基于MRA的椎动脉瘤血流动力学仿真分析

陈晓琴，陈广新，张海峰，黄伟

牡丹江医学院，黑龙江 牡丹江 157011

0 引言

椎动脉瘤是椎动脉管壁局部发生病理性改变及异常管腔扩张导致的瘤样形成，较多发且损伤程度严重，多见于血管壁变薄伴形态异常[1]。椎动脉瘤破裂时会造成蛛网膜下腔出血，致死率较高，若初次出血未引起重视且未采取及时有效治疗措施，一般三周内部分患者将发生再次出血，极大提高该病致残率与死亡率；除此之外，小部分患者存活后因脑血管痉挛等伴随改变影响神经、语言及运动等基本功能，生活质量明显降低[2-3]。椎动脉瘤未破裂时，若瘤体体积较小，患者无明显表现，随瘤体体积增大，对周围血管及脑实质出现推移挤压侵袭等情况，此时患者可出现神经系统等相关症状，如头晕头痛等。目前动脉瘤产生的确切机制尚不清楚，主要分为血管、后天环境及血流动力学三方面因素[4]。血管方面，大多数学者认为动脉瘤形成多与血管本身管壁组成层次及血管壁相关功能有关，如椎动脉管壁内膜组成部分较薄，其厚度为颅外相同直径血管的2/3[5]。后天环境因素多与动脉粥样硬化、感染、创伤及炎症有关，血管管道闭塞、血栓形成或栓塞、手术等其他情况造成的颅脑异常损伤及机体本身免疫保护机制下血管壁的部分破坏改变，这些情况导致动脉管壁结构不完整及形态改变，形成异常瘤样扩张，最终发生发展为不完全及完全破裂[6]。血流动力学方面，如血流速度流线、壁面切应力（wall shear stress,WSS）、震荡剪切系数（oscillatory shear stress,OSI）,梯度震荡数值（gradient oscillatory number,GON）等能具体描述血管内部血流情况，更为直接与清晰，并且无创，在原有扫描层面上进行后处理操作分析[7]。

本文以真实患者椎动脉MRA扫描图像为基础，重建椎动脉个体化血管模型，应用数值模拟对椎动脉瘤患者模型进行血流动力学参数分析，采用各种后处理软件继续提取真实患者的椎动脉瘤患者的血流动力学特征，预测、分析动脉瘤形成的危险因素。

1 材料与方法

1.1 数据采集

采集2016年10月-2021年10月牡丹江医学院附属红旗医院放射科20例左侧椎动脉瘤及20例正常椎动脉患者MRA图像数据与临床报告数据，诊断结果经两名诊断医师复核。所有患者或患者授权委托人均经伦理委员会审查及签署知情同意书。

1.2 椎动脉模型的三维重建

将医院系统DICOM格式数据分类处理，导入MIMICS软件（比利时，Materialise公司）进行初步模型处理工作，采用阈值分割，对椎动脉血管模型进行裁剪，利用原始图像数据灰度值不同的特点将椎动脉血管与其他颅内组织结构进行区分，得到感兴趣区域，初步获得粗糙血管模型，通过三维计算等算法模式创建椎动脉三维模型，导入3-MATIC软件（比利时，Materialise公司）中进行多余血管去除，对粗糙血管模型进行适度光滑，并对血管出入口平面进行裁剪处理，以STL格式进行导出，为后续网格划分进行准备。

1.3 模型网格划分

将椎动脉STL文件格式导入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美国）软件，为保证最终结果准确度，对模型均采取6层边界加密处理，定义两个入口、四个出口及血管壁，先后进行模型面及体网格的划分，给定后续边界条件设定，并且也有利于后处理分析计算。

1.4 设定边界条件及血流数值模拟

常规情况下，心动周期内不同时刻血管内部的血流速度及血管壁受到的管壁压力均不同，故本次实验采用速度入口及压强出口，同时假定血管管壁材料属性为刚性，血管本身无外渗，血管内部血液设定属性为牛顿液体，暂不考虑能量传递情况[2]。入口速度曲线如图1，出口压强情况如图2。为使计算结果为收敛状态，本次实验计算三个心动周期，取最后一个计算周期进行数据分析处理。

图1 速度入口曲线

图2 压强出口曲线

1.5 数值模拟结果参数选取

本文选取血流速度流线、WSS、OSI及GON四项血流动力学指标参数进行描述分析。

2 结果

2.1 血流速度流线图

如图3所示，椎动脉瘤组整体血流速度较正常组稍低。椎动脉瘤组左侧椎动脉血流速度较右侧稍低，且瘤体处可见血流流入，呈涡流改变，右侧椎动脉近基底动脉汇合处血流速度增高。基底动脉段血流紊乱，血流速度值波动范围较大，呈持续涡流前进。正常椎动脉组血流平稳，表现为均匀层流状态，未见明显紊乱及涡流等血流异常情况。

