不同幾何形態學的椎動脈開窗血液流變特性

陳曉琴，成志國，陳廣新，郭金興

(牡丹江醫學院醫學影像學院，黑龍江 牡丹江 157011)

椎動脈粥樣硬化的形成機制是多因素的，發現并明確這些因素對該疾病的早期診斷和治療有重要意義[1]。椎動脈開窗表現為正常生理結構的改變，以單支血管生長發育為兩支再匯合同時伴有動脈管徑大小的改變及動脈周圍情況分布的改變。椎動脈開窗畸形多無明顯的臨床癥狀，但椎動脈開窗畸形后期常伴隨著動脈粥樣硬化等病變，并可以合并單發或多發動脈瘤[2-3]。相關研究表明，血流動力學參數特別是時間平均壁面切應力等作用于血管壁與血流速度改變相關的參數，與動脈粥樣硬化的形成有關[4-5]。使用血流動力學數值模擬可以對椎動脈開窗進行定性定量的計算，并且較其他實驗方法具有無創性、真實性及有效性[6]。本文以真實患者椎動脈MRA圖像為基礎，構建椎動脈個體化血管模型，應用數值模擬對不同幾何形態學結構的椎動脈開窗模型進行血流動力學參數分析，探討最易形成粥樣硬化等病變的椎動脈幾何形態結構，對動脈粥樣硬化形成的危險因素進行預測、分析[7]，對臨床診斷與治療提供借鑒與指導。

1 材料與方法

1.1 一般資料患者椎動脈MRA圖像采集于牡丹江醫學院附屬紅旗醫院放射科患者，經兩名副高及以上的影像科醫生診斷為右側椎動脈開窗共30例(Kappa值為0.82)，另選取同期健康體檢中心體檢無開窗10例作為正常對照組。按照椎動脈開窗支最長徑定義開窗組，分為裂隙型(3～5 mm)、凸透鏡型(5～10 mm)及重復型(>10 mm)[8]，每組各10例。檢查前去除患者隨身金屬異物，囑患者掃描過程中平靜呼吸、不得隨意運動，保持仰臥位頭先進，身體長軸與掃描床長軸一致，掃描線圈中心為下頜下緣，常規進行橫斷位及冠矢狀位掃描，范圍為聽眶線至顱頂。使用飛利浦Achieva 3.0 T磁共振成像系統，以三維時間飛躍法及磁化轉移對比技術重建血管，掃描圖像數據統一保存為DICOM格式。所有患者或患者授權委托人通過倫理委員會審查且簽署知情同意書。

1.2 個體化椎動脈三維模型重建將DICOM格式的MRA數據導入MIMICS軟件(比利時，Materialise公司)，通過多層手工編輯、閾值分割及區域增長等方法獲得感興趣區域(椎基底動脈段)，生成3D的椎動脈幾何模型(圖1)。將模型導入3-MATIC中進一步光滑優化三角面片和包裹等操作，以stl格式保存最終模型。

圖1 椎動脈3D模型

1.3 生成網格模型將三維模型導入ANSYS FLUENT MESHING(美國，ANSYS公司)，進行幾何檢查并定義模型的出口、入口及血管壁，進行面網格及體網格的劃分，設定6層加密邊界層網格。

1.4 邊界條件將動脈血管壁假定為剛性，內部流動血液設定為連續層流、牛頓液體，血液密度為1050 kg/m3，椎動脈入口采用脈動速度，出口處設定為0，共計算4個周期，取最后一個周期計算結果進行分析。

1.5 血流動力學參數選取選擇與臨床表現及治療有密切聯系的參數指標[9]：血流速度、時間平均壁面切應力(TAWSS)及血管壁振蕩剪切指數(OSI)。壁面剪切應力(wall shear stress，WSS)是指血液流動時在血管壁上引起的切向的動態摩擦力，將一個心臟周期內每個節點上WSS值積分即為TAWSS：

