颅内动脉瘤形态与血流动力学的关系

裘天仑 金国良 邢海燕

近年来研究表明，动脉瘤的血流动力学是颅内动脉瘤病理改变的主要原因[1－6]。计算流体力学、统计分析均揭示动脉瘤的血流特征与动脉瘤的生长、破裂有关[2，6]。在相同的血流动力学模型下，血流动力学不仅与动脉瘤的形状、大小、位置、动脉瘤颈口大小等有关，也与载瘤动脉的直径、弯曲度、动脉瘤角度等有关。因此，本研究就颅内动脉瘤血流动力学特征与动脉瘤、载瘤动脉的形态学指标间的关系作一探讨。

1 对象和方法

1.1 对象 选择2016年1至6月绍兴市人民医院收治的22例颅内动脉瘤患者的22个动脉瘤为研究对象。病例排除标准：（1）恶性肿瘤，（2）恶性高血压，（3）严重的全身性疾病如糖尿病、风湿性疾病等。动脉瘤排除标准：（1）假性动脉瘤，（2）炎症性动脉瘤，（3）外伤性动脉瘤，（4）解离性动脉瘤，（5）伴发动静脉畸形的动脉瘤。

1.2 方法

1.2.1 动脉瘤形态分析 动脉瘤结构通过血管造影并由荷兰Philips公司数字剪影三维（DSA）成像。血管造影剂持续注射6s，旋转180°以15帧/s拍摄并获取数据，传入Philips工作站重建DSA图像，剔除没有完整动脉瘤和载瘤动脉的图像，并记录动脉瘤的位置、瘤颈宽度、瘤体高度、动脉瘤横径等影像学指标。在DSA上测量动脉瘤的二维参数：最大瘤颈、最小瘤颈、动脉瘤高度（瘤颈中心到瘤顶的最大距离）、动脉瘤横径（垂直于瘤高的动脉瘤最大横径）、载瘤动脉直径、最大瘤颈/载瘤动脉直径、最小瘤颈/载瘤动脉直径、动脉瘤角度（动脉瘤与载瘤动脉的夹角），见图1。

图1 动脉瘤的形态学参数测量（载瘤动脉直径是D1+D2+D3的平均值；动脉瘤颈宽需测量最小瘤颈和最大瘤颈）

1.2.2 血流动力学分析 在Geomagic Studio（美国Geomegic公司）里面将三维模型表面的孔洞进行修补，将三维模型导入ICEM里面划分网格。再将网格导入美国ANSYS软件的Fluent15分析动脉瘤三维模型。血液的非牛顿性对分析结果影响不明显。因此，血流设定为不可压缩的牛顿流体（ρ=1 060kg/m3，黏度0.04kg·s/m）。控制方程为不稳定的Navier－Stokes方程和连续性方程。瘤壁的边界条件是无滑动的刚性壁。出口边界条件设为压力出口，入口流速分布公式：一个周期内速度入口分布见图2。壁面剪应力（WSS）是指血流与动脉壁单位面积的切线摩擦力。因为血流是脉动流，所以WSS是整个心动周期在一个节点上的集合，计算公式dt，其中平均WSS（MWSS）为整个动脉瘤内壁所有节点的平均值，WSS比值=MWSS动脉瘤/MWSS载瘤动脉。剪应力集中指数（SCI）的计算公式，其中Ah是高于载瘤动脉WSS的动脉瘤囊壁面积，Aa是动脉瘤的总面积，Fh是Ah中总剪应力，Fa是动脉瘤囊的总剪应力。

图2 一个周期内速度入口分布

1.3 统计学处理 应用SPSS 16.0统计软件。计量资料符合正态分布，用表示，多组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD－t检验；两组比较采用两独立样本t检验。动脉瘤形态学指标与血流动力学指标的相关性采用Pearson相关分析，|r|值≥0.8为强相关；0.5～＜0.8为明显相关，0.3～＜0.5为中等相关，＜0.3为弱相关；其中P＜0.05的动脉瘤形态学指标与动脉瘤WSS、WSS比值、SCI分别作线性逐步回归分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 动脉瘤形态学指标与血流动力学指标的相关性分析 最大瘤颈/载瘤动脉直径、最小瘤颈/载瘤动脉直径与动脉瘤WSS、WSS比值均呈正相关（均P＜0.05），动脉 瘤角度与SCI呈正相关（P＜0.05），见表1。

表1 动脉瘤形态学指标与血流动力学指标的相关分析结果（r值）

2.2 线性逐步回归方程 血流动力学指标的逐步回归方程：动脉瘤 WSS=－55.99+88.99 ratio1（P=0.006），WSS比值=0.048+0.264 ratio1（P=0.031），SCI=－0.691+0.097 angle（P=0.035）；式中ratio1为最大瘤颈/载瘤动脉直径，angle为动脉瘤角度。

