主动脉壁间血肿合并溃疡样突起患者的流体力学分析1例报道*

谢 明,陈俊健,赵伯英,郑 伟,冯江毅,杨德淑,孔令文△

(重庆市急救医疗中心/重庆市第四人民医院:1.胸心外科;2.医学影像科;3.普通外科,重庆 400016)

急性主动脉综合征(acute aortic syndrome,AAS)是一组起病急骤、致死率极高的急危重症,常常给临床工作带来极大挑战,早期、精准识别该类疾病对制订治疗策略、改善患者预后至关重要[1]。AAS可以分为3种不同的亚型,即主动脉夹层(aortic dissection,AD)、穿透性溃疡(penetrating aortic ulcer,PAU)及主动脉壁间血肿(intramural hematoma,IMH)[2]。其中,IMH占AAS的10%～25%[3]。KRUKENBERG教授于1920年首次在尸检时发现并报道IMH,描述其为“没有内膜破口的夹层”。IMH现定义为在无明确主动脉内膜破口的情况下,主动脉壁中层形成的血肿呈环形或星月型增厚>5 mm,伴或不伴PAU、溃疡样突起(ulcer-like projection,ULP)或血肿内局限性强化灶(intramural blood pools,IBP)[4-5]。

约40%的IMH经药物治疗可完全消退,但其中约80%的Stanford A型和10%的Stanford B型IMH会转变为更凶险的AD,最终形成动脉瘤并有可能破裂导致死亡。单纯药物保守治疗的A型IMH患者不良临床事件(进展为AD、需手术治疗和死亡)的发生率约32%[6],若合并心包积液、升主动脉溃疡、升主动脉瘤,一旦确诊后若无明确手术禁忌均应急诊手术治疗,手术方式与Stanford A型AD类似[7]。合并主动脉明显扩张或ULP的Stanford B型IMH患者,如果疼痛等症状持续、反复发作,或随访过程中发现主动脉扩张速度较快,应密切随访并更积极地考虑介入或手术等治疗方式[8-9]。但单纯以影像学表现预测IMH进展及破裂的风险存在一定局限性,有许多没有升主动脉溃疡、心包积液等表现的患者亦会突发主动脉破裂导致猝死,同样也有部分存在心包积液或者主动脉溃疡等危险因素的患者能长期生存,而应用计算流体力学的模拟血管内血流动力学参数并通过建模分析其血流动力学特点的研究方法已在主动脉疾病中广泛应用。本研究通过计算机断层扫描获取患者的血流动力学参数,将1例随访过程中出现进展的IMH合并ULP的患者进行计算流体力学建模,以描述其血流动力学特点,现报道如下。

1 临床资料

患者,男,81岁,因胸痛于2022年3月13日于本院就诊,增强CT显示升主动脉、主动脉弓壁间血肿形成,并升主动脉ULP。使用计算机断层扫描(德国Siemens公司,型号:Trio Tim 3.0T),最大切换率200 T·m—1·ms—1,最大梯度强度45 mT/m,平面分辨率512×512,像素大小0.7 mm,切片厚度1.25 mm,图像共1 200张,应用相控阵线圈,心电门控扫描获得受试者的全主动脉图像信息。

CT数据处理:(1)数值模型建立。根据CT数据建立主动脉的数值模型,通过图像处理软件Mimics21.0进行图像分割并进行表面的平滑处理后重构为三维模型。导出STL格式并通过Ansys的建模软件SpaceClaim进行模型实体化与修复,直至得到可用来仿真的实体模型。生成的主动脉模型包括窦管交接处直至主动脉弓末端,并在主动脉瘤部分分为3个平面,其中平面1为ULP区域入口处主动脉横截面,平面2为ULP最深处主动脉横截面,平面3为ULP区域出口处主动脉横截面。(2)图像的网格化。采用ANSYS内置网格划分工具mesh划分网格和进行计算的前处理。模型采用四面体元素,元素大小设定为0.001 4 m,并在进出口位置进行局部加密网格,网格尺寸为0.001 0 m。网格划分好后进入fluent界面进行求解,使用双精度、十核心进行求解。为了提高网格质量,进入fluent界面后,划分完成后的四面体转换为多面体网格。(3)边界条件和流动模型。假设模型为瞬态流,且血管壁是刚性管壁,没有滑移。数值模拟以三维不可压缩的Navier-Stokes方程方程为基础。血液设定为均匀、各向同性、连续、不可压缩的牛顿流体,并为层流模型,动态黏度为1 050 kg/m3。输入正弦波形流速给主动脉入口,指定进入无名动脉、左、左锁骨下动脉的流量分别为12%、5%、8%的主动脉入口血流量。入口平面中央位置设为压力参照处零点,其余点位相对值测算压力强度。模型中以峰值收缩期平均流速为基准的雷诺数平均值为1 149。Womersley数(α)为22.5。计算时间步长和心动周期分别设定为0.01 s和0.80 s。采用基于有限元体积的计算流体力学求解器Fluent2020r1(美国ANSYS公司)进行模拟分析。设置解析器数值法,反复迭代,直到收敛为止。为了尽量减少初期流动条件的影响,对6个心动周期进行分析,以达到周期解的目的,本研究介绍的是在第6个心动周期中获得的结果。