其中wssi是瞬時剪切應力矢量，T是該心動周期的持續時間。

一個心動周期內，OSI是血管壁上不同位置WSS方向的變化計算出來的，當OSI值較大時即表明該周期內WSS振蕩情況越嚴重；同時OSI可描述血液流動方向的穩定性，其值介于0～0.5之間。OSI值越大時，表示血流方向很不穩定，頻繁變化甚至回流，其表達式為：

1.6 數據采集及統計學分析采集椎動脈開窗處的時間壁面切應力及血管壁振蕩剪切指數平均值，比較不同幾何形態學的椎動脈開窗時間平均壁面剪切力與振蕩剪切指數差異，應用SPSS 22.0統計學軟件分析，采用多個樣本均數方差分析后再進行兩兩比較。以P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

通過建立正常椎動脈流體模型以及不同幾何形態學的40例椎動脈開窗(裂隙型、凸透鏡型及重復型)流體模型，并對上述4種模型進行血流速度圖、TAWSS和OSI分析，從而進一步描述椎動脈開窗的血流動力學變化。

2.1 統計學結果分析裂隙型形態的椎動脈開窗較其它椎動脈流體模型有差異，具有統計學意義(P<0.05)，見表1至表6。

表1 椎動脈開窗血流速度方差分析

表2 椎動脈開窗血流速度平均值比較

表3 椎動脈開窗TAWSS方差分析

表4 椎動脈開窗TAWSS平均值比較

表5 椎動脈開窗OSI方差分析

表6 椎動脈開窗OSI平均值比較

2.2 椎動脈血流速度圖由圖2可見，正常椎動脈模型表現為左右兩側入口處為較低速度，在椎基底動脈匯合區域動脈管壁外側段呈現出一小長段較高速度區域伴匯合點血液方向改變，在匯合后基地動脈段則表現為長段區域內的規律高速層狀血流。裂隙型開窗前動脈及對側椎動脈表現為正常或較低血液流動速度，但在開窗后位置的椎動脈內呈現為高速血液，至椎基底動脈匯合處可見高速血液方向呈重度渦流改變。凸透鏡型開窗型外側分支血管表現為高速層狀血流，匯合處血流方向保持穩定及血液速度明顯變緩。重復型開窗血液流速改變集中在正常椎動脈側，表現為持續至匯合處及基底動脈段的高速血流，且可見該區域內部分低速血流呈輕度渦流改變前進。

圖2 血流速度圖

2.3 血管壁時間平均壁面切應力圖由圖3可見，裂隙型開窗側該側椎動脈段TAWSS較正常血管相同位置管壁處稍高，且在匯合處呈現為高TAWSS區域，其他血管部位與正常血管模型對比未見明顯變化；凸透鏡型可見開窗起始處較正常椎動脈模型TAWSS明顯增高，其他未有明顯變化；重復型開窗則表現開窗對側呈現為間斷性較高TAWSS區域，其余區域與正常椎動脈開窗型比較TAWSS未有明顯變化。

圖3 TAWSS分布云圖

2.4 血管壁振蕩剪切指數圖由圖4可見，正常椎動脈模型僅在匯合處呈現為小區域的高OSI，可能伴有雙側椎動脈匯合時有血液部分的回流情況。裂隙型和凸透鏡型均于開窗分支血管終末段連接處呈現小部分高OSI區域；重復型開窗的高OSI主要集中于開窗分支起始處及開窗外側支拐角小片狀區域，其余部分與正常椎動脈開窗未有明顯改變。

圖4 OSI分布云圖

3 結論與討論

3.1 不同形態開窗對血流速度的影響從實驗結果中可知，不同幾何形態學椎動脈開窗血流改變逐步加重。凸透鏡型開窗表現為部分高速層狀血流；重復型除此之外，還伴隨著部分低速渦旋血流；裂隙型開窗表現為高速前進的渦旋血流，并且渦旋血流持續范圍及區域更廣。有文獻提及，高速血流對動脈管壁沖擊更大，且動脈管壁中的脂質含量在渦流區域明顯增加，導致局部脂質聚集，這種改變可能是導致后期動脈粥樣硬化等病變的主要原因之一[10]。通過實驗推斷，裂隙型椎動脈開窗因伴有高速渦旋血流，使動脈內局部區域脂質濃度升高，從而更易促使動脈管壁粥樣硬化及狹窄的形成。

