基于曲率的破裂腹主动脉瘤计算流体力学研究

滕碧云， 王 哲， 周治军， 赵 渝

腹主动脉瘤（abdominal aortic aneurysm， AAA）一旦发生破裂，病死率可高达80%［1］。目前研究显示AAA 直径在男性达到55 mm， 女性达到50 mm，或发展速度为8.0 mm/年，或出现腹痛等症状，可考虑先兆破裂或破裂，予以手术干预修复［2-4］。 但也存在较大直径动脉瘤保持完好，而直径较小动脉瘤破裂的报道［2-3］。 可见仅以动脉瘤直径预测AAA 破裂有一定局限性。 计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）及血流动力学参数在动脉瘤发生、发展及破裂方面有一定作用［5］。本文围绕AAA 血流动力学和曲率等AAA 破裂因素进行差异性及相关研究。

1 材料与方法

1.1 患者选择和数据收集

选取2019 年10 月至2020 年12 月于重庆医科大学附属第一医院住院治疗的AAA 患者。 纳入标准： 经CTA 明确诊断为AAA。 排除标准： 肾上AAA，创伤性/结核性/多发性AAA，大动脉炎，无CTA影像资料。

收集AAA 患者人口统计学信息（性别、年龄、入院时血压、既往病史等）及入院时以医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式保存的CTA 图像资料。

1.2 建立三维几何模型

将AAA 患者CTA 导入Mimics Medical 20.0 逆向工程处理软件进行三维图像生成和编辑处理。 采用灰度图像阈值工具分割AAA，从肾下主动脉瘤体上2 cm 至髂外起始段截取图像， 排除动脉小分支以降低几何形状的复杂性，测量患者特定模型的瘤体最大直径、瘤颈直径和曲率（弯曲程度）（图1）。三维平滑重建模型， 以立体光刻（stereolithography，STL）文件格式输出。

图1 AAA 三维成像与解剖学数据测量

1.3 建立网格模型

采用Mimics 自带软件3-Matic 对三维几何模型进行优化处理，消除对分析结果不造成影响或影响较少的小细节部分。 采用Ansys 15.0 有限元分析软件中基于栅格理论的三维六面体网格法进行自动划分设置。

1.4 有限元分析

采用Ansys Fluent 15.0 CFD 软件求解器中有限体积法， 求解瞬态条件下流体运动Navier-Stokes方程和连续性方程。 假设血液是具有牛顿特性的不可压缩流体，其恒定的动态黏度和血液密度分别为ρ=1.050 g/cm3和μ=0.003 5 Pa/s［6］；血管壁为非线性、各向同性超弹性材料，密度2 g/cm3，弹性模量2.7 MPa，泊松比0.45［7］。 计算过程中入口条件为特定的流速曲线，流速值为0.8 m/s，入口边界压力为140 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），而出口边界应用零扩散流量边界的条件外流［8］。通过CFD 模拟和有限元分析生成壁剪切应力（wall shear stress，WSS）值和图像（图2）。

图2 AAA 的WSS 图像

1.5 数据分析

采用SPSS 26.0 软件对数据进行统计学分析。正态分布的计量资料以±s 描述， 组间比较用独立样本t 检验， 计数资料比较用精确Fisher 检验，组内比较用配对样本t 检验，相关性分析用Pearson相关分析法； 非正态分布的计量资料以中位数（4 分位间距）表示，组间比较用Mann-Whitney U 检验，组内相关性分析用Spearman 相关分析法。P＜0.05为差异有统计学意义。 采用R 语言（2020）中“Performance Analytics”、“Forestplot” 包对分析结果进行可视化。

2 结果

共纳入35 例AAA 患者，其中瘤体破裂13 例，未破裂22 例。 两组患者临床基线资料差异无统计学意义，见表1。 单因素logistic 回归分析显示瘤体最大直径是AAA 独立危险因素（OR=1.095，P=0.003），见图3。

表1 AAA 患者临床基线资料

图3 AAA 患者单因素logistic 回归分析结果

相关性分析结果显示，瘤体最大直径与瘤颈直径呈负相关（r=-0.732，P＜0.01），与曲率呈正相关（r=0.492，P=0.003）。 通过绘制相关性矩阵图，可直观看出瘤体最大直径、 瘤颈直径及曲率的相关性（图4）。

