主動脈壁間血腫合并潰瘍樣突起患者的流體力學分析1例報道*

謝 明,陳俊健,趙伯英,鄭 偉,馮江毅,楊德淑,孔令文△

(重慶市急救醫療中心/重慶市第四人民醫院:1.胸心外科;2.醫學影像科;3.普通外科,重慶 400016)

急性主動脈綜合征(acute aortic syndrome,AAS)是一組起病急驟、致死率極高的急危重癥,常常給臨床工作帶來極大挑戰,早期、精準識別該類疾病對制訂治療策略、改善患者預后至關重要[1]。AAS可以分為3種不同的亞型,即主動脈夾層(aortic dissection,AD)、穿透性潰瘍(penetrating aortic ulcer,PAU)及主動脈壁間血腫(intramural hematoma,IMH)[2]。其中,IMH占AAS的10%～25%[3]。KRUKENBERG教授于1920年首次在尸檢時發現并報道IMH,描述其為“沒有內膜破口的夾層”。IMH現定義為在無明確主動脈內膜破口的情況下,主動脈壁中層形成的血腫呈環形或星月型增厚>5 mm,伴或不伴PAU、潰瘍樣突起(ulcer-like projection,ULP)或血腫內局限性強化灶(intramural blood pools,IBP)[4-5]。

約40%的IMH經藥物治療可完全消退,但其中約80%的Stanford A型和10%的Stanford B型IMH會轉變為更兇險的AD,最終形成動脈瘤并有可能破裂導致死亡。單純藥物保守治療的A型IMH患者不良臨床事件(進展為AD、需手術治療和死亡)的發生率約32%[6],若合并心包積液、升主動脈潰瘍、升主動脈瘤,一旦確診后若無明確手術禁忌均應急診手術治療,手術方式與Stanford A型AD類似[7]。合并主動脈明顯擴張或ULP的Stanford B型IMH患者,如果疼痛等癥狀持續、反復發作,或隨訪過程中發現主動脈擴張速度較快,應密切隨訪并更積極地考慮介入或手術等治療方式[8-9]。但單純以影像學表現預測IMH進展及破裂的風險存在一定局限性,有許多沒有升主動脈潰瘍、心包積液等表現的患者亦會突發主動脈破裂導致猝死,同樣也有部分存在心包積液或者主動脈潰瘍等危險因素的患者能長期生存,而應用計算流體力學的模擬血管內血流動力學參數并通過建模分析其血流動力學特點的研究方法已在主動脈疾病中廣泛應用。本研究通過計算機斷層掃描獲取患者的血流動力學參數,將1例隨訪過程中出現進展的IMH合并ULP的患者進行計算流體力學建模,以描述其血流動力學特點,現報道如下。

1 臨床資料

患者,男,81歲,因胸痛于2022年3月13日于本院就診,增強CT顯示升主動脈、主動脈弓壁間血腫形成,并升主動脈ULP。使用計算機斷層掃描(德國Siemens公司,型號:Trio Tim 3.0T),最大切換率200 T·m—1·ms—1,最大梯度強度45 mT/m,平面分辨率512×512,像素大小0.7 mm,切片厚度1.25 mm,圖像共1 200張,應用相控陣線圈,心電門控掃描獲得受試者的全主動脈圖像信息。

CT數據處理:(1)數值模型建立。根據CT數據建立主動脈的數值模型,通過圖像處理軟件Mimics21.0進行圖像分割并進行表面的平滑處理后重構為三維模型。導出STL格式并通過Ansys的建模軟件SpaceClaim進行模型實體化與修復,直至得到可用來仿真的實體模型。生成的主動脈模型包括竇管交接處直至主動脈弓末端,并在主動脈瘤部分分為3個平面,其中平面1為ULP區域入口處主動脈橫截面,平面2為ULP最深處主動脈橫截面,平面3為ULP區域出口處主動脈橫截面。(2)圖像的網格化。采用ANSYS內置網格劃分工具mesh劃分網格和進行計算的前處理。模型采用四面體元素,元素大小設定為0.001 4 m,并在進出口位置進行局部加密網格,網格尺寸為0.001 0 m。網格劃分好后進入fluent界面進行求解,使用雙精度、十核心進行求解。為了提高網格質量,進入fluent界面后,劃分完成后的四面體轉換為多面體網格。(3)邊界條件和流動模型。假設模型為瞬態流,且血管壁是剛性管壁,沒有滑移。數值模擬以三維不可壓縮的Navier-Stokes方程方程為基礎。血液設定為均勻、各向同性、連續、不可壓縮的牛頓流體,并為層流模型,動態黏度為1 050 kg/m3。輸入正弦波形流速給主動脈入口,指定進入無名動脈、左、左鎖骨下動脈的流量分別為12%、5%、8%的主動脈入口血流量。入口平面中央位置設為壓力參照處零點,其余點位相對值測算壓力強度。模型中以峰值收縮期平均流速為基準的雷諾數平均值為1 149。Womersley數(α)為22.5。計算時間步長和心動周期分別設定為0.01 s和0.80 s。采用基于有限元體積的計算流體力學求解器Fluent2020r1(美國ANSYS公司)進行模擬分析。設置解析器數值法,反復迭代,直到收斂為止。為了盡量減少初期流動條件的影響,對6個心動周期進行分析,以達到周期解的目的,本研究介紹的是在第6個心動周期中獲得的結果。

