計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤從發(fā)生至破裂的自然病程是多因素作用的結(jié)果,但從現(xiàn)有的研究看,它的發(fā)生發(fā)展與血液在血管內(nèi)的流動(dòng)、血管分叉位置、血壓均有關(guān)聯(lián),血流動(dòng)力學(xué)在其中起重要作用,而現(xiàn)有技術(shù)無論是有創(chuàng)的還是無創(chuàng)的,尚不能提供與正常生理狀態(tài)相一致的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤信息,依據(jù)現(xiàn)有檢查手段所得到的臨床顱內(nèi)動(dòng)脈瘤數(shù)據(jù),是否可以借助一種方法來建立動(dòng)脈瘤模型,為深入研究顱內(nèi)動(dòng)脈瘤創(chuàng)造了條件,為顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)、破裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)以及治療抉擇,復(fù)發(fā)再處理等臨床問題提供幫助。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)就是這樣的一個(gè)數(shù)學(xué)工具,可能是顱內(nèi)動(dòng)脈瘤深入研究的一個(gè)重要方法。

一、什么是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)?(Computational Fluid Dynamics,CFD) 

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),是流體力學(xué)的一個(gè)分支,簡(jiǎn)稱CFD,它是近代流體力學(xué),數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物,是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具,應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法,對(duì)流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究,以解決各種實(shí)際問題。

血流動(dòng)力學(xué)因素與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展、破裂和轉(zhuǎn)歸密切相關(guān),因此也成為近年來國內(nèi)外動(dòng)脈瘤研究的熱點(diǎn)。以病人影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)來模擬進(jìn)而獲得顱內(nèi)動(dòng)脈瘤內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的信息,對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的幾何形狀可以進(jìn)行精確重建,得出相應(yīng)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù),以便更好地理解實(shí)際體內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)理,能夠有效解決顱內(nèi)動(dòng)脈瘤臨床研究中的技術(shù)難點(diǎn)。這就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的應(yīng)用。

二、應(yīng)用CFD應(yīng)用于顱內(nèi)動(dòng)脈瘤研究的方法

原始數(shù)據(jù)來自于臨床上采用的三維數(shù)字減影血管造影(3D—DSA)影像。

分析軟件有:美國ACD公司的ACDSee 5.0圖像處理軟件,比利時(shí)Materialise公司的Mimics 14.0醫(yī)學(xué)建模軟件,美國Geomagic公司的Geomagic Studio 12.0逆向工程軟件,美國Ansys公司的Ansys 13.0有限元分析軟件包,包括ICEM CFX13.0網(wǎng)格劃分軟件、Ansys CFD 13.0流體力學(xué)分析軟件等。軟件還包括有:Matlab7.0、Ansys ICEM,Ansys CFX等。

過程:圖像導(dǎo)入、Mimics建模、模型優(yōu)化、網(wǎng)格劃分、血流動(dòng)力學(xué)模擬。三維DSA圖像,去掉不重要的分支,重點(diǎn)分析動(dòng)脈瘤及其載瘤動(dòng)脈。設(shè)定血流為牛頓流體,層流,取血液粘性系數(shù)為常數(shù)0.0035Pa/s,密度為1060Kg/m3,血管壁為剛性壁,忽略能量的傳遞和血液的重力。血流設(shè)為脈動(dòng)流,設(shè)心動(dòng)周期為1s,計(jì)算步長(zhǎng)為0.05s,血管入口壓力為隨時(shí)間變化的函數(shù),計(jì)算10個(gè)心動(dòng)周期,取第10心動(dòng)周期計(jì)算結(jié)果為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中邊界的設(shè)定,起重要作用。

        三、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的CFD應(yīng)用研究

 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的基本CFD特征

 血流的沖擊會(huì)形成兩種不同方向的生理壓力。一種是沖擊力,其來自于血流的慣性力,垂直作用于血管壁;另一種為壁剪切力(wall shear stress,WSS),是血流對(duì)血管壁的粘性摩擦力,平行作用于血管壁。目前對(duì)于動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)和破裂的理解有兩種相反的理論。①低血流理論:認(rèn)為瘤頂處于低WSS狀態(tài),這種狀態(tài)會(huì)觸發(fā)削弱動(dòng)脈壁的一系列機(jī)械生物過程,進(jìn)而造成動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)和破裂,這一理論的根據(jù)是在理想化模型、CFD模型和臨床上觀察到的動(dòng)脈瘤瘤頂?shù)牡?/span>WSS現(xiàn)象;②高血流理論:認(rèn)為瘤壁(尤其在血流沖擊區(qū))異常大的WSS所觸發(fā)的另一種不同的機(jī)械生物過程,進(jìn)而削弱了血管壁并且導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的破裂和生長(zhǎng)。二者其實(shí)并不統(tǒng)一。

  顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)相關(guān)因素?

