基底動脈瘤的血液流變特性分析

黃偉，陳廣新，孫立新，張海峰

牡丹江醫學院，黑龍江 牡丹江 157011

0 引言

基底動脈瘤是一種異常的血管改變，是管腔瘤樣改變的結果，動脈瘤破裂常導致蛛網膜下腔出血[1-2]。隨著計算機應用的快速進步，影像檢查手段的發展，使基底動脈瘤檢出率明顯升高，使得大眾日益關注基底動脈瘤的發生發展情況，但其發病機制尚未完全闡明，目前認為血管內部的血流動力學異常改變導致動脈瘤形成可能[3-4]。血流動力學分析是對血管各種瘤體問題進行后處理分析的新興手段，通過數值模擬與計算機結合，分析各類參數指標研究血流變化情況[5-6]。本文通過對基底動脈瘤組與對照組的MRA影像原始圖像進行三維重建及網格劃分等步驟，分析動脈瘤的血液流變特性，為臨床醫生治療基底動脈瘤提供參考與借鑒指導。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集基底動脈瘤及正?；讋用}的MRA圖像各25例，于牡丹江醫學院附屬紅旗醫院放射科進行原始影像數據采集。檢查數據統一使用國際通用DICOM格式，進行光盤存儲。研究內容經牡丹江醫學院醫學倫理委員會審查、批準，患者或患者家屬簽署知情同意書。

1.2 基底動脈三維模型重建

將基底動脈瘤組及對照組DICOM格式薄層影像圖像數據導入MIMICS軟件（比利時，Materialise公司），橫、冠及矢狀位圖像進行分區處理，使用閾值分割功能，使基底動脈及臨近血管區域與其他腦血管、腦實質組織進行區分，初步獲得感興趣區域，為保證數據提取準確度，將模型與原始影像數據進行比照分析，后對圖像進行3D預覽，通過區域增長等工具獲取基底動脈模型。模型格式保存為STL，進入3-MATIC軟件（比利時，Materialise公司）中進行模型光滑處理，并進行模型質量診斷，得到合格模型后保存。

1.3 網格劃分

將達標模型導入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美國）軟件中進行模型出入口定義，對模型面及體網格處理，并進行優化處理。設置模型屬性為流體，為后續計算分析做準備。為使計算結果更具準確性，對模型進行5層邊界層加密處理。

1.4 邊界條件與計算設置

本次數值模擬計算分析假設基底動脈管壁為剛性，將血液狀態設置為層流，血流定義為牛頓流體屬性[7]。基底動脈血管管壁邊界條件設定為兩個速度入口（如圖1）及一個壓強出口（如圖2），出口處暫未考慮質量損失情況。本次研究設定血液密度ρ=1056kg/m3，設置血液黏度為4g/（m·s），計算運行過程使用Fluent（ANSYS，美國）軟件[8]。

圖1 速度入口曲線

圖2 壓強出口曲線

1.5 血流動力學參數指標選取

目前認為動脈瘤形成及發生發展過程中與血流動力學因素密切相關，故本次研究選取動脈瘤發生指數（aneurysm formation indicator,AFI）、梯度震蕩數值（gradient oscillatory number,GON）及震蕩剪切系數（oscillatory shear stress,OSI）三項指標進行說明分析[9]。血液在血管內部流動過程中對內壁進行摩擦，這種切向力稱之為壁面切應力。AFI是WSS在心動周期內方向變化的量化值，是指任意時間段壁面切應力的瞬時向量方向與時間平均WSS向量夾角的表示[10]。OSI為無單位參數指標，其大小位于0～1之間，其數值越大，代表壁面切應力方向變化較大，但其大小與壁面切應力大小無緊密聯系，多用作描述血管內部區域流場的干擾情況[11]。GON是表示血管內皮細胞所受到的震蕩與壓縮情況，其值越大代表在該心動周期內，該區域的內皮細胞所受到的震蕩和壓縮程度越重[12]。