結果顯示:(1)流線與流速。從1個心動周期中選擇了3個特征性時間點進行描述,包括等容收縮期、收縮峰值期及收縮末期。沿瞬時速度矢量的切線方向繪制心動周期中3個時間點的流線,與正常的主動脈入口速度(1.0～1.7 m/s)相比,模型中入口平面的流速變快,最高可達2.4 m/s,且血流速度呈現偏心性,這在收縮峰值期中尤為明顯。然而,由于血流在進入ULP區域后會形成大量反流,血流的速度急速下降,這使得ULP里的血流變得紊亂。當血流到達ULP的出口截面(平面3)時,血流的流速趨于均勻,見圖1。(2)壓力。在等容收縮期和收縮峰值期中,主動脈壓力始終是由近端至遠端呈逐漸下降的階梯式分布;而在收縮末期,主動脈壓力由近端至遠端呈逐漸升高的趨勢,見圖2。(3)壁面切應力(wall shear stress,WSS)。在等容收縮期及收縮峰值期中,ULP及其附近區域的WSS較周圍始終偏低,而在收縮末期與周圍區域的WSS差異不明顯,見圖3。

圖1 計算流體力學IMH合并ULP模型顯示的主動脈各平面、時間點的血流速度分布

圖2 計算流體力學IMH合并ULP模型顯示的主動脈各時間點的壓力分布

圖3 計算流體力學IMH合并ULP模型顯示的主動脈各時間點的WSS分布

2 討 論

目前預測主動脈壁間血腫病情進展危險因素的研究相對較少。部分研究表明,IMH合并ULP的患者往往預后更差,ULP直徑越大、內陷越深,疾病進展的風險越大[10-11]。ULP發生在升主動脈,也提示預后不良[12]。但其對IMH合并ULP患者病情轉歸的預測僅僅是基于部分影像學特征,臨床應用存在一定局限性。計算流體力學可以動態模擬流體流動時的各種相關物理現象及參數,自2002年SHAHCHERAGHI等首次報道計算流體力學應用于主動脈血流模擬的研究以來,計算流體力學在心血管領域的應用逐漸得到推廣[13-17]。但IMH合并ULP的血流動力學特點尚不明確,其能否預測病變的轉歸還有待進一步研究確認。本研究患者病變為IMH合并ULP,且ULP位于升主動脈,根據指南建議應行手術治療,預防病變進展為AD、動脈瘤甚至發生破裂。但因患者拒絕手術,因此可在后期隨訪過程中觀察到ULP局部進展至AD形成的全過程。

本研究通過計算流體力學分析發現,IMH合并ULP的血流動力學參數發生了明顯的改變:(1)入口平面血流速度更快,進入ULP區域后明顯降低;(2)入口平面血流速度呈現偏心性,在收縮峰值期中尤為明顯;(3)在等容收縮期及收縮峰值期中,ULP及附近區域的WSS較低,而夾層形成后的假腔位于ULP對側的相對高WSS區域。

血流動力學異常是心血管疾病進展的關鍵因素。在本研究中,IMH合并ULP的血流模式、WSS等參數顯示出差異。該患者病變最終進展為主動脈夾層,但內膜破口并非先前預測的ULP區域,而是位于ULP水平的主動脈大彎側。從計算流體力學模型中可以看出,內膜破口所處區域相較于ULP區域具有高流速、高WSS的特點。理論上受沖擊的血流速度更快、壓力更高,主動脈壁的功能將受到更明顯的影響。既往多項研究表明,由血流紊亂引起的壓力改變是導致動脈進行性擴張、動脈瘤生長進而破裂的重要因素[18-19]。此外,主動脈的WSS發生了明顯改變,而WSS與血管壁內皮細胞功能密切相關,是動脈瘤進展的關鍵因素,高WSS可在一定程度上破壞內皮細胞并促使主動脈進行性擴張[20-22]。因此,本研究提示高流速、高WSS環境可使動脈呈現內彈力層缺失、中膜變薄和凸起形成等動脈瘤性血管壁重塑特征,可能是促進內膜病變進展的危險因素[23]。

腹主動脈瘤破裂大多發生在血液再循環區域(回流區域)內或其附近,而與流體的大小或構造無關。因為該位置的WSS降低更明顯,血栓沉積更為明顯,這些變化導致外膜變性更嚴重,最終出現主動脈破裂[24-25]。從上訴可以推論,IMH合并ULP最終發生破裂的區域應該在WSS降低的區域,但在本例患者中結果與上述推論有所矛盾,因此認為腹主動脈中的血流由于流速、壓力等特征均與升主動脈存在較大差別,且動脈壁結構也有所不同,其病理進展機制也應有所區別。故病變所處位置的不同對病變進展的影響值得進一步探索。

綜上所述,對于IMH合并ULP的患者,使用計算流體力學數值模擬進行評估發現高流速及高WSS可能是IMH合并ULP進展的危險因素,可以為臨床預測病變進展風險、手術時機決策提供更多的理論支持,并有助于闡明IMH合并ULP進展為AD或主動脈瘤的生物力學機制。本研究存在一定局限性,由于類似典型病例較少,且嚴格進行隨訪的患者更少,目前僅分析了1例IMH合并ULP患者的數據。未來將擴大樣本量,并根據IMH分型及ULP位置進行分組分析。此外,本研究未考慮固態和液態耦合作用的固定邊界條件,對于WSS、軸向和周向分類并未考慮在內。