 高WSS  血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)通過釋放血管舒張因子和收縮因子來調(diào)節(jié)局部血管張力,它對(duì)于震蕩的剪切力較為敏感,與直接的機(jī)械壓力相比,這種震蕩的剪切力通過刺激各種內(nèi)皮細(xì)胞的功能而產(chǎn)生很強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng),增加的WSS可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞分泌一氧化氮。一氧化氮是一種強(qiáng)的血管擴(kuò)張因子,也是一種血管壁退化的潛在因子。因此局部WSS的增加會(huì)導(dǎo)致局部血管壁的擴(kuò)張和退化,進(jìn)而形成動(dòng)脈瘤或者導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。Alnaes等采用顱底動(dòng)脈環(huán)模型進(jìn)行了血流動(dòng)力學(xué)的模擬研究,結(jié)果顯示血管的曲度和非對(duì)稱分支角度會(huì)影響WSS的大小和空間分布。高WSS常出現(xiàn)在動(dòng)脈瘤經(jīng)常發(fā)生的部位和解剖變異處,因此認(rèn)為高WSS與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的發(fā)生有關(guān)。Meng等通過動(dòng)物模型制作出血管分叉處的模型研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在分叉處血管壁兩個(gè)明顯的病理變化:在分叉處出現(xiàn)增生的內(nèi)膜墊,在血流加速區(qū)附近出現(xiàn)破壞性重塑形。該處的病理特點(diǎn)表現(xiàn)為內(nèi)彈力板的破壞、中層平滑肌細(xì)胞的減少和消失、平滑肌細(xì)胞增生的減少以及纖維連接的消失。而這與顱內(nèi)動(dòng)脈瘤發(fā)生的病理機(jī)理類似。因此認(rèn)為分叉部位的高WSS和高梯度剪切力是形成動(dòng)脈瘤的危險(xiǎn)因素。 

 顱內(nèi)動(dòng)脈瘤破裂相關(guān)因素?

  1. 血流的穩(wěn)定性  未破裂動(dòng)脈瘤大部分具有簡(jiǎn)單穩(wěn)定的血流模式,而破裂動(dòng)脈瘤卻相反。動(dòng)脈瘤內(nèi)血流模式的復(fù)雜性和其是否穩(wěn)定可能與動(dòng)脈瘤的破裂相關(guān)。因此Cebral等閘研究了62例動(dòng)脈瘤病人.包括25例破裂和34例未破裂以及3例不明原因出血者。按血流沖擊區(qū)域的位置和大小以及沖擊血流的大小,將這些動(dòng)脈瘤進(jìn)行分級(jí),然后與動(dòng)脈瘤病人的破裂史進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果觀察到72%的破裂動(dòng)脈瘤具有復(fù)雜和不穩(wěn)定的血流模式,80%有小的沖擊區(qū)域,76%有狹窄的沖擊血流。相反,未破裂動(dòng)脈瘤中73%表現(xiàn)為穩(wěn)定的血流模式。82%有較大的沖擊區(qū)域。75%有較寬的沖擊血流;與有大沖擊血流的動(dòng)脈瘤相比。小沖擊血流的動(dòng)脈瘤破裂幾率要高6.3倍。

