基于计算流体力学模拟脑血流流线的微导管塑形在颈内动脉-后交通动脉瘤介入治疗中的应用

许岗勤， 张 冲， 蔡栋阳， 杨博文， 赵同源， 薛绛宇， 李天晓

颈内动脉-后交通动脉瘤约占颅内动脉瘤25%［1］，介入栓塞是重要治疗方式。 微导管塑形是栓塞核心技术， 良好的微导管塑形有利于手术安全进行，并获得满意的栓塞效果［2］。 由于颈内动脉颅内段走行迂曲、动脉瘤朝向各异、瘤颈常伴有后交通动脉，常规行微导管“猪尾、C 形”塑形通常到位困难或到位后不稳定，多需要进行复合弯曲塑形，而且具体形状与手术医师个人经验密切相关，年轻医师学习导管塑形周期较长。 本研究利用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟后交通动脉瘤载瘤动脉及动脉瘤入瘤血流流线图，根据主流线进行微导管塑形，分析微导管到位情况及栓塞时稳定性，以期探索一种新的导管塑形方式，降低颈内动脉-后交通动脉瘤导管塑形技术难度， 提高手术安全性。

1 材料与方法

1.1 患者资料

7 例患者中男4 例，女3 例，年龄（50±6）（38～79）岁。 共7 枚颈内动脉-后交通动脉瘤，均为未破裂囊性动脉瘤，瘤颈均为窄颈或相对宽颈（可行单纯栓塞， 减少因使用支架对栓塞导管产生影响，影响结果判断），动脉瘤平均大小4.7（2～8） mm。本研究经郑州大学人民医院伦理委员会审核通过，患者或家属签署手术知情同意书。 收集患者年龄、性别、基础病史等临床资料及影像学资料。

1.2 微导管塑形和介入治疗

7 例患者介入治疗前均接受全脑血管DSA 造影，载瘤动脉行3D-DSA 检查，明确动脉瘤位置、大小、朝向、形态及与载瘤动脉的关系，并选择合理的工作角度等。 建立CFD 模型和血流流线模型：患者DSA 图像 均 由Artiszee Biplane VC14 DSA 机（Siemens，德国）采集为医学数字成像和通信（DICOM）格式导出，CFD 原始数据采集资料方式参考Gao 等［3］报道方法，重建图像经MeshLab（1.3.3 版）软件修补和去除血管细小分支，立体光刻（STL）格式导出至Harpoon软件（4.3a 版）进行3D 网格化处理，Ansys 软件（20.0 版）设定出入口相关参数，设定血液黏滞系数μ 及血液密度ρ 分别为0.003 45 Pa 和1 050 kg/m3，入口速度根据测定的健康成人志愿者平均入口速度设为0.32 m/s， 出口处压力设为0 Pa。 通过Ensight 软件（9.0 版）对动脉瘤瘤腔和载瘤动脉管腔内Velocity 血流动力学应力色阶量化， 模拟空间内血流流线，保留主流线3D 图像。 根据3D-DSA 数据1∶1 打印动脉瘤中空透明树脂模型， 并根据主流线进行微导管（Headway 17）塑形（微导管头端长度：微导管进入动脉瘤弯曲至动脉瘤瘤顶的2/3 距离），蒸汽熏蒸，然后体外进行微导管到位试验。

患者全身麻醉后，常规全身肝素化，股动脉入路引入6 F 指引导管（血管迂曲患者使用中间导管），置于同侧颈内动脉近颅底段。 根据3D-DSA 重建图像选取最佳工作角度，微导管（Headway 17）头端根据脑血流主流线进行蒸汽熏蒸塑形，微导丝配合下栓塞微导管超选入动脉瘤腔内——导丝将导管导引至颈内动脉眼段，缓慢推送导管，自行进入动脉瘤；导丝将导管导引至动脉瘤远端，回撤微导管，导管弹入瘤腔；导丝进入动脉瘤腔，缓慢跟进导管并进入瘤腔。 根据动脉瘤大小选择合适弹簧圈进行栓塞（宽颈动脉瘤行支架辅助栓塞），造影显示动脉瘤致密栓塞，撤出栓塞导管。

1.3 术后随访

术后3、6、12 个月随访，改良Rankin 量表（mRS）评分评估临床情况； 术后6～12 个月复查MRA 或DSA，观察动脉瘤闭合情况（Raymond 栓塞分级：Ⅰ级为动脉瘤完全栓塞，Ⅱ级为瘤颈残留，Ⅲ级为动脉瘤部分栓塞）。

