左锁骨下动脉的血流动力学分析

陆京伯 蒲 佐 赵 奇 邓黎严琰

中国医学科学院阜外医院深圳医院血管外科，广东 深圳 518057

近年来随着生活水平提高，心血管疾病已成为威胁人类健康的头号杀手，而动脉粥样硬化是众多心血管疾病的共同病因。左锁骨下动脉狭窄是血管外科常见疾病。左锁骨下动脉窃血综合征是指左锁骨下动脉的椎动脉起始段近心端发生部分性或完全性闭塞时，由于虹吸作用，引起左侧椎动脉血液逆流进入左上肢，导致椎—基底动脉缺血性发作和左上肢的缺血症状。研究显示血流动力学不仅调节血管几何形状和结构，而且还是影响不同种类血管疾病（如动脉粥样硬化和动脉瘤）发展的主要因素[1-3]。其中，特别重要的是血流动力学中的血管壁面剪切力作用，后者是血液与血管内皮摩擦产生的力。血管壁面剪切应力在动脉粥样硬化形成中起着重要作用，而且在血管的重构及血管植入物后内膜增生过程中起主要作用[4-6]。研究血管内血流动力学模式，对探究血管病变的机理具有重要的意义。近年来，流体动力学仿真（computational fluid dynamics,CFD）在心血管生物力学研究中得到广泛应用，通过对医学图像进行三维重建血管几何模型，然后利用CFD 算法求解计算流体力学模型，可以对血管内血流动力血参数进行快速评估，成为研究血流动力学的重要方法。研究通过对正常人主动脉弓进行计算机断层扫描（computed tomography，CT），并进行三维重建，通过CFD 方法对主动脉和左锁骨下动脉的血流动力学进行分析，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取中国医学科学院阜外医院深圳医院2019 年1 例老年男性主动脉计算机体层血管成像（CT angiography，CTA）DICOM 格式图像资料建立左锁骨下动脉实体模型。采用flash 双源CT，扫描范围覆盖胸主动脉弓及左锁骨下动脉近端的所有区域。然后使用开源图像分割与配准 库（insight segmentation and registration toolkit，ITK）对DICOM 数据进行三维重建。使用ITK 的二值阈值算法（binary threshold）对图像进行分割，然后利用连通区域算法（connected component）提取主动脉弓区域。利用开源三维图像处理可视化库（visualization toolkit，VTK），把分割后的主动脉弓区域转化成STL 文件，并导入CFX前处理器进行流体网关划分。

1.2 网格划分和边界条件

在CFX 前处理器中对主动脉进行网格划分，采用四面体网格划分，网格尺寸为0.5 mm，血液黏度采用0.00035 PaS, 主动脉弓入口设置为法向流速，流速设为最大流速0.8 m/s，为了使用CFD 模型易于收敛，其他主动脉分支出口设置为相对压力为0。对模型采用CFX 的伪瞬态算法（false transient algorithm）进行血流稳态模拟。

1.3 判定指标

动脉粥样硬化与遗传易感性和全身性因素（如高血压，高脂血症，吸烟等）有关。但动脉粥样硬化斑块主要发生在紊流区，如分叉和弯曲部位附近，不能用全身性因素来解释。Melek 等[3]研究表明，动脉粥样硬化通常在剪切应力低于0.1 Pa 区域发展。

1.4 统计学方法

采用描述性统计学方法，计数资料采用n表示。

2 结果

2.1 流体剪切力

血管壁面流体剪切力图1 显示，左锁骨下动脉的壁面剪切力为0.078 Pa，在三个分支血管中属于最小水平。在相同的生理条件下，左锁骨下动脉的壁面剪切力偏低。在动脉中，低剪切力抑制血管内皮细胞一氧化氮合成酶生成导致内皮细胞凋亡。

图 1 血管壁面流体剪切力图

2.2 流线图

血管内血流流线图2 显示，部分主动脉内血流呈三维螺旋向前运动，且血流速度峰值保持在1.5 m/s，而且左锁骨下动脉内血液流动不发生螺旋向前运动，流线几乎趋于直线，峰值流速不高于1.2 m/s。在相同的生理条件下，直线的流体模式对血管壁的冲刷低于三维螺旋向前的流体模式，对血管内壁冲刷率低直接导致低剪切力区域形成，持续地低剪切力更易诱发动脉粥样硬化病变。

