基于MRA的大脑中动脉瘤血液流变特性研究

樊俊杰 陈广新 郭金兴 张洋

[关键词]大脑中动脉瘤；血流动力学；紊流；瘤体破裂

大脑中动脉瘤（middlecerebralarteryaneurysm，MCAA）是血管壁异常改变造成局部向外膨出的瘤样凸起，伴有较高蛛网膜下腔出血的风险，具有高病死率、高致残率等，因此对MCAA进行深度认识及研究破裂影响因素十分必要[1-2]。大脑中动脉位于颅内动脉wills环，负责大脑半球背外侧面以及岛叶的血供。但由于颅骨结构包绕，目前常规医学检查较难对MCAA内的血液特性进行精准测量及变化监测[3]。血流动力学仿真计算是指计算机求解方程探讨流体领域模拟的技术，目前已广泛用于分析动脉瘤的起始、生长和破裂，且颅内动脉瘤的血流动力学具有局部形态特异性，可作为MCAA形成风险指标探寻的首要研究对象[4-6]。MCAA破裂的确切病理生理机制尚不清楚，但由于血流动力学应激效应被认为是影响血管壁局灶性退行性机制的重要触发因素，因此本研究对MCAA和周围血管网的血流动力学因素进行了研究，以了解动脉瘤内部的血流动力学改变，有助于加深对动脉瘤演变的理解，为临床医生治疗MCAA提供参考。

1资料与方法

1.1一般资料

收集2018年3月至2019年12月牡丹江医学院附属红旗医院（我院）诊断为MCAA及正常大脑中动脉的磁共振血管成像（magneticresonanceangiography，MRA），以大脑中动脉MRA图像为基础构建动脉三维几何模型，分为动脉瘤组与对照组，每组各15例，于我院放射科进行原始影像数据采集。检查数据统一使用国际通用DICOM格式，进行光盘存储。本研究经牡丹江医学院医学伦理委员会审查、批准。

1.2基底动脉三维模型重建

MRA图像通过高级可视化MIMICS软件（比利时，Materialise公司）生成动脉瘤及其周围血管网系统的三维模型。该软件以Dicom（医学中的数字图像和通信）格式的MRA图像创建血管系统的空间重建。以阈值分割划分感兴趣区域，对部分血管进行人工勾画，依据多平面确认三维重建的窗口，以保证准确测量，见图1。重建模型格式保存为STL，导入3-MATIC软件（比利时，Materialise公司）中进行模型光滑处理，并进行模型质量诊断，得到合格模型后保存为STL格式，见图2。

1.3网格划分

将模型导入ANSYSFLUENTMESHING（ANSYS，美国）软件中进行模型出入口定义，对模型进行划分面及体网格，并进行优化处理。所有模型网格数量分布在638517～858529，设置模型属性为流体，为后续计算分析作准备。为使计算结果更具准确性，对模型进行6层边界层加密处理。

1.4边界条件与计算设置

数值模拟计算分析假设大脑中动脉管壁为刚性，将血液状态设置为层流，血流定义为牛顿流体属性[7]。大脑中动脉管壁边界入口条件设定为速度入口（图3）。设定血液密度ρ=1060kg/m3，设置血液黏度为4g/（m·s），计算运行过程使用Fluent（ANSYS，美国）软件[8]。

1.5血流动力学参数指标选取及统计分析

目前认为动脉瘤形成及发生发展过程中与血流动力学因素密切相关，故本研究选取血流速度、壁面压力（wallpressure，WP）及震荡剪切系数（oscillatoryshearstress，OSI）三项指标进行说明分析[9]。血流速度表示血液在动脉内部的流动情况，正常血流为中心稍高速血流伴周边低速血流分布情况[10]。血液在血管内部流动过程中对血管内壁进行摩擦，这种垂直切向力称之为壁面切应力[11]。OSI为无单位参数指标，大小为0～1，其数值越大，代表壁面切应力方向变化较大[12]。对大脑中动脉的血流速度、WP及OSI进行采点，采样点为60。

1.6统计学方法

应用SPSS26.0统计软件进行数据处理，符合正态分布的计量资料用均数±标准差（x±s）表示，采用两独立样本t检验比较；不符合正态分布的计量资料以M（P25，P75）表示，采用Wilcoxon符号秩和检验进行分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1两组血流动力学参数比较

动脉瘤组血流速度、WP及OSI均高于对照组，且差异有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.2动脉瘤血流速度云图

对照组整体血流速度较低，表现为均匀层状血流。对照组内大脑中动脉及大脑前动脉血液分布较对称，仅在血管分叉处伴少许紊乱血流。动脉瘤组内部血流紊乱，呈现扰动模式。瘤体内部血流紊乱，表现为低速涡流状态；动脉瘤组左右侧大脑前动脉血流速度不对称，其中左侧大脑前动脉起始段及双侧大脑中动脉可见高速紊流。见图4。

