大脑中动脉分叉处动脉瘤血流动力学分析

刘海玉 王宏磊 王海峰 徐 宁 (吉林大学第一医院神经外科，吉林 长春 130021)

颅内动脉瘤破裂出血是自发性蛛网膜下腔出血的最主要病因，并且死亡率极高，受到国内外专家学者的广泛关注。大脑中动脉分叉处动脉瘤在颅内动脉瘤中约占20%〔1〕。因其解剖位置的特殊性，此部位的动脉瘤常常会出现巨型动脉瘤及颅内血肿〔2〕，因此大脑中动脉分叉处动脉瘤破裂出血后死亡率及病残率相对于其他部位较高。近年来，许多专家学者经过研究发现血流动力学在动脉瘤发病机制中扮演着重要的角色〔2～4〕。随着计算机技术的发展，特别是伴随着一些大型分析软件的开发和应用，许多学者开始使用计算机技术来模拟人类颅内动脉瘤，操作灵活，费用较少，可反复演算和重复，因此目前计算机已成为研究动脉瘤的重要手段。

1 材料与方法

1.1 原始数据采集 影像学资料来自于吉林大学第一医院影像科提供的头部CTA影像学资料。此次试验选定的试验对象为女性，69岁，因突发剧烈头晕头痛4 h于2009年10月入院。入院后急查头部CT，诊断为“自发性蛛网膜下腔出血”。并于当日急查头部CTA，显示“右侧大脑中动脉分叉部动脉瘤”。见图1。

1.2 动脉瘤三维模型建立及网格生成 根据患者大脑中动脉分叉处动脉瘤多角度的CTA影像资料，使用CATIA软件对动脉瘤进行三维模型的建立。见图2。动脉瘤的主要结构包括三通的圆柱型血管和椭球型的瘤球。

将三维模型导入到Gambit中进行网格生成，通过该软件对模型进行进一步修改，删除多余的倒角及微小区域，经处理后进行网格生成。然后将网格划分的模型转成MSH文件，进而通过Fluent进行三维流场分析。

图1 右侧大脑中动脉动脉瘤CTA影像

图2 动脉瘤实体模型

1.3 血流动力学分析 不考虑能量方程，假定重力忽略不计。血管壁为刚性管壁，血流为牛顿流体，具有不可压缩性。动脉瘤的雷诺数(Re)在600～700以内，所以血流为层流。血液密度1 050 kg/m3，黏滞度为0.004 Pa/s。动脉瘤的入口处设为速度入口边界(使用TCD测量患者大脑中动脉内的血流速度)。两条出口处设为压力出口边界条件，取动脉平均压。设其他边界为固定边界，无滑移条件同时满足。选定大脑中动脉分叉处动脉瘤的血流入口处(Inlet)、血流出口处(outlet A、B)、动脉瘤瘤颈部、瘤顶部5处作为本实验的观察区域。使用美国ANSYS公司研究开发的CFD软件FLUENT6.2，对大脑中动脉分叉处动脉瘤的血流动力学进行数值模拟。

2 结果

本研究计算所得的血流动力学参数有:动脉瘤的流线图、动压、静压及壁剪切力。见图3。大脑中动脉分叉处动脉瘤不同部位血流动力学参数的最大值见表1。

图3 动脉瘤流线图、动力图、静力图及壁剪切力图

表1 大脑中动脉分叉处动脉瘤不同部位血流动力学参数的最大值(Pa)

3 讨论

目前，专家学者一致认为血流动力学在动脉瘤的形成、生长、破裂上起到了重要的作用。随着计算机技术的飞快发展，三维数值模拟技术在立体的动脉瘤模型的建立上得到了广泛的应用。大脑中动脉分叉处动脉瘤在所有的颅内动脉瘤中占有一定比例，因其死亡率及病死率较高，一直受到国内外学者的关注。本实验从血流动力学的角度对其发病发展以及破裂机制进行探讨。

