為，發(fā)病時主動脈弓內(nèi)彎側(cè)血管直接破裂。掃描范圍涵蓋了整個腹部區(qū)域，數(shù)據(jù)以DICOM3.0 格式保存。借助醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics、逆向建模軟件Geomagic Studio 及三維建模軟件UG 等對其進行逆向重構(gòu)后獲得的個性化主動脈模型。

圖1 B型主動脈夾層患者CT圖像Figure 1 CT images of a patient with type B aortic dissection

1.2 理想化模型的構(gòu)建

根據(jù)逆向重構(gòu)個性化主動脈模型的尺寸，構(gòu)建無夾層時期的理想化主動脈模型（圖2）。將主動脈血管壁簡化為漸縮彎管，彎管的厚度為2 mm，其中升主動脈入口的直徑為40 mm，長度為20 mm，主動脈弓軸心線半徑為36 mm，降主動脈出口的直徑為30 mm，長度為80 mm，主動脈弓上3 根分支血管的直徑分別為14 、9、14 mm，并以15 mm 的間距分布在主動脈弓上，分支血管出口端面與主動脈弓軸心線所在圓的圓心距離為100 mm。圖3 為夾層發(fā)展不同時期主動脈模型圖，假腔的大小不但有沿縱向的及兩側(cè)壁的依次增長，以模擬夾層向下（Z 方向）及向兩側(cè)（Y 方向）血管的進一步撕裂，同時還有沿橫向（X 方向）的依次增大，以模擬夾層進一步地向外擴張。其中，夾層初期，假腔的縱向長度（Z 方向）約為50 mm，假腔外壁距離降主動脈中心線最大橫向尺寸（X 方向）約為24 mm；夾層中期，假腔的縱向長度約為100 mm，假腔外壁距離降主動脈中心線最大橫向尺寸約為37 mm；夾層末期，假腔的縱向長度約為150 mm，假腔外壁距離降主動脈中心線最大橫向尺寸約為50 mm。假腔壁厚度與血管壁的厚度均為2 mm，夾層的第一破口設(shè)置為直徑為5 mm 的小圓孔。

圖2 無夾層主動脈示意圖A：個性化模型；B：理想化模型；C：理想化模型尺寸示意圖Figure 2 The schematic diagram of aorta without aortic dissectionA: Patient-specific model; B: Ⅰdeal model; C:The size of idealized model

圖3 夾層發(fā)展不同階段主動脈模型圖A：夾層初期；B：夾層中期；C：夾層末期；D：夾層第一破口位置及不同發(fā)展時期假腔大小對比示意圖Figure 3 The aorta model in different development periods of aortic dissectionA: Early stage; B: Middle stage; C: Late stage;D:The location of the first tear and the size of false lumen in different development periods

1.3 材料性能及邊界條件的設(shè)置

參照文獻[21]將血管壁設(shè)置為彈性模量為2.7 MPa，密度為1 130 kg/m3，泊松比為0.45 的各向同性。參照文獻[22-24]，將血液設(shè)置為密度為1 050 kg/m3，動力黏度為0.003 5 Pas 的單相牛頓流體。分支血管及降主動脈采用零壓力出口條件P=0 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）。升主動脈血液入口采用速度條件V（t）[25]，V（t）可用公式：

的分段函數(shù)進行擬合。3 根分支血管及降主動脈流，很少有湍流的情況，因此設(shè)定血液的流動狀態(tài)為層流[26]，同時對升主動脈入口、降主動脈及3 根分支血管出口端面施加固定約束，仿真邊界條件的具體設(shè)置如圖4 所示。

圖4 仿真邊界條件的設(shè)置A：邊界名稱及邊界條件；B：V（t）波形圖Figure 4 Setting of simulation boundary conditionsA:Boundary names and conditions;B:Waveform of V(t)

2 結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果提取

提取加速射血期內(nèi)（T1=0.04 s）過假腔入口對稱截面血液速度、壓力，血管壁Von Mise 應(yīng)力的仿真結(jié)果及一個心動周期內(nèi)夾層發(fā)展不同時期血管壁最大Von Mise 隨時間的變化曲線進行分析，仿真結(jié)果提取時刻如圖5 所示。

