胸主動脈腔內修復術后血管重塑的血流動力學仿真分析

楊 睿，許歡明，張薛歡，郭 偉，陳端端，熊 江

1 解放軍總醫院第一醫學中心 血管外科，北京 100853；2 運城市第一醫院 血管外科，山西運城044000；3 北京理工大學 生命學院，北京 100081

主動脈夾層(aortic dissection，AD)是由于主動脈任何部位內膜破裂導致血液通過破口流入血管壁內膜和中膜之間形成真假兩腔的血管疾病，是血管外科急危重癥，未經治療患者死亡率高達80%[1]。根據夾層是否累及升主動脈，臨床上將主動脈夾層分為Stanford A型(累及升主動脈)和B型(未累及升主動脈)。目前針對B型AD的治療方法主要包括藥物保守治療和胸主動脈腔內修復術(thoracic endovascular aortic repair，TEVAR)[2]。近年來以TEVAR為主的血管腔內治療方案因其良好的血管重塑效果和較低的圍術期死亡率已成為B型AD的一線治療手段[3-5]。有研究表明，TEVAR后假腔完全血栓化這種良好的血管重塑現象可作為較好長期結果的預測因子[6-7]。然而對于一些累及到腹主動脈甚至髂動脈的長段夾層，TEVAR后假腔重塑不盡如人意，部分病例腹段殘余假腔持續通暢甚至形成夾層動脈瘤有主動脈破裂猝死的風險[8-9]。因此在術后早期如何準確預判血管重塑趨勢及如何對預測不良的病例進行二次干預是臨床亟需解決的問題。主動脈疾病的病理生理學及TEVAR后效果與流體力學關系密切[10]，特別是近年來計算流體力學(computational fluid dynamic，CFD)技術在模擬主動脈夾層發生發展及治療轉歸方面的技術優勢與應用前景受到關注[11-14]。該技術基于臨床采集的血管造影檢查(computed tomography angiography，CTA)資料進行數值模擬研究，可提供主動脈內血液動力學參數的具體分布，包括速度、壓力和壁面切應力等，由此衍生出的個性化參數可早期預測TEVAR后中遠期血管重塑效果[15-16]。本研究選取兩例B型AD經TEVAR治療后主動脈遠端存在多個殘余裂口的病例，均完成2年以上的CTA隨訪。通過CFD數值模擬技術分析術后早期血液動力學參數以預測血管重塑趨勢并與真實世界的中長期隨訪結果進行比較，通過在真實模型上封閉腎下腹主動脈殘余裂口得到兩個修改模型并分析相應參數的變化趨勢，以期為臨床二次干預的手術方式和時機提供參考。

資料和方法

1 資料 選取2016年就診于解放軍總醫院血管外科的B型主動脈夾層患者2例。病例1，32歲男性，入院診斷：主動脈夾層(Stanford B型)、高血壓病。術前CTA顯示夾層主裂口位于左鎖骨下動脈(left subclavical artery，LSA)以遠26 mm，Ⅱ型主動脈弓，LSA對應主動脈弓直徑29 mm。夾層向下累及右髂總動脈，腹腔干、腸系膜上動脈、左腎動脈真腔供血，右腎動脈真假腔供血。于2016年1月21日接受TEVAR治療，所用支架為32-28-160 mm (Lifetech，China)，術后隨訪32個月。在第18個月時因腹段真腔持續塌陷并出現下肢間歇性跛行(中度)癥狀遂決定二次干預，應用支架移植物封閉腹主動脈和髂動脈段殘余裂口，腹段真腔重塑有所改善。

病例2，47歲男性，入院診斷：主動脈夾層(Stanford B型)、高同型半胱氨酸血癥。術前CTA顯示夾層主裂口位于LSA以遠22 mm，Ⅱ型主動脈弓，LSA對應主動脈弓直徑26 mm。夾層向遠端延伸至腹主動脈分叉水平，腹腔干動脈、腸系膜上動脈、右腎動脈均為真腔供血，左腎動脈為真假腔供血，胸降主動脈遠端、腹主動脈分叉附近區域假腔內可見血栓形成。于2016年9月5日接受TEVAR治療，所用支架為28-24-160 mm(Lifetech，China)。術后隨訪期37個月。

