数值模拟技术预测颈动脉支架植入术治疗颈动脉重度狭窄效果

张 娅，宗会迁，王 萌，魏昊业，杨 存

(1.河北医科大学第二医院医学装备部，2.神经外科，河北 石家庄 050000)

缺血性脑卒中为全球常见疾病，严重威胁人类健康，且与颈动脉狭窄程度密切相关[1-2]。颈动脉支架植入术(carotid artery stenting, CAS)创伤小，术后患者恢复快，已成为治疗颈动脉狭窄、降低缺血性脑卒中风险的有效措施[3]。血流动力学参数有助于术前评估支架治疗效果，减少不必要的支架植入[4]。有学者[5-6]采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法建立血管模型，模拟颈动脉狭窄及支架植入，分析相关血流动力学参数，寻找影响动脉粥样硬化的关键因素。本研究基于颈动脉狭窄CT血管成像(CT angiography, CTA)构建颈动脉支架植入前、后的三维模型，观察血流动力学变化，以期实现术前评估CAS治疗颈动脉狭窄效果，为临床提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料 图像来源于2019年11月河北医科大学第二医院1例因颈内动脉狭窄而拟接受颈内动脉支架植入术的57岁女性患者。以Philips iCT机采集970幅头颈部CTA图像，见右侧颈内动脉分叉处管壁混合斑块影，且管腔重度狭窄(70%以上)，右侧颈外动脉分叉处管腔轻度狭窄，颅脑CT未见明显异常。

1.2 颈动脉三维重建及模拟数值 采用Mimics、Geomagic、Solidworks软件构建模拟CAS前、后血管模型。首先根据颈动脉CTA于Mimics软件中重建原始颈动脉狭窄模型，获得点云格式模型；之后采用Geomagic软件对模型进行修复转换，构建实体模型；最后采用Solidworks软件进行编辑修改，并手动于狭窄部位构建支架模型，以模拟CAS，设定支架模型长度覆盖颈动脉狭窄段，其两端均超出狭窄区域，直径略大于颈动脉正常直径。见图1。

图1 模拟颈动脉分支模型 A.模拟CAS前，右侧颈内动脉起始处重度狭窄，右侧颈外动脉起始处轻度狭窄； B.模拟CAS后，右侧颈内动脉起始处狭窄获得明显改善

1.3 血流动力学分析 分别计算模拟CAS前、后颈动脉分支模型的血流动力学参数。采用ANSYS FLUENT软件对颈内动脉流体域进行网格划分，行网格无关性分析，确定建立模型所需网格数(表1和图2)；之后设置模型材料属性，血液为不可压缩牛顿流体，密度1 020 kg/m3，黏度0.003 5 kg/ms，刚性壁面无滑移，入口速度1 m/s，出口压力为0 Pa[5]；最后根据纳维-斯托克斯动量[公式(1)]及质量守恒连续方程[公式(2)][5]进行500次稳态迭代计算，以收敛结果，并获得模拟CAS前、后颈动脉血流速度、血流量及壁面切应力等血流动力学参数，计算血流灌注比[公式(3)和(4)]。

图2 颈动脉分支模型网格划分 A.模拟CAS前； B.模拟CAS后； C.血管模型横截面图

表1 模拟CAS前、后颈动脉分支模型网格数量

(1)

∇v=0

(2)

F为作用在单位质量流体上的体力，ρ为流体密度，P为应力张量，v为流体速度，t为时间，μ为动力黏性系数，∇为拉普拉斯算子。

(3)

PP为颈内动脉与颈外动脉血流灌注比，Pinner为颈内动脉出口血流量，Pexternal为颈外动脉出口血流量。

(4)

AP为颈内动脉与颈总动脉血流灌注比，Pinner为颈内动脉出口血流量，Pexternal为颈外动脉出口血流量。

2 结果

2.1 速度流线图分析 模拟CAS前，颈内动脉和颈外动脉狭窄处血流速度较高，最高达4 m/s，且狭窄处出口及颈内动脉起始处(即颈动脉窦)存在涡流；模拟CAS后，颈内动脉狭窄及颈动脉窦涡流均消失，颈外动脉仅存在轻度狭窄及涡流，颈内动脉和颈外动脉血流速度均明显下降。见图3。

图3 颈动脉分支模型血流速度流线图 A.模拟CAS前； B.模拟CAS后

2.2 速度矢量图分析 模拟CAS前，颈内动脉狭窄段出口处血流出现流动分离，即一侧呈喷射状、血流速度明显增加，另一侧为血流低速区，存在二次流现象，形成回流及涡流；颈外动脉狭窄处亦见类似现象，但程度较轻。模拟CAS后，颈内动脉血流恢复正常轴向对称性，管腔中心血流速度较快，靠近管壁处较慢，回流及涡流均消失；颈外动脉流动分离、二次流、回流及涡流现象均有所改善。见图4。