结果显示:(1)流线与流速。从1个心动周期中选择了3个特征性时间点进行描述,包括等容收缩期、收缩峰值期及收缩末期。沿瞬时速度矢量的切线方向绘制心动周期中3个时间点的流线,与正常的主动脉入口速度(1.0～1.7 m/s)相比,模型中入口平面的流速变快,最高可达2.4 m/s,且血流速度呈现偏心性,这在收缩峰值期中尤为明显。然而,由于血流在进入ULP区域后会形成大量反流,血流的速度急速下降,这使得ULP里的血流变得紊乱。当血流到达ULP的出口截面(平面3)时,血流的流速趋于均匀,见图1。(2)压力。在等容收缩期和收缩峰值期中,主动脉压力始终是由近端至远端呈逐渐下降的阶梯式分布;而在收缩末期,主动脉压力由近端至远端呈逐渐升高的趋势,见图2。(3)壁面切应力(wall shear stress,WSS)。在等容收缩期及收缩峰值期中,ULP及其附近区域的WSS较周围始终偏低,而在收缩末期与周围区域的WSS差异不明显,见图3。

图1 计算流体力学IMH合并ULP模型显示的主动脉各平面、时间点的血流速度分布

图2 计算流体力学IMH合并ULP模型显示的主动脉各时间点的压力分布

图3 计算流体力学IMH合并ULP模型显示的主动脉各时间点的WSS分布

2 讨 论

目前预测主动脉壁间血肿病情进展危险因素的研究相对较少。部分研究表明,IMH合并ULP的患者往往预后更差,ULP直径越大、内陷越深,疾病进展的风险越大[10-11]。ULP发生在升主动脉,也提示预后不良[12]。但其对IMH合并ULP患者病情转归的预测仅仅是基于部分影像学特征,临床应用存在一定局限性。计算流体力学可以动态模拟流体流动时的各种相关物理现象及参数,自2002年SHAHCHERAGHI等首次报道计算流体力学应用于主动脉血流模拟的研究以来,计算流体力学在心血管领域的应用逐渐得到推广[13-17]。但IMH合并ULP的血流动力学特点尚不明确,其能否预测病变的转归还有待进一步研究确认。本研究患者病变为IMH合并ULP,且ULP位于升主动脉,根据指南建议应行手术治疗,预防病变进展为AD、动脉瘤甚至发生破裂。但因患者拒绝手术,因此可在后期随访过程中观察到ULP局部进展至AD形成的全过程。

本研究通过计算流体力学分析发现,IMH合并ULP的血流动力学参数发生了明显的改变:(1)入口平面血流速度更快,进入ULP区域后明显降低;(2)入口平面血流速度呈现偏心性,在收缩峰值期中尤为明显;(3)在等容收缩期及收缩峰值期中,ULP及附近区域的WSS较低,而夹层形成后的假腔位于ULP对侧的相对高WSS区域。

血流动力学异常是心血管疾病进展的关键因素。在本研究中,IMH合并ULP的血流模式、WSS等参数显示出差异。该患者病变最终进展为主动脉夹层,但内膜破口并非先前预测的ULP区域,而是位于ULP水平的主动脉大弯侧。从计算流体力学模型中可以看出,内膜破口所处区域相较于ULP区域具有高流速、高WSS的特点。理论上受冲击的血流速度更快、压力更高,主动脉壁的功能将受到更明显的影响。既往多项研究表明,由血流紊乱引起的压力改变是导致动脉进行性扩张、动脉瘤生长进而破裂的重要因素[18-19]。此外,主动脉的WSS发生了明显改变,而WSS与血管壁内皮细胞功能密切相关,是动脉瘤进展的关键因素,高WSS可在一定程度上破坏内皮细胞并促使主动脉进行性扩张[20-22]。因此,本研究提示高流速、高WSS环境可使动脉呈现内弹力层缺失、中膜变薄和凸起形成等动脉瘤性血管壁重塑特征,可能是促进内膜病变进展的危险因素[23]。

腹主动脉瘤破裂大多发生在血液再循环区域(回流区域)内或其附近,而与流体的大小或构造无关。因为该位置的WSS降低更明显,血栓沉积更为明显,这些变化导致外膜变性更严重,最终出现主动脉破裂[24-25]。从上诉可以推论,IMH合并ULP最终发生破裂的区域应该在WSS降低的区域,但在本例患者中结果与上述推论有所矛盾,因此认为腹主动脉中的血流由于流速、压力等特征均与升主动脉存在较大差别,且动脉壁结构也有所不同,其病理进展机制也应有所区别。故病变所处位置的不同对病变进展的影响值得进一步探索。

综上所述,对于IMH合并ULP的患者,使用计算流体力学数值模拟进行评估发现高流速及高WSS可能是IMH合并ULP进展的危险因素,可以为临床预测病变进展风险、手术时机决策提供更多的理论支持,并有助于阐明IMH合并ULP进展为AD或主动脉瘤的生物力学机制。本研究存在一定局限性,由于类似典型病例较少,且严格进行随访的患者更少,目前仅分析了1例IMH合并ULP患者的数据。未来将扩大样本量,并根据IMH分型及ULP位置进行分组分析。此外,本研究未考虑固态和液态耦合作用的固定边界条件,对于WSS、轴向和周向分类并未考虑在内。