颅内动脉瘤计算血流动力学研究的新进展

·综述与讲座·

颅内动脉瘤计算血流动力学研究的新进展

翟贺鑫袁宇王佳良杜磊刘海鹏王冀伟李春晖

项目来源：河北省医学适用技术跟踪项目(GL2014-63)；河北省医学科学研究重点课题(编号：20150065)

作者单位： 071000河北省保定市，河北大学附属医院

E-mail：lichunhui0321@sina.com

【关键词】颅内动脉瘤;计算血流动力学;进展

doi:10.3969/j.issn.1002-7386.2015.22.048

通讯作者：李春晖，071000河北省保定市，河北大学附属医院；

【中图分类号】R743 【文献标识码】 A

收稿日期：(2015-05-13)

颅内动脉瘤(intracranial aneurysm,IA)是血管局部病变引发的囊性膨出病理变化，检查结果多显示发生于Willis环动脉分叉及周围，这是最常见的诱发蛛网膜下出血的病理因素，有很高的致死率和致残率[1]。IA有复杂的发生进展及破裂机制和影响因素，目前的研究认为患者年龄、遗传因素、血脂水平、血压水平、动脉粥样硬化、血流动力学异常以及环境影响都有关联[2]。近年来，国内外临床学者和工作者借助计算机技术和动物模型、3D数字减影技术开展了很多IA患者血流动力学计算分析研究，是近年来国内外临床的关注焦点，近年来的研究交流大大促进了IA病理机制以及血流特征的判断分析工作的发展优化，为IA诊疗工作提供了依据[3]。

1IA发生及破裂阶段血流动力学特征

当前的很多研究报道资料显示，血管壁压力、壁面切应力(WSS)、切应力震荡指数(OSI)、壁面切应力梯度(WSSG)、血流冲击力、血流速度等血流动力学因素都直接、间接对IA的产生、进展以及破裂过程产生影响[4]。近年来的主要研究大多借助三维计算机数值模拟分析和重现血流动力学参数，以精准反应IA血流动力学特征[5]。

在IA形成方面，血液流动过程产生的血管壁切向作用即为WSS，血液流速决定WSS大小、血管壁走向即为WSS方向，且其数值与血液流速成正比、与血流速梯度呈正相关[6]。IA进展直接受血流剪切应力影响，而心动周期又会直接决定剪切应力的变化。脑动脉分叉上段的内弹力层、中层会在收到血流动力学相关的压力、搏动力、剪切应力后发生不同程度缺损，尤其是剪切应力增大至一定程度后会引发明显的动脉壁受损现象，血流对动脉血管壁造成较大冲击后该处可出现膨出现象，久而久之演化成为动脉瘤。可见，WSS偏高是一个很主要的诱发IA的因素，所以检测到剪应力最大的部分有很高的动脉瘤发生进展风险，该处往往是动脉瘤高危增长点[7]。

在IA发展方面，由于动脉瘤之中有复杂难把握的血流模式，而其中不稳定的血流模式是诱发IA和促使其进展、破裂的高危因素。研究发现，血流动力学因素导致的内弹力层相关炎性反应、动脉粥样硬化及缺损，很可能引发内弹力膜退行性改变，进而诱发IA。IA所在动脉与IA的关系以及IA自身的形态特点都会有特殊的血流动力学表现，一旦血流动力学变化远超血管重塑极限，就会诱发动脉膨出、降解，促进IA进展[8]。

在IA破裂方面，WSS水平过低更可能诱发IA发生破裂以及出血现象。IA的进展导致瘤顶处没有足够的剪切应力，因而血管内皮细胞会发生形变、瘤壁该细胞间隙扩大，为血液有害物质的进入提供可能，引发瘤壁退行病变、更易发生IA破裂。IA体积越大，越可能因血流速过高发生破裂，研究发现，有越高的IA血流速度以及越高的瘤体WSS水平，就有越小的冲击区域和越高的IA破裂可能。IA子囊区以及顶部处聚集了很多的高OSI、低WSS区域，大大提升了这些部分IA破裂的可能[9]。国外学者认为，粥样硬化性IA可能因为高震荡剪切指数、低壁面剪切应力引发的炎症性细胞介导信号通路相关，次要或较小IA的破裂则通常受正壁剪切应力梯度、高剪切应力引发的壁炎性细胞介导途径有关联[10]。

2IA血流动力学动物模型研究进展

近年来有很多关乎IA与内部压力、血流速、切应力等血流动力学参数的研究分析，推动了临床上对IA生理、病例机制的认识和运用，活体模型测量难度很高。国内外学者尝试了对猪、兔、犬进行流体力学分析和模型建立，进行IA血流动力指标进行了体外比那话及数值模拟分析测定，发现动力学指标异常处更容易出现IA，常见的有血管弯曲、分叉、分支处[6]。

国外学者尝试以弹性蛋白酶诱导法在高血压的小鼠模型上制作IA模型，并用2周时间借助血管紧张素2诱发高血压病理变化，向脑脊液注入弹性蛋白酶达到促使血管壁弹性层中断的目的，2周之后学者发现与人类IA相近的组织出现于模型中[7]。

国外学者建立兔模型对IA血流动力学特征进行分析发现，IA在兔模型当中时，可发现脉壁重塑性遭到血流干扰破坏并出现基质降解以及外膜细胞、平滑肌细胞、内皮细胞凋亡以及淋巴细胞受损，动脉瘤血管厚度很小[8]。IA发生初始阶段没有发现局部炎性浸润现象出现在内皮细胞之内，推测平滑肌细胞、血管内皮细胞局部功能异常是主要的IA发生关联因素。且通过对兔模型颈动脉顶端动脉瘤血流动力学进行测定和深入分析，发现IA瘤颈处存在壁面切应力，切应力的频繁变化冲击瘤颈内膜组织，一旦冲击力达到上限，就会引发炎性反应以及内皮细胞损伤脱落，可见IA出现和恶化与壁面切应力有关联[11]。