2 三維形態學參數測量 本研究基于2例患者術前及術后2年內CTA影像資料，通過Mimics(Materialise，Leuven，Belgium)軟件構建出兩組三維幾何模型(圖1)。范圍包括升主動脈至髂動脈遠端，每個模型至少保留9個主動脈分支(頭臂干、左頸總動脈、LSA、腹腔干、腸系膜上動脈、左右腎動脈、左右髂動脈)。將所有重建好的三維幾何模型導入Magics軟件測量三維形態學參數，包括真假腔容積、裂口的位置和大小。

圖1 主動脈三維幾何模型的重建 A：CTA圖像分割；B：病例1模型；C：病例2模型Fig.1 Reconstruction of 3-dimensional geometric model of aorta A: Image segmentation; B: Case 1; C: Case 2

3 血流動力學參數計算 通過比較術前和術后3個月的血流動力學參數預測真假腔轉歸趨勢，將該趨勢與最后一次隨訪的結果進行整體比較，以評估參數預測的有效性。同時，本研究將人為封閉殘余裂口后的血流動力學參數與修改前進行比較，通過判斷血流獲益情況分析封閉殘余裂口對血管重塑的影響。血流動力學參數計算包括模型建立、網格離散化、流體模型選擇、邊界條件設定和計算求解這5個主要過程。將模型導入有限體積求解器CFD-ACE+(ESI Group，Paris，France)中計算，通過求解連續性方程、動量守恒方程和N-S方程，獲得模型內每個位置的速度和壓強結果，并繪制相應的收縮期管壁壓強分布圖、峰值流速及流線分布圖。計算過程中心動周期取0.89 s，計算時每個心動周期離散為100步，故時間間隔為0.089 s。為了獲得穩定的計算結果，本研究對每個模型均進行連續4個心動周期的模擬，提取最后一個周期的結果作為后續分析數據。

4 個性化參數計算 首先計算真假腔壓強差曲線，具體方法：沿主動脈血管方向提取真腔中心線，起點為左鎖骨下動脈與主動脈弓中心線的相交位置，終點為夾層結束位置；接著在真腔中心線等距(間隔5 mm)取一系列垂直于真腔的截面，并在每一個截面中分別計算一個心動周期內真腔與假腔壓強之差的平均值，從而得到真假腔壓強差沿著真腔中心線方向變化的曲線。真假腔壓強差曲線上第一個數值為零的位置，即真腔與假腔之間首次形成壓力平衡的位置，稱之為壓力差第一平衡位置(first balance position，FBP)。本研究計算了TEVAR前后FBP的移動距離，以量化手術對血管重塑趨勢造成的影響。

由于使用的入口血流量邊界條件為設定常數，并非來自病例本身，計算時的絕對量值與病例真實值存在一定差異，故本研究沿用此前研究中已驗證可行的方法[16]，即將入口總心輸出量定為4.5 L/min，使用血液分流比這一數值表征進入分支血管或假腔的血流量大小。通過數值模擬計算可以獲得一個心動周期內進入某個裂口或分支血管的血流量，該血流量與入口一個心動周期內總血流量的比值計為相應的分流比。

5 修改模型參數計算 本研究將兩個病例術后3個月的真實數值模型進行修改，模擬封閉腎下腹主動脈(包括髂動脈)上的殘余裂口后得到的兩個數值模型即為修改模型。真假腔壓強差曲線的計算方法如前所述。已有研究證明，血液成分(粒子)在血管內皮細胞附近的滯留時間對血小板聚集、流場內血栓形成的作用至關重要[17]。由此衍生出的相對粒子滯留時間(relative residence time，RRT)可基于平均壁面切應力(time average wall shear stress，TAWSS)和震蕩剪切指數(oscillatory shear index，OSI)計算得出[18-19]，該參數越大表明附近形成血栓的可能性越高[17]，對修改模型RRT的計算可量化假腔血栓化的速度，數值越高表明假腔內生成血栓的速度越快。具體計算方程如下。

