基于MRA的大腦中動脈瘤血液流變特性研究

樊俊杰 陳廣新 郭金興 張洋

[關鍵詞]大腦中動脈瘤；血流動力學；紊流；瘤體破裂

大腦中動脈瘤（middlecerebralarteryaneurysm，MCAA）是血管壁異常改變造成局部向外膨出的瘤樣凸起，伴有較高蛛網膜下腔出血的風險，具有高病死率、高致殘率等，因此對MCAA進行深度認識及研究破裂影響因素十分必要[1-2]。大腦中動脈位于顱內動脈wills環，負責大腦半球背外側面以及島葉的血供。但由于顱骨結構包繞，目前常規醫學檢查較難對MCAA內的血液特性進行精準測量及變化監測[3]。血流動力學仿真計算是指計算機求解方程探討流體領域模擬的技術，目前已廣泛用于分析動脈瘤的起始、生長和破裂，且顱內動脈瘤的血流動力學具有局部形態特異性，可作為MCAA形成風險指標探尋的首要研究對象[4-6]。MCAA破裂的確切病理生理機制尚不清楚，但由于血流動力學應激效應被認為是影響血管壁局灶性退行性機制的重要觸發因素，因此本研究對MCAA和周圍血管網的血流動力學因素進行了研究，以了解動脈瘤內部的血流動力學改變，有助于加深對動脈瘤演變的理解，為臨床醫生治療MCAA提供參考。

1資料與方法

1.1一般資料

收集2018年3月至2019年12月牡丹江醫學院附屬紅旗醫院（我院）診斷為MCAA及正常大腦中動脈的磁共振血管成像（magneticresonanceangiography，MRA），以大腦中動脈MRA圖像為基礎構建動脈三維幾何模型，分為動脈瘤組與對照組，每組各15例，于我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。本研究經牡丹江醫學院醫學倫理委員會審查、批準。

1.2基底動脈三維模型重建

MRA圖像通過高級可視化MIMICS軟件（比利時，Materialise公司）生成動脈瘤及其周圍血管網系統的三維模型。該軟件以Dicom（醫學中的數字圖像和通信）格式的MRA圖像創建血管系統的空間重建。以閾值分割劃分感興趣區域，對部分血管進行人工勾畫，依據多平面確認三維重建的窗口，以保證準確測量，見圖1。重建模型格式保存為STL，導入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為STL格式，見圖2。

1.3網格劃分

將模型導入ANSYSFLUENTMESHING（ANSYS，美國）軟件中進行模型出入口定義，對模型進行劃分面及體網格，并進行優化處理。所有模型網格數量分布在638517～858529，設置模型屬性為流體，為后續計算分析作準備。為使計算結果更具準確性，對模型進行6層邊界層加密處理。

1.4邊界條件與計算設置

數值模擬計算分析假設大腦中動脈管壁為剛性，將血液狀態設置為層流，血流定義為牛頓流體屬性[7]。大腦中動脈管壁邊界入口條件設定為速度入口（圖3）。設定血液密度ρ=1060kg/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]。

1.5血流動力學參數指標選取及統計分析

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，故本研究選取血流速度、壁面壓力（wallpressure，WP）及震蕩剪切系數（oscillatoryshearstress，OSI）三項指標進行說明分析[9]。血流速度表示血液在動脈內部的流動情況，正常血流為中心稍高速血流伴周邊低速血流分布情況[10]。血液在血管內部流動過程中對血管內壁進行摩擦，這種垂直切向力稱之為壁面切應力[11]。OSI為無單位參數指標，大小為0～1，其數值越大，代表壁面切應力方向變化較大[12]。對大腦中動脈的血流速度、WP及OSI進行采點，采樣點為60。

1.6統計學方法

應用SPSS26.0統計軟件進行數據處理，符合正態分布的計量資料用均數±標準差（x±s）表示，采用兩獨立樣本t檢驗比較；不符合正態分布的計量資料以M（P25，P75）表示，采用Wilcoxon符號秩和檢驗進行分析，以P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1兩組血流動力學參數比較

動脈瘤組血流速度、WP及OSI均高于對照組，且差異有統計學意義（P<0.05），見表1。

2.2動脈瘤血流速度云圖

對照組整體血流速度較低，表現為均勻層狀血流。對照組內大腦中動脈及大腦前動脈血液分布較對稱，僅在血管分叉處伴少許紊亂血流。動脈瘤組內部血流紊亂，呈現擾動模式。瘤體內部血流紊亂，表現為低速渦流狀態；動脈瘤組左右側大腦前動脈血流速度不對稱，其中左側大腦前動脈起始段及雙側大腦中動脈可見高速紊流。見圖4。