学者借助计算机技术分析IA血流动力学指标发现，IA瘤颈部分集中分布壁面切应力，切应力快速变化同时对IA瘤颈内膜组织产生作用，超出极限后损伤内皮细胞并诱导脱落以及进一步炎性反应，IA的产生和进展直接受到壁面切应力的影响[9]。对模型IA不全夹闭处理后，大大减小了IA受湍流的影响力，从而控制了IA瘤颈受最大剪切力的干扰，对比不同方向夹闭处理IA发现，与血流方向相逆进行IA夹闭处理有助于控制病情、降低继续进展的几率[10]。

有学者对犬类动物模型进行了IA血流动力学分析，此种模型分析效果更好，有很好的手术耐受性以及麻醉耐受性，介入操作对于较粗直径的血管更容易进行，且围术期护理更简单，有较少的IA自发破裂、血栓形成，生存期相对较长，有学者尝试此类模型IA集合特征以及血流动力学特征与人类上述特征对比[11]。

目前为止，药物注射、血管内介入、外科手术、真菌感染、细菌感染等途径都可实现IA动物模型的建立，此种建立模式有优势也有缺陷，即存在明显的动物个体差异且很难消除、用时长、操作难度大且复杂、IA的诱导发生很随机，IA模型形态及组织方面均相比人类IA存在差异。

3IA血流动力学体外研究进展

近年来，IA血流动力学出现的一个重要的研究方向即体外模拟研究，不再局限于寻找合适的动物制作动物模型，而是转变模式，将IA壁以及血管壁看作刚性壁，血液看作牛顿流体，或者视球形IA瘤壁为弹性体、血液为非牛顿瘤体。近年来的部分研究实践假定脑血管壁、IA瘤壁为刚性，节省了分析实践并降低了难度，若血管管径在0.5 mm之上，非牛顿流体、牛顿流体模式测得结果相近，也有学者提出牛顿流体黏度模型由高估IA瘤壁顶部剪切应力以及低估破裂可能性的可能。

国外学者先前曾尝试将染料注入玻璃管以观察分析前交通动脉血流特征，发现此时交通动脉血流越多则管壁剪切力越大；将IA形态特征作为基础，采用丙烯酸树脂制作大脑中动脉IA以及基底动脉顶端IA模型，观察IA壁面剪切力，发现动脉瘤壁存在不均匀剪切应力[12]。

国外学者尝试通过透明聚氨酯完成解剖学IA模型制作并进行数值模拟和实验分析，观察侧壁IA涡流血流动力学特征，发现三维结构、瞬时流速方面的计算和测量结果十分一致，收缩早期尤其明显[13]。IA近端颈部周围可见明显涡流，此种涡流形成于流经IA的血流撞击远端瘤壁过程[14]。

体外模拟实验可精准、直接、便捷、细致地反映血流动力学特征，也会因设备以及条件的限制而受阻。

4计算机模拟研究进展

近年来，流体力学软件以及计算机技术的飞速发展创新，IA计算机数值模拟研究有了新的进展。国内外学者先前主要集中进行二维计算机模拟研究，可直观反应IA血流动力学特征，以及IA周期血流速度、动脉瘤相关区域速度场形态，可供IA发生、发展以及破裂机制的临床参考分析，有助于临床工作者了解和评测IA破裂高危因素、更好地进行IA栓塞治疗[15]，但此种模拟研究方式也有缺陷，为了追求模拟计算工作的高效顺利进展，忽略了血液非牛顿性因素、血管壁的弹性因素，而今的此类研究多引入三维模拟的模式，学者们尝试对患者进行血管三维造影，在造影基础上建立仿真动脉瘤模型，引入计算机流体力学软件，三维数值模拟颅内动脉瘤模型，测定血流动力学指标，根据测定情况进一步分析血流动力学指标对于IA的发生发展以及破裂的作用机制和特征，以求准确、形象、直观地体现IA血流流动特点，指导临床治疗工作的开展。

有学者对IA患者五项形态参数以及3项血流动力学参数进行测定分析，并借助计算机三维模拟功能进行交通动脉瘤血流动力学三维模拟测评分析，发现发生破裂的IA的WSS水平明显低于未破裂IA，而低WSS相对AR体颈比例以及面积都较高。IA破裂直接受到血流动力学因素的影响作用，三维数值模拟建立动脉研究再次证实了这一点[15]。

另有学者尝试结合患者IA病情实际进行脑血管造影、三维重建分析，通过此种模式获取动脉瘤几何形状模型，借助有限元法进一步开展流程模拟工作，预测性分析IA流动特性、IA分布，主要包括SWSSG、WSS分析[16]。

计算流体力学软件与有限元法的相结合模拟IA三维数值，提供了一个完整的心动周期内动脉瘤及其载瘤动脉内各种血流动力学参数的形态和周期性动态变化，促进了IA发生进展及破裂机制、特征的研究和总结工作的进展，此为可行的先进IA内在机制和病情预测研究、分析辅助手段。

总之，动物模型、体外实验以及计算机模拟数值研究都取得了丰硕的成果、推动了IA发生发展和破裂内在机制与血流动力学因素的认识和研究，在IA的临床评估、治疗预防过程中起着极其重要的作用，随着研究技术的不断发展，三维数值模拟技术在动脉瘤模型的建立上得到了广泛的应用，应用计算机模拟载瘤动脉内的血流冲击力、流量变化、血流剪切应力和压力分布等血流动力学参数对动脉瘤的研究有着非常重要的作用，也将成为今后国内外研究的重点和难点。

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