支架孔率对模拟乙状窦憩室内血流动力学的影响

杨开兰，金 龙*，乔爱科，王斯睿，韩燕京，杨泽冉

(1.首都医科大学附属北京友谊医院放射介入科，北京 100050；2.北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京 100124)

血管腔内介入是治疗乙状窦憩室相关搏动性耳鸣(pulsatile tinnitus， PT)的重要方法。既往研究[1-2]初步证实单纯支架植入术可用于治疗PT。乙状窦憩室内涡流形成是诱发PT的重要因素[3]，但目前罕见关于支架植入治疗乙状窦憩室相关PT血流机制的研究，支架孔率对血流的影响亦不明确。本研究基于计算流体力学(computational fluid dynamics， CFD)方法构建理想化乙状窦憩室血流动力学模型，对比不同孔率支架植入前后乙状窦憩室内血流动力学变化，探讨支架孔率对模拟乙状窦憩室内血流动力学的影响。

1 材料与方法

1.1 构建理想化血管模型 在实体造型软件Solidworks 2018中构建理想化(无支架)乙状窦憩室模型S0(图1)：依据乙状窦生理弯曲特性，将横窦-乙状窦血管模型简化为近“S”形走行的三维管状结构，直径8 mm，横截面为圆形。乙状窦憩室位于血管第1个曲段的外侧壁，其附近血管曲率为10 mm。乙状窦憩室颈口直径为4 mm，憩室高度为7 mm。乙状窦憩室上游静脉窦血管长度为70 mm，下游静脉窦血管长度为30 mm。

1.2 构建及虚拟植入支架模型 在Pro-Engineer软件中设计矩形截面网格型支架，保持支架丝厚度为0.1 mm，改变支架丝宽度和网孔大小，构建网孔率分别为75%、50%、25%的3种不同支架(图2)。将支架模型在实体造型软件Solidworks 2018中进行变形折弯处理，并与血管模型进行布尔运算，得到血管支架装配模型(植入孔率75%、50%、25%支架的模型分别对应S1、S2、S3)。为减少计算流体力学数值模拟计算量，仅保留支架覆盖乙状窦憩室颈口的部分。

1.3 CFD数值模拟 将4种模型(图3)导入商用软件ANSYS Workbench 18.0进行网格划分。每个模型均设定为非结构化四面体网格单元，逐次尝试加大网格数量以降低网格数量对计算精度的影响，当乙状窦憩室同一位置点的速度前后分析相对误差小于1%时，认为所划分的网格精度满足要求。最终S0、S1、S2、S3模型的网格数量分别为633 700、1 490 252、1 605 958及1 748 893个。

条件设定：血管管壁设为无渗透、壁面无滑移的刚性壁，血液设为不可压缩、各向同性的牛顿流体。血液流动设为定常、绝热的层流，血液密度为1 050 kg/m3，血液动力黏度为0.003 5 Pa/s。根据正常人体硬脑膜静脉窦血流速度[4]，血液入口速度边界条件设为0.18 m/s，出口压力边界条件为0。

基于上述设定条件，本研究所用模型的血液流动遵守质量和动量守恒定律，即连续方程和Navier-Stokes方程。应用ANSYS Workbench 18.0软件中的CFX模块进行数值模拟，对比分析不同孔率支架植入前后乙状窦憩室内血流动力学参数变化，包括速度流线、平均速度、压力和壁面切应力(wall shear stress, WSS)。

2 结果

2.1 支架孔率对血液流动的影响 在无支架植入模型S0中，血流直接冲击乙状窦憩室颈远侧进入憩室内，沿顺时针方向在憩室内形成复杂涡流，最后从憩室颈近侧流出，憩室内流线多而紊乱；植入支架后，乙状窦憩室内血流涡流随支架孔率降低而逐渐减少。植入孔率75%的支架后，乙状窦憩室内流线减少但并不显著；植入孔率25%的支架后，乙状窦憩室内几乎无流线分布。

图1 理想化乙状窦憩室模型 图2 支架模型 A～C.分别为孔率75%(A)、50%(B)、25%(C)的支架

血流速度最大值始终位于乙状窦憩室远侧壁附近；见图3。S0、S1、S2、S3模型乙状窦憩室内血流速度分别为12.65、4.68、2.20及0.41 mm/s，相对于S0模型，S1、S2、S3模型血流速度分别降低了63.00%(7.97/12.65)、82.61%(10.45/12.65)和96.76%(12.24/12.65)。

当乙状窦憩室内血流速度为0.05 m/s时，植入支架前乙状窦憩室远侧壁受到血流明显冲击，植入支架后血管内血流只能沿支架孔隙进入憩室，且支架孔率越低，乙状窦憩室远侧壁受冲击面积越小，越能起到保护乙状窦憩室的作用，见图4。

2.2 支架孔率对血流动力学应力条件的影响 在无支架植入模型S0中，乙状窦憩室远侧壁因受较大速度血流冲击出现局部高压力区和高WSS区，且压力及壁面切应力最大值均位于憩室颈周围。植入支架后，乙状窦憩室远侧壁异常的高压力区、高WSS区面积逐渐减小，整个憩室内壁压力、WSS分布趋于均匀。随着支架孔率降低，乙状窦憩室低WSS区面积逐渐增大，S2与S3模型整个憩室几乎均为低WSS。S0、S1、S2、S3模型乙状窦憩室内压力分别为64.04、63.86、62.54及60.95 Pa。见图5、6。