結 果

1 三維形態學參數 通過對兩個病例術前與術后3個月真假腔容積進行比較后發現，總的真腔容積增加，假腔容積減少(圖1)。隨著隨訪時間的延長，病例1在術后3 ～ 18個月假腔容積持續減少(由89.6 cm3降至49.4 cm3)，而真腔容積不僅沒有增加反而減少(從148.3 cm3降至142.8 cm3)。病例2在術后3 ～ 24個月假腔容積明顯下降(由36.2 cm3降至8.2 cm3)，而腹段真腔容積，即低位腎動脈至腹主動脈分叉之間的真腔容積，僅有少量增加(從7.9 cm3增至8.5 cm3)。

在裂口的變化上，病例1有1個主裂口和4個殘余裂口，主裂口如前文所述，殘余裂口分別位于腹腔干近端20 mm處、右腎動脈平面、腎下腹主動脈中段、髂總動脈遠端，病例1右腎動脈被累及；在術后3 ～ 18個月，第1和第3殘余裂口自動閉合。病例2術前有1個主裂口和3個殘余裂口，主裂口如前文所述，殘余裂口分別位于左腎動脈平面、腎下腹主動脈中下段、腹主動脈分叉附近，病例2左腎動脈被累及；術后第10個月時，第2個殘余裂口同樣出現自動閉合的現象。兩個病例不同之處是，病例1的流出道較為典型，不會影響血液的通過，而病例2在夾層結束處的流出道裂口面積較小，僅約10 mm2。

2 壓強和真假腔壓強差曲線 在血流動力學方面，兩個病例在術前主動脈近端均表現為真腔壓力比假腔壓力大，而在遠端，特別是腹主動脈段，則出現假腔壓力比真腔壓力大的現象。尤其是病例2，腹段真假腔壓強差下降尤其明顯(圖2)。經過TEVAR治療后腹段假腔壓力大于真腔的情況得到了明顯改善，兩個病例真假腔壓強差大于0的區域均明顯擴大。病例1的FBP移動了17.15 cm，占整個夾層長度的3.46%；病例2移動了15.47 cm，占夾層長度的3.77%。通過觀察真假腔壓強差曲線移動的方向和距離(圖2中藍色線-綠色線)可以看出，兩個病例TEVAR后的曲線均整體向上移動且病例2的縱向移動距離明顯大于病例1。從病例2收縮期壓強分布圖可以看出，術前假腔內壓強偏大，術后殘余夾層的假腔內壓強明顯下降(圖3)。

圖2 病例1(A)與病例2(B)真假腔壓強差曲線，橫軸表示以左鎖骨下動脈與主動脈血管中心線相交位置為起點，沿血管中心線延伸的距離；縱軸表示真假腔壓強差數值Fig.2 Pressure difference curve between TL and FL in case 1 (A)and case 2 (B).The horizontal axis represents the distance extending along the center line of the aorta starting from the intersection of the LSA and the center line of the aorta

圖3 病例2術前(A)與術后(B)收縮期血管壁壓強分布圖(紅色壓強最大，藍色壓強最小)Fig.3 Distribution of preoperative (A) and postoperative (B) systolic vessel wall pressure in case 2 (the red pressure is the largest and the blue pressure is the smallest)

3 流線和分流比 兩個病例術前模型中真腔血流均較為穩定，部分區域流速較快，而假腔內血流紊亂(圖4A左、圖4B左)；TEVAR后主裂口被封閉，假腔內血流主要通過遠端裂口流入，在腎動脈殘余裂口區域，兩個病例均觀察到高速噴射狀血流(圖4中紅色箭頭所示)。為了量化血流對假腔的影響，本研究計算了血流從裂口進入假腔的分流比。病例1和病例2術前經各裂口進入假腔的分流比分別為19.9%和17.3%。經TEVAR治療后，病例1分流比降至7.22%，病例2降至2.45%。病例2假腔分流比下降更為明顯與其遠端流出道較小有關。從真腔進入髂總動脈的血液分流比，病例1為29.3%，病例2為37.53%。