图 2 血管内血流流线图

3 讨论

Goubergrits 等[7]对年龄28～38 岁健康年轻人的颈动脉中进行超声测量发现，测量的颈动脉中膜厚度与局部剪切应力之间存在显著的反比关系。Malek 等[3]研究发现低剪切力导致血管内壁NO 合成酶抑制，加速内皮细胞凋零，降低损伤内皮细胞的修复能力，导致脂质进入并沉积于中膜。本研究结果显示，老年男性左锁骨下动脉的壁面剪切力为0.078 Pa，相对于其他周边动脉血管，左锁骨下动脉出现低剪切力流体动力学模式，在微观层面左锁骨下动脉内皮细胞一氧化氮合成酶由于低剪切力而被抑制，从而导致内皮细胞自我修复能力相对于其他周围动脉血管的修复能力降低，由此可以推测，左锁骨下动脉有更高的风险诱发动脉粥样硬化[3,7]。

目前针对左锁骨下动脉血流动力学研究较少，由于动脉粥样硬化所致颈动脉狭窄易发生在颈动脉分叉处，虽然较早对该部位的血流动力学进行研究，但是早期颈动脉血流动力学研究均基于广泛采用的Y 形平均颈动脉分叉模型（Y shaped average human carotid bifurcation，Y-AHCB）[6]。 虽然该模型在一定程度上反映了颈动脉分叉处的解剖特征，但是与实际解剖仍然不符。后来，丁祖荣等[8]基于对颈动脉标本的统计分析数据，提出更先进的TF-AHCB 模型，后者被广泛采用。尽管如此，由于血液流场会随着血管几何模型的细微改变而发生变化，因此个性化的血流动力学参数必须基于精确的三维实体模型[6]。随着CT 技术的普及和Mimics 等图像编辑处理软件的诞生，使得对目标血管的CFD 分析得以实现。近年来，研究对Stanford B 型主动脉夹层的进行血流动力学分析，以便于分析复杂主动脉夹层的血流动力学特征，并了解主动脉内剪切力和主动脉夹层发生之间的关系[9-10]。但现有研究均为小样本量，且多在理想状态下进行，故尚不足以得出明确结论。

人体动脉的分叉、弯曲及狭窄是动脉粥样硬化病变常见部位。壁面剪切力通过调节内皮细胞的生长增殖，在血管重构及炎性反应的病理生理中起着重要的作用。人体动脉分叉、弯曲及狭窄部位的剪切力被扰乱的层流取代，后者强化了通过Jun 激酶及核因子κB 活化所致的血管内皮炎性反应，从而导致动脉粥样硬化进一步发展[11-12]。由于血管内皮细胞与平滑肌细胞是构成血管壁的重要细胞成分，壁面剪切力还可在细胞水平调节血管病理生理活动。血管内皮细胞既作为感应细胞感受血液中的炎性信号和血流产生的剪切力、压力等机械刺激，又作为效应细胞影响血管平滑肌细胞活动。研究表明，低壁面剪切力通过血管内皮细胞介导的旁分泌途径产生的人血小板衍生生长因子BB 上调平滑肌细胞人血小板衍生生长因子BB 和转化生长因子-β1 表达，后者通过旁分泌和自分泌影响血管内皮细胞自身的增殖与迁移。最终，低壁面剪切力通过血管内皮细胞和平滑肌相互作用诱导血管重塑[13]。

本研究通过对左锁骨下动脉CT 模型进行数值仿真分析，获得了左锁骨下动脉、头臂干动脉和左侧颈总动脉的壁面剪切力和血管内血流流线图的分布和变化。动脉粥样硬化斑块更易在低剪切力区域发展[14-15]。在相同的血液状态下，左锁骨下动脉自身几何形态造成了其血液流动状态异于头臂干动脉和左侧颈总动脉，导致血管壁面剪切力偏低，从而血管狭窄概率增加。因此，基于CT 图像的左锁骨下动脉模型具有数字化、个性化特征，可用于左锁骨下动脉血流动力学模拟研究。