3.2 不同形態開窗對血管壁時間平均壁面切應力的影響在一個心動周期內使用每個節點WSS量值進行積分即為TAWSS，即TAWSS為一個心動周期內血管壁面的平均WSS大小。高TAWSS條件下內皮細胞出現損傷與功能紊亂，影響血液與血管壁間的物質轉運，伴有血管損傷因子分泌增加及內皮細胞保護因子分泌減少的情況，同時內皮素及精氨酸酶等生物活性分子分泌失衡，誘導內皮細胞功能紊亂；另外高TAWSS處往往出現血液淤滯及血流停留時間延長，使得血管壁內皮細胞吸收血液中邊流離子增多，增加形成動脈粥樣硬化的可能性[11]。上述云圖可看出，三種不同幾何形態學椎動脈開窗中，裂隙型具有較大的TAWSS區域，并且高TAWSS區域與高速渦流血流區域及高OSI區域有部分共同區域，這也提示形成血管壁動脈粥樣的風險較大。

3.3 不同形態開窗對血管壁振蕩剪切指數的影響OSI是依據一個心動周期內動脈血管壁上不同位置WSS方向的變化計算出來的，表示的是一個心動周期內WSS方向振蕩的情況，OSI值較大即表明該周期內WSS振蕩情況越嚴重，同時OSI也可表示血液流動方向的情況，OSI值越大，即血液流動方向可能會發生頻繁改變甚至有可能回流。OSI值為0時，表明該心動周期內血管內皮細胞所受剪切應力方向恒定，具有較低的粥樣硬化斑塊形成的風險；當OSI值不為0時，表示該OSI值區域內的內皮細胞所受的剪切力有振蕩現象；數值越大，越易導致內皮細胞功能障礙，從而極大促使粥樣硬化斑塊的發生[12]。裂隙型和凸透鏡型均于開窗分支血管終末段連接處呈現高OSI區域；重復型開窗的高OSI主要集中于開窗分支起始處及開窗外側支拐角小片狀區域，表明該區域內出現粥樣硬化性斑塊的可能性較大。

3.4 總結本研究通過血流動力學數值模擬分析，通過真實患者的影像圖像來構建模型，并對不同流體模型進行仿真計算，從統計學結果及血流動力學云圖分析，得出裂隙型椎動脈表現為高速渦旋血流、高TAWSS及高OSI區域，更易形成動脈粥樣硬化等病變；另外以MRA圖像為基礎的數值模擬仿真分析技術可以重建個體化椎動脈開窗血流動力學模型，為分析椎動脈開窗與動脈粥樣硬化等病變形成的關系提供研究手段。

目前應用數值模擬仿真分析技術對血管進行計算已經較為成熟，越來越多的學者與專家在腦血管疾病相關研究中引入計算流體力學方法，但對于不幾何形態椎動脈開窗研究的血流動力學研究目前還較少。數值模擬仿真分析技術較其他動物實驗方法而言具有無創性及直觀性等特點，是研究腦動脈疾病的重要輔助工具[13]。本研究有助于協助腦外科醫生更好地認識不同幾何形態學椎動脈開窗的血流動力學變化，并可對動脈粥樣硬化形成的危險因素進行預測、分析[14]，如果給予足夠的重視并采取有效及時的干預能夠在最大程度上防止動脈粥樣硬化等病變的產生及惡化，為臨床診斷、治療提供借鑒與指導。

4 不足與展望

本研究存在一些局限性，首先樣本量較少，僅收集了40例不同幾何形態學的椎動脈開窗患者數據，其次血流動力學設定條件還不能做到與真實的椎動脈特征完全相同，因此有望在未來收集更多樣本量及采用前瞻性研究來進一步探討，減少對結果帶來的誤差。