基于CT血管成像的個體化自體動靜脈內瘺三維數值模型

賈秀芬，劉瑾瑾，潘克華，鄭塵非

溫州醫科大學附屬第一醫院，浙江 溫州 325015，1.放射科；2.腎內科

血管通路是終末期腎衰患者維持血液透析的“生命線”，自體動靜脈內瘺（arteriovenous fistula，AVF）由于方便、安全、使用壽命長等優點成為臨床血管通路的第一選擇[1]。AVF的功能不良同血透患者的病死率關聯密切[2]，故準確評估內瘺功能狀態對維護、延長血管通路的使用十分關 鍵[3]。目前臨床上取得在體AVF血流動力學參數主要依賴于多普勒超聲和磁共振，兩者可直接獲得血流速度，但對結構復雜血流區的測量存在較大的誤差[4]。計算機瘤體力學（computational fluid dynamics，CFD）已被證實可以真實模擬結構復雜血管的血流狀況[5]。然而，鮮有研究基于CFD探討建立活體AVF模型及血流動力學機制。本研究根據患者真實的CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）原始數據建立個性化自體AVF的三維數值仿真模型來分析與AVF相關的血流動力學參數。

1 資料和方法

1.1 原始數據采集 選取1 例在溫州醫科大學附屬第一醫院行內瘺術的自體AVF作為研究對象，研究方案取得患者知情同意。采用GE Lightspeed 64排CT獲取原始斷層數據。患者仰臥位，患肢屈曲于胸前，進針肢舉過頭頂，獲取定位片后以3.5～4.5 mL/s流速經肘正中靜脈高壓注射80 mL非離子型對比劑碘海醇（350 mgI/mL），隨后立即注射0.9%氯化鈉溶液30 mL。掃描范圍包括內瘺區的流入動脈端、吻合口和流出靜脈端。采用智能閾值觸發掃描，ROI被設定在升主動脈水平，觸發閾值150 Hu， ROI中CT值達閾值時延遲15 s增強掃描。層厚 0.625 mm，層間距0.625 mm，管電壓120 kV，管電流200～220 mAs，檢查結束后，安排患者當天進行血透加速輸入體內的碘劑排出。獲取的原始數據直接以DICOM格式存儲。本研究經醫院倫理委員會審核批準。

1.2 建模環境 于Windows平臺中創建自體AVF的三維有限元模型。配置：惠普P7370Intel（R） Core（TM）2 Duo CPU 2.00 GHz，內存2.00 GB，Windows7操作系統。利用軟件：醫學三維圖像生成及編輯處理軟件Mimics10.0（比利時Materialise 公司），有限元分析軟件ANSYS 11.0，ANSYS Workbench 11.0，CFX 11.0（美國ANSYS公司）。

1.3 自體AVF三維數字化模型的構建 用Mimics軟件直接讀取DICOM格式的CT原始斷層圖像，聯合運用閾值分割和手動分割取得感興趣區部位[6]，包括瘺口動脈端、瘺口、靜脈端，進而對圖像實行三維實體重建（見圖1A），之后進行自體AVF的網格優化，本模型在構建時生成有限元單元數1183169（見圖1B），最終把取得的重建模型數據以ANSYS文件及MESH文件保存、輸出。

圖1 自體AVF三維數字化模型

1.4 血流動力學模型

1.4.1 控制方程：設定血液是層流、不可壓縮黏性的牛頓流體，其包含連續方程、能量方程和動量方程[7]。本研究忽略能量的傳遞，如熱量，故不考慮能量方程。另假設不計重力，故控制流動的方程采用不可壓縮的Navier-Stokes方程。

1.4.2 邊界條件：假定血流和管壁之間沒有滑移和物質交換，把血管壁設定為剛性，將血管壁彈性和厚度對血流動力學機理的影響忽略不計。

2 結果

前臂自體AVF CTA（見圖2A）顯示吻合口未見明顯狹窄（約5.1 mm），吻合口靜脈端近段瘤樣擴張（約20.2 mm×27.2 mm），瘤內未見血栓形成。本研究借助CTA原始斷層數據聯合Mimics軟件成功構建了具有真實血管解剖結構和血流數據的在體AVF三維數值模型，其是網格優化模型和有限元分析處理前模型，具有良好的結構相似性和生物學形態，可以多角度、真實重現AVF。根據血流流線圖（見圖2B），AVF吻合口的動脈端血流絕大多數進入靜脈端擴張的瘤體內。血流在近吻合口動脈端最大（圖2B中顯示紅色區域），進入瘤體后減速，因為瘤體體積的擴大，依據幾何空間的特點，血流主要分為主血流和次血流兩部分，進入擴張瘤體內后沿著瘤壁順著流線的方向流向遠端，絕大部分流向出口（紅色箭頭），稱為主血流區，小部分沿著外側壁徑直流向出口（黑色箭頭），稱為次血流區。主血流區內有小部分血流朝瘤體中心發展成小渦流后再流向出口（黃色箭頭）。次血流則沿著瘤壁直接流向出 口。主血流流量大、分布廣，對靜脈端瘤樣擴張的作用是主要的。