圖4 病例1(A)與病例2(B)收縮期主動脈血流峰值流速及流線分布圖(左為術前、右為術后；紅色速度最快，藍色速度最慢)Fig.4 The peak velocity and streamline distribution of aortic blood flow during systole in case 1 (A) and case 2 (B) (the left is preoperative and the right is postoperative; the velocity is fastest in red and slowest in blue)

4 修改模型的真假腔壓強差及RRT變化 圖2中黑色虛線部分是修改模型中殘余夾層段的真假腔壓強差計算結果，整個殘余夾層段的曲線范圍均大于零，表明兩個修改模型在真假腔壓強差獲益上較真實模型更大。圖5可以看出，兩個病例在封閉腎下殘余裂口后，假腔血流主要通過累及腎動脈的裂口流入，兩個修改模型中假腔RRT的數值均較真實模型明顯變大，意味著在修改模型中假腔內血栓形成更加迅速，這將有利于假腔血管的重塑。

圖5 病例1(A)與病例2(B)TEVAR術后RRT分布(左為真實模型，右為封閉裂口后的修改模型；紅色表示數值最高，藍色表示數值最低)Fig.5 Distribution of RRT after TEVAR in case 1 (A) and case 2(B) (the left is the real model and the right is the modified model after sealing the residual tears; red means the highest value; blue means the lowest value)

討 論

TEVAR后血管重塑不良預測因素一直是主動脈夾層領域研究的熱點[20-22]。此前的形態學研究將TEVAR后殘余裂口的數量、部位、支架移植物長度等作為血管重塑的預測因素[23-25]。盡管如此，目前仍不確定哪些因素是影響個體化病例TEVAR后血管重塑的關鍵因素。近期一項研究表明，腹部殘余裂口是腹部假腔轉歸不良的唯一確定的風險因素[26]。但夾層裂口在個體化病例中的具體力學表現、何時以何種方式處理腹部殘余裂口、處理后將得到何種結果，目前仍不明確。本研究通過修改模型模擬二次干預的過程進行研究。

血流動力學特性對血管重塑的影響往往要早于形態學特性。近期的一項血流動力學研究通過術后早期的血流動力學相關參數預測假腔的形態變化，其結果與遠期實際的形態變化具有較好的一致性[13]。因而本研究僅對術前和術后3個月獲得的隨訪資料進行血流動力學計算和比較。

與以往形態學研究僅關注二維指標不同，本研究關注了裂口面積及真假腔容積等三維參數。此外，大部分研究僅關注術后假腔的重塑效果，而本研究同時考慮到真腔的轉歸，對所有隨訪時間點的真腔容積也進行了量化。通過容積分析發現，盡管兩個病例術后早期與術前相比，總假腔容積減小、真腔容積增加，但隨著隨訪期的延長，病例1的真腔容積沒有增加反而出現了減少，而病例2腹段真腔容積的增加也并不明顯。通過三維幾何模型可以看出，兩個病例術前均有真腔高度受壓的情形，特別是在腹主動脈區域。這種情形在真假腔壓強差曲線結果上得到進一步的體現。兩個病例術前主動脈遠端假腔壓力明顯大于真腔壓力，特別是病例2。造成這一現象的原因一方面是近端流入道不斷有血流涌入假腔對血管壁形成沖擊，另一方面假腔內的血液無法及時順暢排出，使得假腔血管壁承受的壓力不斷增加。而病例2的遠端流出道過小(僅10 mm2)，使得這種情形更為明顯。這種遠端流出道過小使假腔內壓力增加從而不利于血管重塑的情形與此前理想模型的研究結果相似[27]。臨床上此類患者如不進行手術干預極易因假腔持續高壓而導致不良預后。

