大腦中動脈分叉處動脈瘤血流動力學分析

劉海玉 王宏磊 王海峰 徐 寧 (吉林大學第一醫院神經外科，吉林 長春 130021)

顱內動脈瘤破裂出血是自發性蛛網膜下腔出血的最主要病因，并且死亡率極高，受到國內外專家學者的廣泛關注。大腦中動脈分叉處動脈瘤在顱內動脈瘤中約占20%〔1〕。因其解剖位置的特殊性，此部位的動脈瘤常常會出現巨型動脈瘤及顱內血腫〔2〕，因此大腦中動脈分叉處動脈瘤破裂出血后死亡率及病殘率相對于其他部位較高。近年來，許多專家學者經過研究發現血流動力學在動脈瘤發病機制中扮演著重要的角色〔2～4〕。隨著計算機技術的發展，特別是伴隨著一些大型分析軟件的開發和應用，許多學者開始使用計算機技術來模擬人類顱內動脈瘤，操作靈活，費用較少，可反復演算和重復，因此目前計算機已成為研究動脈瘤的重要手段。

1 材料與方法

1.1 原始數據采集 影像學資料來自于吉林大學第一醫院影像科提供的頭部CTA影像學資料。此次試驗選定的試驗對象為女性，69歲，因突發劇烈頭暈頭痛4 h于2009年10月入院。入院后急查頭部CT，診斷為“自發性蛛網膜下腔出血”。并于當日急查頭部CTA，顯示“右側大腦中動脈分叉部動脈瘤”。見圖1。

1.2 動脈瘤三維模型建立及網格生成 根據患者大腦中動脈分叉處動脈瘤多角度的CTA影像資料，使用CATIA軟件對動脈瘤進行三維模型的建立。見圖2。動脈瘤的主要結構包括三通的圓柱型血管和橢球型的瘤球。

將三維模型導入到Gambit中進行網格生成，通過該軟件對模型進行進一步修改，刪除多余的倒角及微小區域，經處理后進行網格生成。然后將網格劃分的模型轉成MSH文件，進而通過Fluent進行三維流場分析。

圖1 右側大腦中動脈動脈瘤CTA影像

圖2 動脈瘤實體模型

1.3 血流動力學分析 不考慮能量方程，假定重力忽略不計。血管壁為剛性管壁，血流為牛頓流體，具有不可壓縮性。動脈瘤的雷諾數(Re)在600～700以內，所以血流為層流。血液密度1 050 kg/m3，黏滯度為0.004 Pa/s。動脈瘤的入口處設為速度入口邊界(使用TCD測量患者大腦中動脈內的血流速度)。兩條出口處設為壓力出口邊界條件，取動脈平均壓。設其他邊界為固定邊界，無滑移條件同時滿足。選定大腦中動脈分叉處動脈瘤的血流入口處(Inlet)、血流出口處(outlet A、B)、動脈瘤瘤頸部、瘤頂部5處作為本實驗的觀察區域。使用美國ANSYS公司研究開發的CFD軟件FLUENT6.2，對大腦中動脈分叉處動脈瘤的血流動力學進行數值模擬。

2 結果

本研究計算所得的血流動力學參數有:動脈瘤的流線圖、動壓、靜壓及壁剪切力。見圖3。大腦中動脈分叉處動脈瘤不同部位血流動力學參數的最大值見表1。

圖3 動脈瘤流線圖、動力圖、靜力圖及壁剪切力圖

表1 大腦中動脈分叉處動脈瘤不同部位血流動力學參數的最大值(Pa)

3 討論

目前，專家學者一致認為血流動力學在動脈瘤的形成、生長、破裂上起到了重要的作用。隨著計算機技術的飛快發展，三維數值模擬技術在立體的動脈瘤模型的建立上得到了廣泛的應用。大腦中動脈分叉處動脈瘤在所有的顱內動脈瘤中占有一定比例，因其死亡率及病死率較高，一直受到國內外學者的關注。本實驗從血流動力學的角度對其發病發展以及破裂機制進行探討。