2 結果

2.1 動脈瘤發生指數結果圖

從圖3中可看出，基底動脈瘤組瘤體處及右側椎動脈部分區域可見波動性較低AFI值，余血管區域及對照組血管區域均表現為高數值AFI，未見較大范圍波動。

圖3 動脈瘤發生指數圖

2.2 梯度震蕩數值結果

由圖4可知，云圖中偏紅色代表較高GON值，偏藍色為低范圍GON。基底動脈瘤組整體GON值較對照組較高，以右側椎動脈及基底動脈段突出顯示。右側椎動脈血液入口段表現為較高GON值，近雙側椎動脈匯合處表現為高低GON值間斷出現，瘤體及基底動脈段呈現均勻較高數值GON。對照組整體GON值偏低，僅在左側椎動脈起始段及基底動脈段表現出點狀稍高GON值。

圖4 梯度震蕩數值圖

2.3 震蕩剪切系數結果圖

由圖5可知，對照組OSI整體較低，在雙側椎基底動脈匯合處（即血管分叉處）出現稍高OSI，余血管均呈現均勻低OSI值。動脈瘤組以右側椎動脈、左側椎動脈近匯合處及基底動脈段表現為間斷波動性OSI，以瘤體頂部明顯。

圖5 震蕩剪切系數圖

3 討論

從本次實驗結果發現，動脈瘤組瘤體處及右側椎動脈部分區域較正常組表現為低AFI、高GON及高OSI值。AFI是近年來新提出的關于血流動力學指標參數，主要對血管管壁受到的摩擦力進行分析，當AFI越小代表相鄰時刻內壁面切應力向量變化角度越大，越接近垂直情況，即該區域內血流變化情況最明顯，代表血流異常情況發生可能[13]。本次實驗動脈瘤組具有較低AFI，即表現為此處血管血流變化較大，有渦流或湍流可能，破壞了血流層流狀態，將血流狀態由穩定轉向不穩定，促進了動脈瘤的形成，提高了破裂風險。GON是表示血液流動過程中對血管壁內皮細胞造成的壓力情況，主要是震蕩張力和壓縮程度。局部的GON升高表明動脈瘤形成風險較大，血管壁受到的震蕩情況較重[16-17]。從上述實驗結果可知，動脈瘤與右側椎動脈均具有較大的GON血管區域，表明此處血管所受撞擊較大且動脈瘤形成與破裂風險較高，促進動脈瘤的發生發展。OSI數值范圍為0～1之間，數值越大即待變血液流動方向變化較大，甚至發生倒流等情況[14-15]。反之亦然，當OSI數值越小時即代表血液流動情況穩定，保持正常前進情況，血液流動強度和前進方向未有明顯改變。本實驗組中動脈瘤處與右側椎動脈均表現為間歇性升高OSI值，表示該段血管與動脈瘤內血流方向變化較大，血流流場擾亂程度較重，同時瘤體頂部具有較大血流紊亂情況。

4 總結與不足

通過本次實驗研究分析發現，基底動脈瘤及右側椎動脈處低AFI、高GON及高OSI值，血流方向變化較大及不穩定血流，血管壁損傷概率增加，動脈瘤破裂風險較大，臨床上需及早服用藥物進行治療或進行外科手術干預。

本次研究存在一定局限性[18]：樣本量較少，僅收集50例患者圖像進行分析，希望在之后的研究中繼續擴大樣本量同時增加臨床相關信息聯合分析。實驗邊界條件設定血管壁為剛性，與人體內部真實血管具有部分差異；同時本實驗將血液假設為層流及牛頓液體，與真實多成分血液仍有部分差異存在。

綜上所述，基底動脈瘤組血管壁更易損傷，加重動脈瘤的發生發展這也與大部分學者的研究結果相符[19]，但不同程度基底動脈瘤的血流動力學仍存在差異，需要科研工作者繼續探索，為臨床早期干預基底動脈瘤患者提供幫助。