 2.幾何形態(tài)  動(dòng)脈瘤的幾何形狀是其破裂的危險(xiǎn)因素之一。Hassan等研究了68個(gè)動(dòng)脈瘤(45個(gè)破裂和23個(gè)未破裂),按載瘤動(dòng)脈的形態(tài)將囊性動(dòng)脈瘤分為三種:旁瘤、有分支的旁瘤和末端瘤,動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示:動(dòng)脈瘤深度、頸寬以及引流血管的口徑與動(dòng)脈瘤破裂有關(guān)。寬頸動(dòng)脈瘤和那些有寬徑引流血管的動(dòng)脈瘤表現(xiàn)為高血流特點(diǎn),這樣的病變傾向于在較大體積時(shí)破裂;窄頸動(dòng)脈瘤和有小口徑引流血管的動(dòng)脈瘤表現(xiàn)為低血流特點(diǎn),這樣的病變傾向于在小的體積時(shí)破裂。

 3.WSS是動(dòng)脈瘤破裂的主要血流動(dòng)力學(xué)因素。WSS和OSI被認(rèn)為是可以提示動(dòng)脈瘤是否破裂的重要血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為動(dòng)脈瘤的破裂與WSS的不足密切相關(guān),維持正常動(dòng)脈瘤壁的形態(tài)需要WSS約為2.0 Pa,WSS低于1.5 Pa時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的變性與調(diào)亡,促進(jìn)動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)以及最后的破裂。WSS不足,直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)形變,內(nèi)皮細(xì)胞間隙加大,屏障功能喪失,血液內(nèi)的有害物質(zhì)侵入,使瘤壁彈性纖維及膠原纖維斷裂、缺失,從而形成了動(dòng)脈瘤壁的特有病理學(xué)形態(tài)。隨著動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng),WSS進(jìn)一步下降,形成惡性循環(huán)直至動(dòng)脈瘤破裂。OSI作為評(píng)價(jià)脈動(dòng)血流的一個(gè)重要參數(shù),代表在收縮期和舒張期動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流方向的快速變化引起WSS的振蕩大小,大的OSI表示WSS的方向變化較大。變化著方向的WSS不斷作用于瘤壁內(nèi)膜上,達(dá)到一定闊值時(shí)造成內(nèi)膜上內(nèi)皮細(xì)胞損傷、脫落,膠原纖維暴露,血小板在頸部、頂部受損的內(nèi)膜表面聚積,附著于膠原纖維上,導(dǎo)致內(nèi)膜增厚。反復(fù)的內(nèi)膜損傷造成內(nèi)膜進(jìn)行性增厚,血栓形成。在瘤頂?shù)土魉賹?dǎo)致附近血栓及炎性反應(yīng),由纖維蛋白溶解反應(yīng)導(dǎo)致了瘤的破裂。OSI 切應(yīng)力震蕩區(qū)(oscillating shear index,osi)是一個(gè)衡量WSS方向變化的無量綱參數(shù)。

 楊新健研究表明,小中大動(dòng)脈瘤的WSS值順序減小而OSI的值順序增大。直徑較大的動(dòng)脈瘤具有較低的WSS值和較高的OSI值,提示更高的破裂風(fēng)險(xiǎn)。小中大三型動(dòng)脈瘤的血流均符合側(cè)方動(dòng)脈瘤的流動(dòng)模式。小中大三型進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈瘤越大,其內(nèi)部渦流就越復(fù)雜。且小中大三型動(dòng)脈瘤的肇面切應(yīng)力(WSS)值順序減小而切應(yīng)力震蕩因子(OSI)的值順序增大。結(jié)論未破裂動(dòng)脈瘤隨直徑增大所具有的紊亂的渦流和低WSS高OSI可能跟其破裂風(fēng)險(xiǎn)增大有關(guān)。

 劉建民研究表明,破裂前期組與破裂組在形態(tài)學(xué)指標(biāo)及瘤體低壁面切應(yīng)力面積比(LSA)、瘤體剪切震蕩指數(shù)(OSI)等血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而破裂前期組平均瘤體壁面切應(yīng)力(WSS)較破裂組顯著降低(P=0.024);其中頸體比(AR)與LSA和OSI存在正相關(guān)關(guān)系,體徑比(SR)與平均瘤體WSS存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)論處于破裂前期的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤與破裂顱內(nèi)動(dòng)脈瘤有著相似形態(tài)學(xué)及血流動(dòng)力學(xué)特征,較低的WSS和子囊的形成可能是促進(jìn)動(dòng)脈瘤破裂的重要因素。而處于即將破裂狀態(tài)的動(dòng)脈瘤平均瘤體WSS比破裂組動(dòng)脈瘤更低,大多數(shù)帶有子囊的動(dòng)脈瘤的OSI與其他不帶有子囊的動(dòng)脈瘤并不一樣。幾乎子囊的整個(gè)瘤壁都相對(duì)于母囊WSS更低,而目血流流速自子囊頸部開始即出現(xiàn)—個(gè)明顯的下降。將子囊作為潛在的破裂出血點(diǎn),并通過子囊的形態(tài)差異評(píng)估動(dòng)脈瘤破裂的風(fēng)險(xiǎn)。目前大多數(shù)研究認(rèn)為,低WSS和高OSI與動(dòng)脈瘤破裂相關(guān)。