流體的流線圖可以比較直觀地觀察到血液在血管及動脈瘤內運動的軌跡等信息，從而了解血流的分布特點，是否存在渦流或者擾流。從流線圖中可知流入動脈里的血流只有一小部分(軸心部分)的血流流入了動脈瘤，大部分的血流直接流向了流出動脈，未進入動脈瘤。其主要的原因是因為動脈瘤瘤頸處出現了擾流，阻礙了大部分的入流動脈內的血流流入。分析擾流產生的原因可能是瘤內的血流經過復雜的瘤內流動后由瘤頸部流出，其受到流入動脈瘤內血流的影響，產生了擾流。動脈瘤瘤內的流動形式復雜，最后由瘤頸部流出。相對比動脈瘤中心處出現的相對活躍的血流流動，靠近瘤壁處的血流速度十分緩慢，甚至瘤頂等一些區域出現了滯留的現象。

在血流動力學研究中，血流對血管壁的壓力一直受到眾多專家學者的廣泛關注。血流的壓力來源于血流的慣性作用，包括了靜壓和動壓兩種壓力成分。其中靜壓是指血流在血管內靜止不動的情況下產生的壓力。而動壓是血液在血管內流動遭遇到阻力迫使其速度下降，自身的機械動能轉化成彈性勢能而產生的壓力。在本次實驗中將兩種壓力單獨進行計算討論。由以上理論可知血管壁所承受的動壓值的大小應該與其附近血流速度呈正相關。因動脈瘤中的血流形式復雜，形成擾流，在瘤壁附近血流速度十分緩慢，甚至在瘤頂等一些區域血流出現了滯留，因此可以推斷動脈瘤瘤壁所承受的動壓應該較低，甚至在有些區域可以忽略不計。這樣的推論，在實際運算中得到了驗證，動脈瘤的瘤壁、瘤頂部的動壓均較低。而動脈瘤的瘤頸部受到了血流流入流出的沖擊，形成了一定大小的動壓。從圖表中可以看出動脈瘤的瘤頸部的靜壓略高于瘤頂部，但數值大小相差不多。靜壓相對于動壓來講高出許多，因此相對于靜壓來講，動壓有時可以忽略不計。所以有時亦可以使用靜壓值的大小來約等于總壓力值的大小。

在血流動力學中最受大家關注的是切應力對于動脈瘤發生發展、破裂的作用。血管壁產生的切應力的本質是黏性血流與血管壁之間產生的摩擦力，其方向平行于血管壁。Feng等〔5〕認為高切應力區域的出現也與動脈壁結構改變有關。兩者構成了惡性循環，導致了動脈瘤不斷生長。血管內皮細胞發生生物性應答的切應力基線區間為1.5～2.0 Pa〔6〕，但是在實驗的過程中發現動脈瘤瘤頂部的WSS往往低于1.5 Pa。這樣的低切應力，首先直接導致了內皮細胞的變性和凋亡;其次也導致了血管內皮細胞形變，細胞間隙加大、屏障功能功能喪失，致使血液中有害物質侵入，導致動脈瘤的瘤壁彈性纖維和膠原纖維的斷裂、缺失〔7～9〕，最終導致動脈瘤破裂。從本次實驗中可以看出動脈瘤瘤頸處的切應力較大，而瘤頂處的切應力極小近似于0，因此認為瘤頸部為動脈瘤生長、擴大的部位。而瘤頂部的剪切力接近為0，因其不能維持瘤壁內皮細胞的基本形態，而最終導致內皮細胞退化、更新障礙而破裂。

大腦中動脈分叉處動脈瘤的血流動力學表現同其他部位動脈瘤相似，其流場表現為動脈瘤的流入動脈的小部分血流流入瘤內，而大部分血流因受到瘤頸部擾流的干擾，直接流入流出動脈。血流流入動脈瘤內后，經過復雜的血流運動后由瘤頸處流出，最后進入流出動脈。動脈瘤瘤頂部的血流速度較緩慢，壓力較小，切應力幾乎為0，為動脈瘤破裂的好發部位，瘤頸部的血流速度較快，壓力及切應力相對較大，為動脈瘤的生長及擴大部位。

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6 Feng Y，Wada S，Tsubota K，et al.The application of computer simulation in the genesis and development of intracranial aneurysms〔J〕.Technol Health Care，2005;13(4):281-91.

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