2.3動脈瘤WP云圖

對照組內動脈為均勻低WP，左右側大腦前、中動脈WP分布對稱。動脈瘤組可見左側頸內動脈至動脈瘤前部血管表現為高WP，動脈瘤為中等WP，瘤體遠部血管為低WP。動脈瘤組雙側顱內血管壁壓分布不對稱，以瘤體側血管高WP明顯。見圖5。

2.4動脈瘤震蕩剪切系數云圖

對照組為均勻低OSI值，在血管分叉處見稍高OSI區域，雙側顱內血管OSI值對稱。動脈瘤組內OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布團塊狀高OSI區域，同時雙側大腦前動脈、前交通動脈仍有高OSI局部波動。見圖6。

3討論

本研究采用計算流體力學方法對MCAA進行血流動力學分析，觀察分析MCAA內部血流動力學變化，并對血流速度、WP及OSI分布進行討論。

正常血管內部血液流動具有分層現象，以中間稍高速血流周圍低速血流分布，該模式使血液內部物質有效運輸，減少與血管壁的摩擦，同時避免致動脈粥樣硬化物質沉積管壁[13]。在動脈瘤組中觀察到動脈瘤體內部血流紊亂，呈現擾動模式，瘤體內部血流紊亂，表現為低速渦流狀態；動脈瘤組左右側大腦前動脈血流速度不對稱，其中左側大腦前動脈起始段及雙側大腦中動脈可見高速紊流。當正常血流狀態被破壞，容易引發炎性物質沉積，特別是流動分離發生的位置，提高低密度脂蛋白濃度極化概率，加速動脈瘤破裂進程[2，4]。本研究表明，動脈瘤組較對照組相比，血液更紊亂，伴有渦流、流動分離等現象產生，瘤體前后段血管血流速度不對稱，具有較大速度差異，瘤體破裂風險較高。

WP是血液流動狀態下對血管壁產生的垂直壓力[14]。穩定和正常的WP有助于內皮細胞積極的表達，釋放有益的生物因子，維護血管內正常的生理功能。研究發現動脈瘤使顱內血管WP差異較大，分布落差較大，瘤體及瘤體周圍血管具有高壁壓。長期高WP是血管內中外膜結構改變，破壞正常細胞表達，在壓降較大處內皮細胞受損加大，破壞加重，進一步形成不穩定WP，形成惡性循環[15-16]。本研究顯示，動脈瘤組較對照組相比，瘤體表現為高WP且瘤體前后段WP不對稱，具有較大壓降，瘤體破裂風險較高。

OSI數值范圍為0～1，為無單位參數指標，數值越大表示血液流動方向變化較大，甚至發生倒流等情況；反之亦然，當OSI數值越小時即代表血液流動情況穩定，為正常前進情況，血液流動強度和前進方向穩定[17-18]。OSI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，多與血管內部區域流場的干擾情況有關[8，19]。本研究組中動脈瘤組內OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布團塊狀高OSI區域，同時雙側大腦前動脈局部仍有OSI波動，表示瘤體、瘤頸血流方向變化較大，血流流場擾亂程度較重，與血流速度參數中表現的渦流區域重合。本研究表明，動脈瘤組較對照組相比，瘤體OSI變化顯著，伴有團塊狀高OSI波動，瘤體破裂風險較高。

4 總結

本研究采用MCAA模型，分析動脈瘤引起的血流動力學差異，結果顯示，動脈瘤組的血流動力學參數，數值模擬結果血流速度、WP及OSI均高于對照組，差異有統計學意義（P<0.05）。動脈瘤組瘤體內血流紊亂，表現為低速渦流狀態；動脈瘤組左側頸內動脈至瘤頸前部血管表現為高壁壓，雙側顱內血管血流速度及壁壓不對稱；動脈瘤組內OSI變化顯著，可見瘤體、瘤頸部散在分布小片狀、團塊狀高OSI區域，同時雙側大腦前動脈、前交通動脈可見OSI局部波動。最后得出MCAA體內表現為血流紊亂、高WP及高OSI波動，提高血管壁損傷概率及加快瘤體破裂進程，增大了動脈瘤破裂的風險。本研究也存在一定局限性，樣本量較少，僅收集30例患者圖像進行分析，在之后的研究中需擴大樣本量同時增加臨床相關信息聯合分析。試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；同時本研究將血液假設為層流及牛頓液體，與真實多成分血液仍有差異。