 CFD輔助顱內(nèi)動(dòng)脈瘤治療選擇?

對(duì)于巨大動(dòng)脈瘤和分葉狀動(dòng)脈瘤很難完全栓塞,部分栓塞動(dòng)脈瘤內(nèi)的血流在影響動(dòng)脈瘤栓塞進(jìn)程的同時(shí),也會(huì)被彈簧圈的位置所影響;動(dòng)脈瘤內(nèi)的流場(chǎng)也會(huì)被載瘤動(dòng)脈的形狀所影響。Byun等應(yīng)用旁瘤模型研究了彈簧圈的位置以及載瘤動(dòng)脈的形狀對(duì)動(dòng)脈瘤栓塞的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與瘤頂栓塞的動(dòng)脈瘤相比,遠(yuǎn)端瘤頸栓塞的動(dòng)脈瘤入口處血流速度較小而低剪切力區(qū)域較大,因?yàn)榱魅肓啃『偷图羟辛Φ纫蛩馗子谛纬裳?所以遠(yuǎn)端瘤頸應(yīng)該是栓塞的有效部位。

介入是處理椎基底動(dòng)脈瘤的重要手段,通過改變血流動(dòng)力學(xué)模式促進(jìn)瘤內(nèi)血栓形成,但是阻塞哪一側(cè)椎動(dòng)脈則需要分析研究其阻塞后的結(jié)果。Hassan等研究了一個(gè)巨大椎基底動(dòng)脈瘤,比較阻塞左側(cè)和右側(cè)椎動(dòng)脈的結(jié)果;球囊實(shí)驗(yàn)顯示右側(cè)椎動(dòng)脈的阻塞是處理該動(dòng)脈瘤的最好選擇,它可以改變動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué),造成血栓形成。該數(shù)值模擬結(jié)果支持了球囊閉塞實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。Canton等研究彈性硅膠旁瘤模型Neuroform支架治療中,瘤頸部支架放置后流速、渦流狀態(tài)以及剪切力減少的情況。作者先后測(cè)量在放置1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)支架后,血流的最大平均速度、渦流狀態(tài)以及剪切力等出現(xiàn)持續(xù)的降低,因此認(rèn)為多個(gè)支架的應(yīng)用可以明顯減少動(dòng)脈瘤腔內(nèi)渦流的強(qiáng)度,導(dǎo)致作用于瘤壁壓力強(qiáng)度的降低。這些研究均表明CFD的重要作用。

四、CFD研究的局限性

任何模擬研究都基于一定的假設(shè),例如假設(shè)血液為牛頓流體,忽略動(dòng)脈瘤壁的真實(shí)厚度,忽略重力和位置的影響,假定的流出邊界條件,小的、低流量血管分支的去除,雖然這些假設(shè)是研究更加復(fù)雜自然體的捷徑,但是卻存在合理性的問題,錯(cuò)誤的假設(shè)會(huì)影響CFD模型的結(jié)果,進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生不正確的理解。

在目前計(jì)算機(jī)資源和臨床實(shí)踐時(shí)間的限制下,不可能評(píng)價(jià)所有動(dòng)脈瘤模型參數(shù)(例如心率、心律和血壓)的影響以及他們實(shí)時(shí)的變化,如何選擇正確的邊界條件是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。盡管計(jì)算機(jī)模型可以控制這些參數(shù)。但是目前只能針對(duì)其中幾個(gè)最重要的參數(shù)進(jìn)行研究,針對(duì)所有參數(shù)的研究還難以做到。