2 结果

7 枚后交通动脉瘤， 体外模型微导管试验中微导管均能顺利到位，导管到位后推拉微导管头端可稳定于动脉瘤腔内不同位置，头端指向良好。术中6 例微导管经一次塑形顺利到位，1 例因近端血管动脉硬化较重，操作时间较长，导管形态变化，以主血流形态进行二次塑形，导管顺利到位；推送到位5 例，导丝引到远端后回撤到位2 例；栓塞过程中导管稳定，无脱出，均未使用辅助技术；术后即刻动脉瘤完全栓塞6 枚，瘤颈残留1 枚。 无术中破裂出血等微导管操作相关并发症。 所有患者均获得临床随访3～6 个月，7 例mRS 评分均为0 分； 影像随访5 例，4 例完全栓塞，1 例瘤颈残留。 基于CFD 模拟脑血流塑形微导管栓塞颈内动脉-后交通动脉瘤影像见图1。

图1 基于CFD 模拟脑血流塑形微导管栓塞颈内动脉-后交通动脉瘤影像

3 讨论

颈内动脉-后交通动脉瘤因其特殊的解剖学位置，容易生长甚至破裂出血，具有较高的致残致死率［4］。随着介入技术及新型器材的出现，介入栓塞治疗效果和安全性不断提高，逐渐成为颅内动脉瘤主要治疗手段之一［5-6］。动脉瘤栓塞微导管塑形是介入手术的核心技术， 密切关系到手术效果和手术安全。 颈内动脉虹吸段血管多走行迂曲，瘤颈处常有后交通动脉发出，动脉瘤大小、朝向和形态各异，因此术者需根据不同特点对微导管进行各种形状的塑形。 传统微导管塑形主要是术者根据血管3D 图像凭自身经验将微导管塑成大致形状，故带有较强的主观性，导管精准性较差［7］。尤其是对于微导管到位困难的后交通动脉瘤， 术中需反复多次尝试塑形，微导丝强行引导，从而导致反复操作、手术时间长，甚至引起灾难性后果。 国内外学者为改变微导管塑形困难现状做出了诸多努力。 Yamaguchi 等［8］术中将直头导管引入载瘤动脉，头端置于动脉瘤附近并留置5 min， 依靠体温对微导管依据血管形态进行塑形，然后将微导管取出，再根据3D 重建图像对微导管头端进入动脉瘤的最后一个弯曲进行蒸汽塑形，此方法减少术者塑形弯曲的数量，但头端弯曲仍需术者根据经验进行塑形，并没有改变塑形本质，反而增加了手术操作时间。部分学者将3D 打印技术应用于微导管塑形，根据动脉瘤术前影像数据1∶1 打印血管模型或剖面中空模型，体外依据3D模型血管形态进行微导管塑形，或利用计算机软件在血管3D 图像内部人为设定微导管走行路线，然后3D 打印微导管走行路线的形态模型，据此进行塑形等［9-11］。这些技术可使术者更加直观地了解动脉瘤局部解剖结构，以便使动脉瘤栓塞导管塑形更加精准， 然而微导管塑形的本质与传统方法一样，无法摆脱对术者丰富塑形经验的依赖。 有学者3D 打印1∶1 动脉瘤中空模型， 将微导管导入模型内，头端置于动脉瘤内， 然后整体置入50℃热水中热塑形5 min，将导管取出消毒后进行手术［12］。 此方法的塑形思路不同于传统方式， 减少了对手术经验依赖，但其直头微导管沿大弯侧进入动脉瘤，存在较高张力，塑形后可能存在微导管头端调整困难、填塞时张力高等问题，而且术前需将手术微导管提前塑形并熏蒸消毒灭菌，耗时较长，术中微导管塑形后弹性回缩后无法及时再次塑形［13］，不适用于急诊手术及大规模推广。

血流动力学在颅内动脉瘤发生、发展及破裂过程中起十分重要作用，传统动脉瘤塑形方式完全依靠术者手术经验，未考虑与动脉瘤密切相关的血流动力学问题。本研究创新性提出依据CFD 模拟脑血流流线进行微导管塑形方法：先利用CFD 模拟脑血流流线，提取主血流流线3D 图像，根据3D 图像进行微导管塑形， 其完全不同于传统导管塑形方式，摆脱了对术者手术经验的依赖，只需根据3D 主流线图进行1∶1 塑形微导管（塑形后微导管形态）即可，方法简单，塑形精准，到位成功率高，支撑力好，大大降低微导管塑形难度，缩短手术时间，提高了手术成功率和手术安全性。 本组患者术前体外模型试验验证了导管塑形的精准性，并提供了导管头端于瘤腔的位置信息，使得术中更加从容；术中微导管到位顺利，头端位置良好，填塞动脉瘤时导管头端指向良好、位置稳定，便于调整，手术时间大大缩短，安全性得以提升。

综上所述，依据CFD 模拟脑血流流线进行微导管塑形是微导管塑形新思路，可降低微导管塑形难度，缩短手术时间，提高手术成功率和安全性。但是由于样本量较少，且仅对于颈内动脉-后交通动脉动脉瘤进行研究，需要大样本量研究数据及复杂病例进一步证实此思路的可行性和可靠性。