3 讨论

3.1 乙状窦憩室相关PT的研究现状 PT是指在缺乏外界声源刺激下，患者耳内或颅内感觉到的具有节律的异常声音，严重耳鸣使患者产生焦虑、抑郁情绪甚至自杀倾向。治疗乙状窦憩室相关PT的主要方法包括：①经乳突入路乙状窦骨壁重建术，临床应用广泛，但在操作过程中有损伤血管壁造成出血和使静脉窦回流受阻继发颅内高压的风险[5]；②血管腔内介入治疗，包括弹簧圈栓塞术和支架植入术，具有微创、手术成功率高、术后并发症发生率低和恢复快等优点[6]。目前认为乙状窦憩室内涡流形成是导致PT的基础[3]，推测外科手术或血管腔内介入治疗可通过消除憩室内涡流而达到治疗目的。单纯支架植入术治疗乙状窦憩室相关PT效果较好，但其具体血流动力学机制尚不清楚。明确支架孔率对乙状窦憩室内血流动力学状况的影响，对于优化PT临床治疗决策具有重要意义。

图3 乙状窦憩室内血流速度流线图 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型 图4 乙状窦憩室内血流速度等值面图(速度为0.05 m/s，红色部分为速度等值面) A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型

图5 乙状窦憩室内压力分布云图 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型 图6 乙状窦憩室内WSS分布云图 A.S0模型； B.S1模型； C.S2模型； D.S3模型

3.2 血流动力学研究方法的选择 CFD是对计算机技术构建的个体化或理想化模型进行血流动力学数值模拟的研究方法，具有操作方便、成本低、周期短等优点，已被广泛用于临床研究血管性疾病。人体硬脑膜静脉窦几何构型复杂，走行纡曲，支架虚拟植入个体化乙状窦憩室模型具有一定难度。本研究通过对真实的乙状窦几何形态进行简化，构建出具有生理解剖特点的理想化乙状窦憩室模型，以便于虚拟植入支架。理想化血管模型弱化甚至去除了真实血管的一些形态特征，在血流动力学定量分析方面具有一定局限性，但可定性分析支架孔率对乙状窦憩室内血流动力学影响的变化趋势。

3.3 血流动力学比较

3.3.1 血液流动变化 本研究结果显示，植入支架前，血流直接冲击乙状窦憩室颈远侧进入憩室，沿顺时针方向在憩室内形成复杂涡流，从憩室颈近侧流出，且憩室内血流速度较快，与Amans等[7]报道的5例个体化乙状窦憩室内血流动力学表现一致，提示本研究所用理想化乙状窦憩室模型计算流体力学数值模拟具有较高的可靠性和准确性。植入支架后，血管内的血流只能通过支架孔隙进入乙状窦憩室，对乙状窦憩室颈远侧壁的冲击减少。Li等[8]认为乙状窦憩室颈远侧壁长期受高速血流冲击可继续生长，邻近乙状窦沟骨质也会吸收变薄甚至缺损。笔者认为通过植入支架减少血流对乙状窦颈远侧壁的冲击，可在一定程度上避免乙状窦憩室的继续扩张及乙状窦沟骨质吸收，对预防PT病情进一步加重具有重要意义。

植入支架后，乙状窦憩室内血液涡流明显减少，流线变少而简单，且支架孔率越低，憩室内血液涡流越少，流线越简单；乙状窦憩室内血流速度减慢，植入孔率为75%、50%、25%的支架后，乙状窦憩室血流平均速度分别降低了63.00%(7.97/12.65)、82.61%(10.45/12.65)和96.76%(12.24/12.65)。Han等[9]分析1例上游静脉窦狭窄伴乙状窦憩室PT患者支架成形术前后静脉窦内血流动力学改变，认为上游静脉窦狭窄和乙状窦憩室导致的血液涡流是引发PT的重要原因。本研究结果提示低孔率支架可有效减少乙状窦憩室内血液涡流，从而减轻或消除PT；低孔率支架可显著降低憩室内血流速度，减少血管与憩室之间的血流交换，起到隔离憩室的作用，并利于憩室内血栓形成[10]。

3.3.2 血流动力学应力变化 研究[11]报道，血管分叉处顶端或弯曲血管外侧壁具有异常高的血流动力学应力，即高压力及高WSS，可导致外向血管重塑，这也解释了乙状窦憩室常见于横窦-乙状窦交界前、外侧壁的原因[12]。本研究构建的理想化乙状窦憩室模型近似乙状窦生理弯曲特性，进行CFD数值模拟后发现乙状窦憩室颈远侧壁压力及WSS较高，提示该部位承受较强血流冲击。植入支架后，乙状窦憩室内压力值无显著改变，但乙状窦憩室远侧壁的高压力及高WSS区面积随支架孔率降低而明显减小甚至消失，憩室内压力及WSS分布趋于均匀，提示植入支架可改善乙状窦憩室壁血流动力学应力条件，对预防乙状窦憩室继续发展有一定作用。WSS是影响血栓形成的重要因素，高WSS通过促进前列环素生成和一氧化氮释放抑制血栓形成[13]。植入低孔率支架后，乙状窦憩室WSS显著降低，利于憩室内血栓形成并闭塞异常的乙状窦憩室。

本研究结果表明低孔率支架能明显改善乙状窦憩室内血液流动和血流动力学应力条件，但真实临床情况复杂，单纯降低支架孔率并不能提高疗效。在纡曲复杂的血管中，低孔率支架的柔顺性差；金属覆盖率高，易诱发过度的血管内膜增生反应，导致术后再狭窄风险提高。解决上述问题有赖于材料学上的进一步突破以及合理设计支架参数。在今后应细化支架孔率梯度并进行定量分析，着眼于支架构型、网丝截面、直径等其他支架参数及个体化乙状窦憩室模型血流动力学，为优化设计临床适用的静脉窦支架提供依据。