图4 瘤体最大直径、瘤颈直径、曲率相关性矩阵图

对比分析结果显示，破裂组瘤体破裂处WSS 均值为0.025（0.049/0.018） Pa，比最大血流冲击处WSS 0.549（0.839/0.492） Pa 显著降低，差异有统计学意义（P=0.001）； 未破裂组瘤体最大血流冲击处WSS 均值为（1.378±0.255） Pa，显著大于破裂组（P＜0.01），表明AAA 破裂更易发生在低WSS 区域， 而不是高WSS 区域；两组瘤体最大直径、曲率比较，差异均有统计学意义，见表2。

表2 破裂组与未破裂组对比分析结果

血流动力学流线图显示，瘤体入口处血流为顺行层流，流速较快，随着管腔增大出现低流速湍流及环形涡流，而瘤体出口直径缩小，血流受阻，逆向血流反向作用于瘤体，出现远端瘤体流速高于近端瘤体现象， 但瘤体内流速仍低于瘤体入口和出口处，见图5。

图5 AAA 血流速度流线图

3 讨论

目前临床上以瘤体最大直径为动脉瘤主要手术或介入标准，对于未达到标准的动脉瘤，建议随访观察至符合手术要求、有临床症状或破裂，但瘤体直径并非瘤体破裂的唯一因素。 因此，需有更可靠的方式及时评估AAA 风险、预测瘤体破裂，减少病死率。

在解剖因素方面， 许多参数影响着AAA 血流动力学结果，进而对其破裂和扩张率估计有重要意义［9］。 Jing 等［10］研究评估动脉瘤血管壁外科检查结果及WSS 作用， 发现血管壁厚度与WSS 相关。Nieto-Palomo 等［11］研究认为，AAA 不对称性与血流动力学应力间不对称性相关， 从而影响了瘤体破裂。 本研究发现35 例AAA 患者瘤体最大直径与瘤颈直径呈负相关。 近年关于瘤体最大直径与瘤颈相关性研究较少，有不同研究认为瘤体最大直径与瘤颈直径呈弱正相关［12-13］。 也有研究表明近端瘤颈直径与瘤体最大直径无相关性［14］。 本研究结果与之不同，可能与样本量及瘤体大小差异等有关。Armon 等［15］研究认为动脉瘤直径＞7 cm 时，近端瘤颈随着瘤体大小增大而加宽。

本研究还发现瘤体最大直径与曲率呈正相关，直径、曲率增加和WSS 降低更易引起AAA 破裂。曲率随着最大直径增大而增大，瘤体出现复杂的血流模式， 涡流形成， 血流速度和壁面强度随之降低。WSS 为血流与血管壁的摩擦力，血流速度降低导致WSS 下降。 随着壁面强度降低，动脉瘤直径、曲率随之增大，WSS 随之减小，相互影响形成恶性循环，加重AAA 破裂风险。 血流射流冲击区高WSS 可破坏可触发壁细胞介导的破坏性重塑，与动脉瘤发生有关［16］；暴露于低WSS 的血管平滑肌细胞，触发促炎和促氧化细胞表达模式，降低细胞活性［17-18］，促进血管内斑块形成，从而阻碍血管内皮细胞从血流中获取营养，导致动脉壁结构蛋白破坏，增加AAA 破裂风险［19］。

当然，腔内血栓也影响AAA 扩张和破裂［6，20-21］。有研究认为血栓存在会增加AAA 瘤壁压力和缺氧可能，引起其发生退变，进而强度降低，以致破裂［22-23］。 但也有研究显示腔内血栓通过降低壁压力提供保护性生物力学优势， 使主动脉壁不再直接暴露于低而振荡的WSS 中， 减少AAA 破裂风险［24-25］。

本研究存在一些局限， 对AAA 血流动力学模型血管壁、血流速度、血液黏度等做出一定假设，可能掩盖了不同个体不同部位血管壁厚度、血流流速流量不稳定性及血液黏度对其他参数的影响。 无法准确得知WSS 降低是导致AAA 破裂的原因还是结果，且患者数量较少，需要扩大样本量，纳入更多患者参数进行分析，以验证几何因素、血流动力学参数及AAA 破裂间相关性，并深入探索影响AAA 破裂的因素及所起的作用。