图4 颈动脉分支模型血流速度矢量图 A.模拟CAS前； B.模拟CAS后

2.3 壁面切应力图分析 模拟CAS前，狭窄段血流流速较快处壁面切应力较高，超过200 Pa，而血流低速处和回流处壁面切应力较低，低于10 Pa。模拟CAS后，狭窄段壁面切应力降低，整体分布较均匀，其中颈外动脉狭窄处壁面切应力仅稍降低。见图5。

2.4 壁面压力图分析 模拟CAS前，狭窄段及其出口壁面压力较低，局部血流冲击处壁面压力较高，壁面压力分布不均；模拟CAS后，颈内动脉狭窄段及其出口壁面压力升高，整体分布较均匀，颈外动脉狭窄段及其出口壁面压力有所上升，但仍存在负压。见图6。

图6 颈动脉分支模型壁面压力图 A.模拟CAS前； B.模拟CAS后

2.5 血流灌注比 模拟CAS前，颈内、颈外动脉出口血流量分别为1.13 ml/s和3.35 ml/s，颈总动脉入口血流量为4.48 ml/s，PP=0.34，AP=0.25；模拟CAS后，颈内、颈外动脉出口血流量分别为3.12 ml/s和1.95 ml/s，颈总动脉入口血流量为5.07 ml/s，PP=0.63，AP=0.62。

3 讨论

对于影像学检查证实颈动脉狭窄达70%并有明确症状和体征者，以及颈动脉狭窄大于70%且可无明显症状者，可在评估手术获益及风险前提下考虑行CAS治疗[7]；但CAS后颈动脉血流动力学改变可诱发再狭窄、血栓形成、粥样硬化或栓塞等，部分患者可因血流灌注下降而致脑血流量不足[8-9]。术前预测CAS治疗效果有助于使术后颈动脉血流动力学参数值位于合理范围内，提高治疗有效性及安全性。

采用CFD可获得临床难以直接测量的血流动力学参数，定量评估CAS治疗颈动脉狭窄后血流灌注，有助于预测CAS疗效[10-12]。既往研究[13]结果显示，颈动脉入口血流量为250～380 ml/min。本例模拟CAS前颈总动脉入口血流量为4.48 ml/s，模拟CAS后为5.07 ml/s，血流量有所改善，且与上述研究结果标准相符。UEMIYA等[14]采用CFD方法计算CAS治疗颈动脉狭窄前、后血流动力学变化，结果显示再狭窄组颈内动脉血流量与颈总动脉血流量之比为43.5%，而无再狭窄组则为68.6%。本例模拟CAS前PP和AP分别为0.34和0.25，模拟CAS后分别为0.63和0.62，提示CAS后颈动脉血流灌注可获得明显改善。

动脉粥样硬化为动脉内膜炎症及脂肪物质沉积所致，壁面切应力和壁面压力与其发病密切相关。血液流动可产生平行于血管管壁的壁面切应力，流速减慢时壁面切应力减小，此时易发生血脂沉积、血小板凝聚而形成斑块，壁面切应力减小所致血液流动分离、涡流及回流等与斑块形成有关[15]；而壁面切应力过高则可损伤内皮细胞，导致斑块破裂、血栓形成，干扰动脉血流动力学[16]。血流冲击血管壁可产生壁面压力，狭窄处壁面压力随入口血流速度增大而减小，壁面压力过低可造成血流动力不足，颈内动脉血流量减少可致脑供血不足而引起缺血性脑卒中；壁面压力过高则可损伤内皮细胞。动脉粥样硬化造成管腔狭窄，狭窄处血流易致动脉壁内层破裂；此时血液在壁面压力作用下冲击动脉壁，可形成动脉夹层及动脉瘤等[17]。OUARED等[18]观察采用虚拟支架治疗颈动脉瘤后的颈动脉血流动力学变化，发现其平均流速、壁面切应力和壁面压力均有所下降。SCHIRMER等[5]报道，以CAS治疗颈动脉狭窄后，原狭窄处的涡流消失，层流恢复，植入支架处动脉壁面切应力降至接近正常水平。BERG等[19]评估2例因动脉瘤而接受支架治疗患者，发现虽然其病情相似，但治疗结果差异较大，故认为植入支架治疗不一定能够达到预期效果，有效治疗的关键在于使血流动力学参数恢复正常范围。本研究模拟CAS后，颈内动脉狭窄消失，涡流明显减少并恢复层流，相关血流动力学参数均有所改善，颈内动脉狭窄段壁面切应力降低且壁面压力分布较均匀，PP为0.63，AP为0.62，提示CAS可获得良好的治疗效果。

本研究的主要不足：①建立三维模型时未考虑支架的几何结构及支架材料对疗效的影响，未对支架进行优化设计；②仅针对1例患者，有待扩大样本量进一步观察。

综上所述，采用数值模拟技术可于术前预测CAS治疗重度颈动脉狭窄的疗效。