图3 血流速度图

2.2 血管壁剪切应力图

如图4所示，椎动脉瘤组动脉瘤瘤处表现为较低WSS值，且在右侧椎动脉段可见高低WSS值间断式分布，以近汇合处明显。正常椎动脉组WSS值均无较大波动，且各血管区域WSS值在正常范围内，未见异常增大或减小区域。

图4 血管壁剪切应力图

2.3 震荡指数图

如图5所示，椎动脉瘤组双侧椎动脉均可见部分较高OSI值，且动脉瘤处可见片状增高区域，双侧椎动脉汇合处及基底动脉段均可见部分高OSI区域。正常椎动脉组OSI值均位于较低范围，在基底动脉汇合处表现出点片状高OSI值。

图5 切应力震荡指数图

2.4 梯度震荡数值图

如图6所示，椎动脉瘤组与正常椎动脉组在基底动脉段均表现为波动高GON值。正常椎动脉组余区域均较椎动脉瘤组数值低，动脉瘤组左侧椎动脉呈现为小片状高GON值区域，以瘤体附件及瘤体本身最突出，且在双侧椎基底动脉汇合处即分叉处表现为高GON。

图6 梯度震荡数值图

3 讨论

3.1 不同椎动脉组血流速度流线结果比较

血流正常状态为均匀层流，当该状态被破坏时，产生高速或极低速血流，将会对血管壁造成不同程度的损伤，以血管分叉处最明显[8]。当血流状态紊乱时，血液中的血管破坏因子将被运送至血管壁边缘，与管壁成分进行摩擦接触，对管壁进行损伤。当血管壁破损后，将极大促进炎症反应的发生，造成恶性循环[9-10]。如图3所示，动脉瘤体较对照组表现为血流紊乱伴血流速度缓慢瘀滞，且双侧椎动脉血流速度相差较大，为速度不对等表现，这可能是造成产生的原因，异常状态血流持续对血管壁进行撞击，极大促进动脉粥样硬化发生发展及动脉管壁损伤。

3.2 不同椎动脉组血管壁剪切应力结果比较

WSS在生物力学方面可理解成血液在流动过程中对血管壁的摩擦力，其数值与接触两物体之间速度差异密切相关，多为正比关系。目前认为较小的WSS值与内皮细胞的炎性改变及后续血小板的沉积有关[11-12]。如图4所示，动脉瘤及瘤体周围血管较对照组均表现为较低的WSS值，表示瘤体本身及邻近血管内部血液流动慢，速度强度低，更有利于红细胞、血小板等成分由血流中心向血管壁边缘层面流动，使动脉瘤壁附着部分血管壁损伤因子，造成管壁组织受损，最终丧失管壁正常功能。

3.3 不同椎动脉组振荡剪切指数结果比较

OSI描述的是血流方向随时间变化的情况，多用来衡量WSS方向变动情况[13]。OSI数值范围多在0～1之间波动，当OSI为0时即该心动周期内血流流动方向稳定且未见异常情况发生，当OSI数值为1时即血流方向紊乱，甚至出现湍流反流等情况[14-15]。由图5可知，动脉瘤即瘤底区域较对照组OSI数值较高，表明该区域的血流波动较大，血流情况不稳定，易导致血管损伤因子产生，且对瘤体血管冲击极大，增大动脉瘤破裂风险。

3.4 不同椎动脉组梯度振荡数值结果比较

GON表示血液流动过程中震荡及压缩的情况，为目前心动周期内血液与内皮细胞的作用程度[16-17]。血管壁具有高GON值时代表此区域内血流流动角度的改变，多与入射角度有关[18-19]。如图6所示，动脉瘤体及左侧椎动脉较对照组均表现为高GON值，表示该区域具有较大程度的血流震荡情况及血管压缩改变，涡流血流进入动脉瘤后对瘤体内部进行撞击，造成局部血管壁异常压力改变，最终使瘤体产生扩张膨胀。

4 结论

（1）以MRA图像为基础的数值模拟技术可以重建个体化椎动脉血流动力学模型，可预测、分析动脉瘤病变形成危险因素；

（2）椎动脉瘤形成可能与低速湍流、低WSS、高OSI及高GON有关。

5 局限性与不足

本文以真实患者图像为基础进行模型重建，在具有真实性基础上使得个体化差异较大，因此需大样本数据统计分析处理，而本文收集样本数量有限。同时在建模过程中由于瘤体本身情况不同，操作者具有一定主观性，在处理过程中尽量按照同一标准进行处理分析，但是对动脉瘤处理情况仍具有细微差别，故研究具有一定局限性。基于以上不足，之后将继续扩大样本数量，同时在临床医生指导下进行建模工作，提高结果准确度及可信度。