血流动力学在脑血管病影像教学中的意义

荆利娜，高培毅，2，隋滨滨

动脉粥样硬化是脑梗死的最常见原因，现在对于动脉粥样硬化斑块除了观察结构改变，还可以利用计算机模拟技术，如计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）、流固耦合（fluid structure interaction，FSI）等方法研究血流动力学在斑块发生、发展及破裂中的意义。以往医学教学系统中血流动力学部分是缺乏的，随着流体力学与影像技术的密切结合，使得血流动力学的可视化成为现实，如果将血流动力学的科研成果转变为教学内容传授给学生，将为现有的医学影像教育注入新的活力。

1 血流动力学和医学影像的学科交叉

以往的流体力学通过计算机上建立模型进行模拟计算，不能真实反映临床上每个患者之间的个体差异，随着医学影像技术的高速发展，包括计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等影像学技术能够更好地提供血管结构和血流速度的数据，越来越多的研究者开始利用基于影像学的方法对在体血流动力学状态进行评价[1]。

CFD是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门独立学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，能够在时间和空间上定量描述血流动力学信息[2]。在目前医学研究中，对血流进行CFD模拟前，常用影像学的方法实现血管结构的重建，例如利用磁共振血管成像、CT血管成像等原始图像通过一系列的后处理得到真实的血管结构，能够反映个体间的差异。

流固耦合是用来分析流体与管壁的相互作用。利用此方法需要建立流场，还要重现血管壁结构。目前颈动脉的血管壁多通过高分辨磁共振扫描得到，然后利用后处理软件重建得到每个患者的颈动脉三维模型，模型中可以对动脉粥样硬化斑块不同成分如纤维脂质核、钙化等进行标记，再将血管模型导入软件中进行计算。

2 血流动力学在脑血管病影像学中的研究进展

斑块易损性与脑血管病的发生之间存在密切关系。近年来，有研究提示斑块局部血流动力学在斑块易损性的发展中起到重要作用。通过FSI的方法Zhongzhao Teng等[3]发现斑块局部的结构应力远高于血流剪切力，由此推测结构应力可能是导致斑块破裂的主因，而剪切力可能会长期弱化管腔内壁。另外，斑块局部的机械力因素可能引起斑块内新生血管发生破裂从而造成斑块内出血的形成和发展[4]。传统的影像学方法只能判断斑块这一现象，但无从知道斑块进展的来龙去脉，而血管动力学研究给出了一个很好的解释。也有研究者将大脑中动脉狭窄分为症状组与非症状组，用以探讨血流动力学在颅内动脉粥样硬化性狭窄患者中的作用，结果发现壁面剪切力、管壁压力及流速是发生症状性颅内动脉狭窄的危险因素[5]。这些研究都提示血流动力学在斑块不同阶段中的意义。

除了动脉粥样硬化病变，血流动力学分析可以用于研究动脉瘤、夹层动脉瘤等疾病的发病机制、支架置入治疗后改善情况等。有研究者利用CFD方法分析了颅内动脉瘤的发病机制，发现血流动力学因素影响颅内动脉瘤的产生、进展及破裂[6]。流体力学在医学中特别是脑血管病方面应用越来越广泛，而这些都是以往医学课本上见不到的。

3 血流动力学与脑血管病影像教学的联系

随着科学技术的不断发展，现有的知识体系需要不断更新，特别是医学知识更是日新月异，流体力学与医学影像的有效融合让我们对脑血管病有了重新认识，也将大大提高脑血管病影像学的教学质量。与此同时为脑血管病的研究提供了一种新的研究视角。

在现有的医学教育体系中，学生往往需要花很多时间去理解一些很抽象的概念或者数据[7]，例如对血流的描述多为文字性或示意图形式，如以抛物线形式描述血液的层流，对于刚刚入门的医学生很难理解，即使在医学影像教学中，医学教学人员可以用CT血管成像或磁共振血管成像观察血管情况，但也只是以静态图像形式显示判断血管的结构，而血流的动态改变常常无法观察到，现在有了基于医学影像的各种计算机模拟技术，学生们可以很直观地观察到血液在血管内的流动状态，对不同血流状态有了更加具体形象的理解。对于教师来说摆脱了解释难懂抽象的概念，更方便教学，对于学生而言，这种直观的展示使他们更容易理解和掌握相应的知识，不需要死记硬背。

血流动力学可以刷新传统医学课本对脑血管病的认识。例如在现有教材上，动脉粥样硬化斑块是由高血脂、高血压、糖尿病等一些全身高危因素造成的，但是斑块并不是在全身血管都发生，而是常位于血管分叉和（或）弯曲的位置，因此单纯用全身高危因素是解释不通的，现在认为是因为这些部位的血流动力学状态不同于直的无分叉血管，从而诱发了斑块形成进展。这些最新的研究进展教科书上是没有的，通过这样的知识更新，有助于医学生更好地理解血管疾病发生和发展的病理生理基础，对于临床上遇到的疑问，也可以通过血流动力学进行解答。

对医学生的教学，一方面为了在临床工作中能够实际应用，另一方面医学生又肩负着科研的任务。对于对血流动力学感兴趣的学生可以此作为科研方向，引导学生进一步深入研究，通过理论学习和参加科研项目课题，获得相关的最新知识，从而达到培养和发展学生科研能力的目的。流体力学是完全不同于医学的一门科学，在脑血管病影像教学中，首先要让学生们掌握流体力学基本知识和软件操作应用方法，再进一步了解这方面科研工作的最新进展，才有助于开展相关科研工作。通过医学与流体力学的结合，通过科学研究为临床诊断和治疗提供可行性解决方法，将最终获得的科研成果转化为临床应用，有助于临床技能的提高[8]。

随着科技的发展，脑血管病影像教学应该得到不断完善，以医学影像为基础，血流动力学将会成为脑血管病影像教育中不可或缺的一部分。