圖5 仿真結(jié)果提取時刻示意圖Figure 5 The exaction time of the simulation results

2.2 過假腔入口對稱截面血液速度

夾層的存在對真腔內(nèi)血液流動狀態(tài)的無顯著影響。但有夾層存在時，血液的最大流速增加了0.6 m/s 左右，并且最大流速位于3 支分支血管處。同時，假腔內(nèi)血液的流動狀態(tài)隨著夾層的發(fā)展變得更加復(fù)雜。夾層初期，假腔內(nèi)只在靠近夾層上撕裂處形成一個漩渦。夾層中期，假腔內(nèi)靠近夾層上撕裂處的渦流增大，同時第一破口處逐漸形成第二渦流。夾層末期，假腔內(nèi)靠近夾層上撕裂處及第一破口處都形成了巨大的渦流（圖6）。

圖6 加速射血期（T1=0.04 s）過假腔入口對稱截面血液速度流線圖A：無夾層；B：夾層初期；C：夾層中期；D：夾層末期Figure 6 Blood velocity streamline of the symmetrical section which across the entrance of the false lumen at accelerated ejection period(T1=0.04 s)A:No dissection stage;B:Early dissection stage;C:Middle dissection stage;D:Late dissection stage

2.3 過假腔入口對稱截面血液壓力

無論是否存在夾層，血液壓力都呈現(xiàn)由升主動脈至降主動脈逐漸遞減的趨勢，并且升主動脈入口外側(cè)的高壓區(qū)域大于內(nèi)側(cè)，但有夾層存在時，血液最高壓力增大了0.3～0.6 kPa 左右，同時升主動脈入口外側(cè)的高壓范圍擴大至主動脈弓外彎側(cè)，在3 支分支血管分叉處也出現(xiàn)了一些小范圍的高壓區(qū)。此外，有夾層存在時，假腔內(nèi)的壓力都大于與之相鄰的真腔內(nèi)的壓力（圖7）。

圖7 加速射血期（T1=0.04 s）過假腔入口對稱截面血液壓力云圖A：無夾層；B：夾層初期；C：夾層中期；D：夾層末期Figure 7 Blood pressure nephogram of the symmetrical section which across the entrance of the false lumen at accelerated ejection period(T1=0.04 s)A: No dissection stage; B: Early dissection stage; C: Middle dissection stage; D: Late dissection stage

2.4 血管壁Von Mise應(yīng)力

無夾層時，血管壁的Von Mise 應(yīng)力同樣呈現(xiàn)出由升主動脈至降主動脈逐漸遞減的趨勢，并且升主動脈入口及3 支分支血管的根部都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。有夾層存在時，血管壁的最大Von Mise應(yīng)力隨著夾層的發(fā)展而增大，并且比無夾層存在時增大了一個數(shù)量級。此外，有夾層存在時，應(yīng)力集中區(qū)域隨著也夾層的發(fā)展而逐漸增多、增大。夾層初期，假腔撕裂處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；夾層中期，假腔壁側(cè)壁中部、假腔撕裂及與之相鄰的真腔壁都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；夾層末期，假腔外壁也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖8）。圖9 為一個心動周期內(nèi)夾層發(fā)展不同時期壁面最大Von Mise 應(yīng)力隨時間的變化曲線，由圖可知，有夾層存在時，血管壁最大Von Mise 應(yīng)力隨著夾層的發(fā)展而增大，夾層初期的峰值約為無夾層時峰值的3 倍；夾層中期的峰值約為無夾層時峰值的4 倍；夾層末期的峰值約為無夾層時峰值的5.5 倍。而最大Von Mise 應(yīng)力的谷值基本相同，因此導(dǎo)致最大Von Mise 應(yīng)力的波動性同樣隨著夾層的發(fā)展而增大。

圖8 加速射血期（T1=0.04 s）血管壁Von Mise應(yīng)力云圖A：無夾層；B：夾層初期；C：夾層中期；D：夾層末期Figure 8 The nephogram of Von Mise stress of blood vessel at accelerated ejection period(T1=0.04 s)A: No dissection stage;B:Early dissection stage;C:Middle dissection stage;D:Late dissection stage

圖9 夾層發(fā)展不同時期壁面最大Von Mise應(yīng)力隨時間的變化曲線Figure 9 The change curves of blood vessel maximum Von Mise stress with time in different development stages of aortic dissection