圖2 動靜脈內瘺CTA（A）及血流流線圖（B）

3 討論

良好而穩定的血管通路為終末期腎病患者長期血透的必備條件，自體AVF為目前首選的透析通 路[8]。有研究顯示采用自體AVF的血透患者其生存時間明顯高于其他血管通路[9]。自體內瘺術改變了術區的血流動力學，且由于長期反復穿刺透析，容易引起內瘺并發癥的發生，最終引起血管通路功能的喪失[10]。當前AVF功能不良是困擾醫師和患者的首要問題。對于血液透析患者來說，其外周血管的質量較差，故符合內瘺手術條件的血管非常有限，如發生并發癥后重新造瘺，將進一步減少可供利用的 血管資源[11]，因此，定期內瘺監測非常重要[12-13]。

3.1 自體AVF的影像學監測方法 當前各國針對自體AVF功能不良的影像學監測方法主要包含多普勒超聲、CT血管造影、MR血管造影、DSA等[2，14]。多普勒超聲可以觀察患者的血管形態，監測內瘺血管的管徑變化、管腔狹窄程度、流速等[15]，經濟、簡便，但其對操作者的診斷水平、操作時手法等依賴性較高，且不能充分顯示深部的血管和靜脈流入段血栓，不能直接顯示血管通路的全景圖等，從而影響超聲檢查的敏感性和可靠性[16-17]。MR血管造影具有無創、不注射造影劑等優點，近年來亦被應用于血管造影，但檢查費用高、耗時、噪音大、相對和絕對禁忌證多[18-19]，空間分辨率相對較低，并且大多數透析患者的血管壁質量較差，容易存在偽影干擾而圖像失真。DSA是診斷血管功能不全的“金標準”，但其有創、操作復雜、輻射較大、費用高、可引起血管痙攣等缺點，限制了臨床的廣泛應用。

隨著多層螺旋CT技術的發展，對AVF患者進行CTA檢查技術目前非常成熟，且基層醫院普遍配備螺旋CT，其臨床應用價值高。CTA具有較高的空間、時間分辨率，掃描時間短，運用多種后處理重建技術如容積再現、最大密度投影、曲面重建等可以三維立體全景式顯示內瘺血管，相對于DSA其無創、經濟、方便，是透析患者首選的檢查技術之一，但CTA對病灶血管的顯示主要局限在形態學方面，無法提供血流動力學信息。

3.2 CFD模型評價自體AVF的應用價值 CFD是通過計算手段，對流體進行數值模擬的一類學科。當前AVF CFD研究多局限于動物模型或基于理想化的實驗模型。然而AVF是非正常生理狀態下血管結構，其流體環境有高流量、低阻力、銳轉角等獨有的特征，任何細微的幾何結構改變都能引起血流狀態巨大改變，故實驗研究模型無法準確顯示真實AVF的血流動力學特征。

目前CFD技術已日趨成熟，CTA影像在某種程度上能代替DSA，而且臨床上操作方便無創，基于CTA原始數據的有限元模型已經成為創建三維有限元模型的主要方法[20]。通過CFD模型可以無創地獲得內瘺的真實血流動力學信息（含血流線圖、血流壓力、血管壁剪切力、流速等），可以更好地定量分析內瘺區血流運動模式及血流-血管壁相互作用情況，以便更好理解實際瘺口的血流動力學機制。

本研究借助于活體真實的CTA數據，在充分考慮AVF影像學特征的基礎上，利用CFD技術重建血管、血流成功構建了AVF的三維數字化模型，分析了內瘺區血流動力學參數。其圖像來源于真實的活 體，有限元的模型幾何準確度高，能直觀、重復地模擬AVF及其血流動力學參數，是揭示AVF功能不良的形成機制及預測并發癥形成的有效手段。血流流線圖中可以觀察到內瘺區血流流速在近吻合口動脈端最大，靜脈端則在近瘤頸部流速最大，提示瘤頸區血流狀態可能與瘤樣擴張的形成有關，這與范志遠等[6]提到在血管分叉及彎曲處，高流速和不穩定的渦流破壞血管壁內皮細胞從而引起內皮細胞發生形態和功能變化相一致；在擴張的瘤體中血流流速整體下降，并見其內分為主血流區和次血流區兩種狀態，主血流流量大、分布廣，推測瘤體內的低流速與靜脈端的瘤樣擴張的發展相關。

本研究借助CFD技術構建的AVF模型為功能不全患者復雜的內瘺提供可視化的真實數字模型，從而為臨床醫師在實踐中對自體AVF的使用及維護提供客觀的參考依據，為臨床上進一步研究AVF功能不良的起因和發展提供一個新的角度。

本研究是在定常情況下建立的三維剛性自體AVF模型，忽略了血管壁本身的彈性因素，故今后對彈性AVF模型仍需做進一步探索和研究，以便能更加真實地反映在體內AVF的血流信息。