流体的流线图可以比较直观地观察到血液在血管及动脉瘤内运动的轨迹等信息，从而了解血流的分布特点，是否存在涡流或者扰流。从流线图中可知流入动脉里的血流只有一小部分(轴心部分)的血流流入了动脉瘤，大部分的血流直接流向了流出动脉，未进入动脉瘤。其主要的原因是因为动脉瘤瘤颈处出现了扰流，阻碍了大部分的入流动脉内的血流流入。分析扰流产生的原因可能是瘤内的血流经过复杂的瘤内流动后由瘤颈部流出，其受到流入动脉瘤内血流的影响，产生了扰流。动脉瘤瘤内的流动形式复杂，最后由瘤颈部流出。相对比动脉瘤中心处出现的相对活跃的血流流动，靠近瘤壁处的血流速度十分缓慢，甚至瘤顶等一些区域出现了滞留的现象。

在血流动力学研究中，血流对血管壁的压力一直受到众多专家学者的广泛关注。血流的压力来源于血流的惯性作用，包括了静压和动压两种压力成分。其中静压是指血流在血管内静止不动的情况下产生的压力。而动压是血液在血管内流动遭遇到阻力迫使其速度下降，自身的机械动能转化成弹性势能而产生的压力。在本次实验中将两种压力单独进行计算讨论。由以上理论可知血管壁所承受的动压值的大小应该与其附近血流速度呈正相关。因动脉瘤中的血流形式复杂，形成扰流，在瘤壁附近血流速度十分缓慢，甚至在瘤顶等一些区域血流出现了滞留，因此可以推断动脉瘤瘤壁所承受的动压应该较低，甚至在有些区域可以忽略不计。这样的推论，在实际运算中得到了验证，动脉瘤的瘤壁、瘤顶部的动压均较低。而动脉瘤的瘤颈部受到了血流流入流出的冲击，形成了一定大小的动压。从图表中可以看出动脉瘤的瘤颈部的静压略高于瘤顶部，但数值大小相差不多。静压相对于动压来讲高出许多，因此相对于静压来讲，动压有时可以忽略不计。所以有时亦可以使用静压值的大小来约等于总压力值的大小。

在血流动力学中最受大家关注的是切应力对于动脉瘤发生发展、破裂的作用。血管壁产生的切应力的本质是黏性血流与血管壁之间产生的摩擦力，其方向平行于血管壁。Feng等〔5〕认为高切应力区域的出现也与动脉壁结构改变有关。两者构成了恶性循环，导致了动脉瘤不断生长。血管内皮细胞发生生物性应答的切应力基线区间为1.5～2.0 Pa〔6〕，但是在实验的过程中发现动脉瘤瘤顶部的WSS往往低于1.5 Pa。这样的低切应力，首先直接导致了内皮细胞的变性和凋亡;其次也导致了血管内皮细胞形变，细胞间隙加大、屏障功能功能丧失，致使血液中有害物质侵入，导致动脉瘤的瘤壁弹性纤维和胶原纤维的断裂、缺失〔7～9〕，最终导致动脉瘤破裂。从本次实验中可以看出动脉瘤瘤颈处的切应力较大，而瘤顶处的切应力极小近似于0，因此认为瘤颈部为动脉瘤生长、扩大的部位。而瘤顶部的剪切力接近为0，因其不能维持瘤壁内皮细胞的基本形态，而最终导致内皮细胞退化、更新障碍而破裂。

大脑中动脉分叉处动脉瘤的血流动力学表现同其他部位动脉瘤相似，其流场表现为动脉瘤的流入动脉的小部分血流流入瘤内，而大部分血流因受到瘤颈部扰流的干扰，直接流入流出动脉。血流流入动脉瘤内后，经过复杂的血流运动后由瘤颈处流出，最后进入流出动脉。动脉瘤瘤顶部的血流速度较缓慢，压力较小，切应力几乎为0，为动脉瘤破裂的好发部位，瘤颈部的血流速度较快，压力及切应力相对较大，为动脉瘤的生长及扩大部位。

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