3 討論

本研究構(gòu)建了無夾層及夾層發(fā)展不同時期的理想化主動脈模型并進行雙向流固耦合仿真分析。結(jié)果表明，加速射血期內(nèi)，有夾層存在時，血液的最大流速增加了約0.6 m/s，最大流速出現(xiàn)在分支血管處，血液最大壓力增加了0.3～0.6 kPa，同時升主動脈入口外側(cè)壁的高血壓區(qū)域也有所擴大。結(jié)合加速射血期內(nèi)過假腔入口速度流線及壓力分布圖分析，這可能是由于有假腔存在時，假腔內(nèi)的壓力大于與之相鄰的真腔內(nèi)的壓力，假腔壓迫真腔造成的。Wang 等[27]采用構(gòu)建的理想化模型進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)心室收縮期夾層真腔內(nèi)壓力遠小于夾層假腔內(nèi)壓力，這有可能導(dǎo)致夾層繼續(xù)向下延伸發(fā)展，同時假腔壓迫真腔。有夾層存在時，血液通過夾層破口流入假腔，由于假腔不存在第二回流破口，因此流入假腔的血液一方面使假腔不斷往外擴張，另一方面使假腔不斷往內(nèi)擴張壓迫真腔。被壓迫的真腔流道變窄，導(dǎo)致流出降主動脈出口的血流量變少，而升主動脈入口的血流量并未減少，導(dǎo)致大量只能流向分支血管，因此血液的最大流速有所增加，由于分支血管較細，分流能力較小，仍有大量的血液堆積在升主動脈及主動脈弓處，導(dǎo)致血液最大壓力及高血壓區(qū)域增大。而假腔內(nèi)血液的流動狀態(tài)隨著夾層的發(fā)展越發(fā)復(fù)雜，這是由于隨著夾層的發(fā)展，假腔不斷增大，導(dǎo)致流入假腔的血流量不斷增多引起的。有研究[28]表明，血液流動過程中產(chǎn)生的回流、渦流、流動分離等，能夠流直接影響主動脈夾層的產(chǎn)生并導(dǎo)致血管壁破裂。如邱霖等[29]通過對CT 重構(gòu)的個性化主動脈模型進行仿真發(fā)現(xiàn)雖然假腔內(nèi)血流動力學(xué)參數(shù)變化小于真腔，但假腔內(nèi)的血液流動狀態(tài)更加紊亂，并且交變方向的剪應(yīng)力更加劇烈，假腔壁破裂的可能性更高。Tremmel 等[21]發(fā)現(xiàn)同時存在復(fù)雜渦流及低剪切應(yīng)力動脈瘤最容易發(fā)生破裂。Ashkan 等[22]發(fā)現(xiàn)螺旋流使壁面剪應(yīng)力的波動性顯著增強，主動脈破裂概率更大。因此，隨著夾層的發(fā)展，假腔內(nèi)的渦流不斷增大，并且渦流形成區(qū)域十分靠近夾層假腔上撕裂處，這一方面很有可能導(dǎo)致血管壁進一步往上撕裂，假腔增大，另一方面也有可能導(dǎo)致血管壁在該處破裂。尤其是夾層末期，靠近夾層上撕裂處的渦流巨大，血管壁進一步撕裂及破裂的可能性極大。另外升主動脈入口存在大范圍的高血壓區(qū)域可能與臨床上該部位容易產(chǎn)生A 主動脈夾層型主動脈夾層有關(guān)，如Wen 等[23]通過磁共振成像法（MRI）將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)壁面的最大剪切應(yīng)力和與最大壓力的位置與破口位置一致。Beller 等[24]采用有限元法分析主動脈根部位移和壓力對動脈壁應(yīng)力的影響，認為主動脈根部和高血壓對主動脈夾層起到了關(guān)鍵性的作用。

仿真結(jié)果還表明，有夾層存在時，血管壁的最大Von Mise 應(yīng)力的峰值及波動性都隨著夾層的發(fā)展而增大，應(yīng)力集中區(qū)域也隨著夾層的發(fā)展而增多、增大，并且主要位于夾層撕裂處及假腔側(cè)壁等部位。血管壁的Von Mise 應(yīng)力值越高，表明該處血管壁產(chǎn)生夾層及破裂的可能性更大[30]。因此，隨著夾層的發(fā)展，血管壁破裂的風(fēng)險增大，并且破裂部位很可能是在夾層撕裂處及假腔側(cè)壁與外壁等部位，臨床上應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注這些部位的病變情況。