2.3 最大瘤颈/载瘤动脉直径与动脉瘤WSS、WSS比值的关系 按最大瘤颈/载瘤动脉直径分为＜1组（9例）、1～2组（9例）、＞2组（4例），其动脉瘤WSS分别为（46.84±54.11）、（42.12±48.82）、（194.20±99.45）Pa，3 组间差异有统计学意义（F=4.330，P＜0.05），经两两比较，＞2组动脉瘤 WSS明显高于＜1组、1～2组（均P＜0.05），见图2。＜1组、1～2组、＞2组 WSS比值分别为 0.382±0.404、0.308±0.235、0.794±0.468，3 组差异有统计学意义（F=3.694，P＜0.05）。经两两比较，＞2组WSS比值明显高于＜1 组、1～2 组（均 P＜0.05），见图 3。瘤颈/载瘤动脉直径较大的动脉瘤，其WSS较高，反之较低，见图4－5。

图2 最大瘤颈/载瘤动脉直径与动脉瘤WSS的关系

图3 最大瘤颈/载瘤动脉直径与WSS比值的关系

图4 瘤颈/载瘤动脉直径较大的动脉瘤WSS分布

图5 瘤颈/载瘤动脉直径较小的动脉瘤WSS分布

2.4 动脉瘤角度与SCI的关系 按载瘤动脉角度分为＜135°组（10例）、≥135°组（12例），SCI分别为 3.39±2.32、9.46±7.66，两组比较差异有统计学意义（t=－2.608，P＜0.05），见图 6。

3 讨论

近年来研究表明，颅内动脉瘤的生长与破裂是由动脉瘤血流动力学推动的。当动脉瘤的血流冲击动脉瘤壁时，动脉瘤壁受到刺激后会发出生物化学信号，因此发生病理改变，最终促成动脉瘤的发展[7]。当动脉瘤的病理改变无法耐受动脉瘤内的血流冲击时，动脉瘤发生破裂[8]。其中WSS是判断动脉瘤生长和破裂的重要血流动力学依据。研究表明高WSS或低WSS都与动脉瘤的生长和破裂有关[9-13]。近年来，动物实验结果发现血流冲击点附近的高WSS和正向WSS梯度通过血管内皮细胞的生物化学信号的传导，引起内弹力膜的丧失和中间层变薄，从而形成动脉瘤[1，14-20]。动脉瘤在血流冲击下有2种同时存在的病理变化：（1）平滑肌细胞和胶原蛋白的增生等修复过程，（2）平滑肌细胞及其他细胞的凋亡过程。当2种进程平衡时，动脉瘤是稳定的，当不平衡时则动脉瘤扩展和破裂。因此，高WSS的动脉瘤壁常因广泛的细胞凋亡而呈现菲薄的瘤壁，俗称“血泡样动脉瘤”。动脉瘤内的低WSS会促使内皮细胞的炎症反应，使得管腔的渗透性增加，稀疏的血管内皮细胞和血液停留时间延长，可使白细胞侵入血管内，这种炎症反应产生大量基质金属蛋白酶来降解平滑肌细胞，并导致动脉瘤壁粥样硬化，打破动脉瘤壁修复与损害的平衡，最终导致动脉瘤破裂[21-23]。WSS是促进动脉瘤病理改变的基础因素，正是这些病理改变影响了动脉瘤的形态。所以，动脉瘤本身的高度、高宽比、瘤高/瘤颈、瘤高/载瘤动脉直径并不能影响动脉瘤WSS的数值。本研究的回归方程表明，最大瘤颈/载瘤动脉直径决定了动脉瘤WSS。笔者进一步按最大瘤颈/载瘤动脉直径分成3组，发现比值≤2时动脉瘤WSS无明显变化，而＞2时动脉瘤WSS明显增加并伴随着菲薄的动脉瘤壁的“血泡样动脉瘤”，临床上常见于前交通宽颈动脉瘤。

图6 动脉瘤角度与SCI的关系

传统的WSS并未考虑到患者的个体差异，其实不同个体耐受的WSS不同。而WISS比值可能更好地体现动脉瘤在不同个体的WSS实际情况。本研究通过线性逐步回归方程，发现最大瘤颈/载瘤动脉直径决定了WSS比值。当最大瘤颈是载瘤动脉直径的2倍以上时，WSS比值明显增加。

Cebral等[3,24]认为血流集中度与动脉瘤的破裂亦相关，80%的破裂动脉瘤有更小的射入区域，集中血流的动脉瘤破裂机会是分散血流的6.3倍。SCI是判断动脉瘤是否会破裂的重要指标，故笔者将SCI作为动脉瘤血流动力学的研究指标，分析动脉瘤和载瘤动脉的相对位置是否会影响SCI。线性逐步回归方程发现，SCI仅与动脉瘤角度有关，角度越大则瘤颈的射入血流越集中于局部瘤壁，SCI值越大。其中动脉瘤角度＞135°时，SCI明显升高。这可能为判断动脉瘤的破裂几率提供参考。

综上所述，血流动力学是由动脉瘤形态以及其与载瘤动脉的关系所决定，WSS与最大瘤颈/载瘤动脉直径有关，SCI与动脉瘤角度有关。

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