2.3动脉瘤WP云图

对照组内动脉为均匀低WP，左右侧大脑前、中动脉WP分布对称。动脉瘤组可见左侧颈内动脉至动脉瘤前部血管表现为高WP，动脉瘤为中等WP，瘤体远部血管为低WP。动脉瘤组双侧颅内血管壁压分布不对称，以瘤体侧血管高WP明显。见图5。

2.4动脉瘤震荡剪切系数云图

对照组为均匀低OSI值，在血管分叉处见稍高OSI区域，双侧颅内血管OSI值对称。动脉瘤组内OSI变化显著，可见瘤体、瘤颈部散在分布团块状高OSI区域，同时双侧大脑前动脉、前交通动脉仍有高OSI局部波动。见图6。

3讨论

本研究采用计算流体力学方法对MCAA进行血流动力学分析，观察分析MCAA内部血流动力学变化，并对血流速度、WP及OSI分布进行讨论。

正常血管内部血液流动具有分层现象，以中间稍高速血流周围低速血流分布，该模式使血液内部物质有效运输，减少与血管壁的摩擦，同时避免致动脉粥样硬化物质沉积管壁[13]。在动脉瘤组中观察到动脉瘤体内部血流紊乱，呈现扰动模式，瘤体内部血流紊乱，表现为低速涡流状态；动脉瘤组左右侧大脑前动脉血流速度不对称，其中左侧大脑前动脉起始段及双侧大脑中动脉可见高速紊流。当正常血流状态被破坏，容易引发炎性物质沉积，特别是流动分离发生的位置，提高低密度脂蛋白浓度极化概率，加速动脉瘤破裂进程[2，4]。本研究表明，动脉瘤组较对照组相比，血液更紊乱，伴有涡流、流动分离等现象产生，瘤体前后段血管血流速度不对称，具有较大速度差异，瘤体破裂风险较高。

WP是血液流动状态下对血管壁产生的垂直压力[14]。稳定和正常的WP有助于内皮细胞积极的表达，释放有益的生物因子，维护血管内正常的生理功能。研究发现动脉瘤使颅内血管WP差异较大，分布落差较大，瘤体及瘤体周围血管具有高壁压。长期高WP是血管内中外膜结构改变，破坏正常细胞表达，在压降较大处内皮细胞受损加大，破坏加重，进一步形成不稳定WP，形成恶性循环[15-16]。本研究显示，动脉瘤组较对照组相比，瘤体表现为高WP且瘤体前后段WP不对称，具有较大压降，瘤体破裂风险较高。

OSI数值范围为0～1，为无单位参数指标，数值越大表示血液流动方向变化较大，甚至发生倒流等情况；反之亦然，当OSI数值越小时即代表血液流动情况稳定，为正常前进情况，血液流动强度和前进方向稳定[17-18]。OSI数值越大，代表壁面切应力方向变化较大，但其大小与壁面切应力大小无紧密联系，多与血管内部区域流场的干扰情况有关[8，19]。本研究组中动脉瘤组内OSI变化显著，可见瘤体、瘤頸部散在分布团块状高OSI区域，同时双侧大脑前动脉局部仍有OSI波动，表示瘤体、瘤颈血流方向变化较大，血流流场扰乱程度较重，与血流速度参数中表现的涡流区域重合。本研究表明，动脉瘤组较对照组相比，瘤体OSI变化显著，伴有团块状高OSI波动，瘤体破裂风险较高。

4 总结

本研究采用MCAA模型，分析动脉瘤引起的血流动力学差异，结果显示，动脉瘤组的血流动力学参数，数值模拟结果血流速度、WP及OSI均高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）。动脉瘤组瘤体内血流紊乱，表现为低速涡流状态；动脉瘤组左侧颈内动脉至瘤颈前部血管表现为高壁压，双侧颅内血管血流速度及壁压不对称；动脉瘤组内OSI变化显著，可见瘤体、瘤颈部散在分布小片状、团块状高OSI区域，同时双侧大脑前动脉、前交通动脉可见OSI局部波动。最后得出MCAA体内表现为血流紊乱、高WP及高OSI波动，提高血管壁损伤概率及加快瘤体破裂进程，增大了动脉瘤破裂的风险。本研究也存在一定局限性，样本量较少，仅收集30例患者图像进行分析，在之后的研究中需扩大样本量同时增加临床相关信息联合分析。试验边界条件设定血管壁为刚性，与人体内部真实血管具有部分差异；同时本研究将血液假设为层流及牛顿液体，与真实多成分血液仍有差异。