本研究2例患者TEVAR后進入假腔的血流均大大減少，假腔高壓的狀況得到了明顯改善。然而，通過對TEVAR前后壓強差曲線縱向移動距離的比較發現，病例1術后壓力獲益可能不如病例2。此外，本研究還發現病例1術后早期經真腔進入髂總動脈的血液分流比明顯低于病例2(29.3%vs 37.53%)。這預示著病例1術后出現真腔擴張不良導致遠端灌注不足的風險更大。而病例1在隨訪期間發生的情況恰恰印證了上述判斷。這說明，對于遠端真腔高度受壓的長段夾層案例，隨著術后假腔血栓化范圍的擴大，殘余夾層的真腔持續受到來自假腔血栓的擠壓，僅行單純TEVAR并不能改善這種真腔難以恢復擴張的窘境。

此前的研究中，筆者所在團體提出FBP這一個性化血流功能參數可在TEVAR后早期預測中遠期血管重塑效果，同時可作為手術相關并發癥的預測因子(如內漏、逆撕夾層)，獲得了國際學術界的高度評價[16,28]。兩個病例術后早期FBP均向遠端移動(3.46% vs 3.77%)，預示著兩個病例整體將獲得良性轉歸且假腔會出現良好的重塑，而涉及真腔重塑時，則需要根據術前真腔是否受壓綜合考量。考慮到血液流動特點是腔內血壓關系的深層原因，本研究基于流速計算繪制了收縮期峰值流線分布圖并進行了分析，兩個病例在術后早期腎動脈殘余裂口附近均觀察到高速噴射狀血流，這種狀態將對假腔血管外壁造成一定沖擊，意味著該區域假腔不易完全閉合。兩個病例在最后一次隨訪時均存在殘余假腔且均位于腎動脈附近，印證了這一推斷。

目前臨床對于TEVAR后殘余夾層二次干預的手術指征和時機并未形成統一的共識。有研究將真腔塌陷作為二次干預的指征之一[8]。本文將除累及腎動脈以外的殘余裂口進行封閉，是為了更加真實地模擬施行二次干預的過程。目前內臟動脈區域的殘余裂口處理起來困難且復雜[26,29]，而封閉腎下殘余裂口并不難實現。通過在術后早期模型中人為封閉腎下殘余裂口構建出兩個修改模型，隨后進行的真假腔壓強差及RRT計算表明整個殘余夾層段的曲線范圍均大于零，即真腔壓力均大于假腔壓力，修改模型壓強差獲益比真實模型更大，且修改模型更有利于假腔內血栓的形成。這些結果表明，修改模型將獲得更好的腹段真假腔重塑效果。此外，在二次干預的時機上，應當充分考慮到夾層血管的可塑性。夾層血管壁及撕裂的內膜片隨著時間會逐漸趨于僵化，這將使得二次干預的效果大打折扣。已有研究表明，急性期實施TEVAR血管重塑效果優于慢性期[4]，而術后半年內不能實現血管良性重塑則預示著遠期發生血管重塑不良的風險[30]。事實上，病例1雖然在TEVAR后18個月進行了二次干預，但其后的8個月，遠端真腔重塑雖有改善但仍未達到理想的管徑。對于真腔高度受壓的長段夾層案例TEVAR后應嚴密隨訪，封閉腎下殘余裂口的二次干預方案可以在血流動力學上帶來較大獲益；初始干預半年內接受二次干預可能更有利于遠端真腔重塑。

綜上，TEVAR后血管重塑是個復雜的過程，僅依靠傳統影像學檢查獲得的形態學參數不能準確預測具體案例的轉歸特征，需要借助部分血流功能學參數進行判斷。本課題的初步研究發現，術后早期(3個月左右)血流動力學參數或可有效預測夾層中遠期血管重塑趨勢，早期封閉(術后半年內)腎下殘余裂口可使腹段殘余夾層獲得更好的重塑效果，特別是遠端真腔高度受壓的病例。本文存在一些不足：一方面，本課題僅選取兩個長期隨訪病例，所得結論需要更多病例佐證；另一方面，在CFD仿真計算中，對模型做的一些理想化處理，如將血管壁視為剛性壁面，血液視為不可壓縮的牛頓流體，也會對計算參數的絕對量值產生一定影響。