不同几何形态学的椎动脉开窗血液流变特性

陈晓琴，成志国，陈广新，郭金兴

(牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江 牡丹江 157011)

椎动脉粥样硬化的形成机制是多因素的，发现并明确这些因素对该疾病的早期诊断和治疗有重要意义[1]。椎动脉开窗表现为正常生理结构的改变，以单支血管生长发育为两支再汇合同时伴有动脉管径大小的改变及动脉周围情况分布的改变。椎动脉开窗畸形多无明显的临床症状，但椎动脉开窗畸形后期常伴随着动脉粥样硬化等病变，并可以合并单发或多发动脉瘤[2-3]。相关研究表明，血流动力学参数特别是时间平均壁面切应力等作用于血管壁与血流速度改变相关的参数，与动脉粥样硬化的形成有关[4-5]。使用血流动力学数值模拟可以对椎动脉开窗进行定性定量的计算，并且较其他实验方法具有无创性、真实性及有效性[6]。本文以真实患者椎动脉MRA图像为基础，构建椎动脉个体化血管模型，应用数值模拟对不同几何形态学结构的椎动脉开窗模型进行血流动力学参数分析，探讨最易形成粥样硬化等病变的椎动脉几何形态结构，对动脉粥样硬化形成的危险因素进行预测、分析[7]，对临床诊断与治疗提供借鉴与指导。

1 材料与方法

1.1 一般资料患者椎动脉MRA图像采集于牡丹江医学院附属红旗医院放射科患者，经两名副高及以上的影像科医生诊断为右侧椎动脉开窗共30例(Kappa值为0.82)，另选取同期健康体检中心体检无开窗10例作为正常对照组。按照椎动脉开窗支最长径定义开窗组，分为裂隙型(3～5 mm)、凸透镜型(5～10 mm)及重复型(>10 mm)[8]，每组各10例。检查前去除患者随身金属异物，嘱患者扫描过程中平静呼吸、不得随意运动，保持仰卧位头先进，身体长轴与扫描床长轴一致，扫描线圈中心为下颌下缘，常规进行横断位及冠矢状位扫描，范围为听眶线至颅顶。使用飞利浦Achieva 3.0 T磁共振成像系统，以三维时间飞跃法及磁化转移对比技术重建血管，扫描图像数据统一保存为DICOM格式。所有患者或患者授权委托人通过伦理委员会审查且签署知情同意书。

1.2 个体化椎动脉三维模型重建将DICOM格式的MRA数据导入MIMICS软件(比利时，Materialise公司)，通过多层手工编辑、阈值分割及区域增长等方法获得感兴趣区域(椎基底动脉段)，生成3D的椎动脉几何模型(图1)。将模型导入3-MATIC中进一步光滑优化三角面片和包裹等操作，以stl格式保存最终模型。

图1 椎动脉3D模型

1.3 生成网格模型将三维模型导入ANSYS FLUENT MESHING(美国，ANSYS公司)，进行几何检查并定义模型的出口、入口及血管壁，进行面网格及体网格的划分，设定6层加密边界层网格。

1.4 边界条件将动脉血管壁假定为刚性，内部流动血液设定为连续层流、牛顿液体，血液密度为1050 kg/m3，椎动脉入口采用脉动速度，出口处设定为0，共计算4个周期，取最后一个周期计算结果进行分析。

1.5 血流动力学参数选取选择与临床表现及治疗有密切联系的参数指标[9]：血流速度、时间平均壁面切应力(TAWSS)及血管壁振荡剪切指数(OSI)。壁面剪切应力(wall shear stress，WSS)是指血液流动时在血管壁上引起的切向的动态摩擦力，将一个心脏周期内每个节点上WSS值积分即为TAWSS：

其中wssi是瞬时剪切应力矢量，T是该心动周期的持续时间。

一个心动周期内，OSI是血管壁上不同位置WSS方向的变化计算出来的，当OSI值较大时即表明该周期内WSS振荡情况越严重；同时OSI可描述血液流动方向的稳定性，其值介于0～0.5之间。OSI值越大时，表示血流方向很不稳定，频繁变化甚至回流，其表达式为：

1.6 数据采集及统计学分析采集椎动脉开窗处的时间壁面切应力及血管壁振荡剪切指数平均值，比较不同几何形态学的椎动脉开窗时间平均壁面剪切力与振荡剪切指数差异，应用SPSS 22.0统计学软件分析，采用多个样本均数方差分析后再进行两两比较。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

通过建立正常椎动脉流体模型以及不同几何形态学的40例椎动脉开窗(裂隙型、凸透镜型及重复型)流体模型，并对上述4种模型进行血流速度图、TAWSS和OSI分析，从而进一步描述椎动脉开窗的血流动力学变化。

2.1 统计学结果分析裂隙型形态的椎动脉开窗较其它椎动脉流体模型有差异，具有统计学意义(P<0.05)，见表1至表6。

表1 椎动脉开窗血流速度方差分析

表2 椎动脉开窗血流速度平均值比较

表3 椎动脉开窗TAWSS方差分析

表4 椎动脉开窗TAWSS平均值比较

表5 椎动脉开窗OSI方差分析

表6 椎动脉开窗OSI平均值比较

2.2 椎动脉血流速度图由图2可见，正常椎动脉模型表现为左右两侧入口处为较低速度，在椎基底动脉汇合区域动脉管壁外侧段呈现出一小长段较高速度区域伴汇合点血液方向改变，在汇合后基地动脉段则表现为长段区域内的规律高速层状血流。裂隙型开窗前动脉及对侧椎动脉表现为正常或较低血液流动速度，但在开窗后位置的椎动脉内呈现为高速血液，至椎基底动脉汇合处可见高速血液方向呈重度涡流改变。凸透镜型开窗型外侧分支血管表现为高速层状血流，汇合处血流方向保持稳定及血液速度明显变缓。重复型开窗血液流速改变集中在正常椎动脉侧，表现为持续至汇合处及基底动脉段的高速血流，且可见该区域内部分低速血流呈轻度涡流改变前进。

图2 血流速度图

2.3 血管壁时间平均壁面切应力图由图3可见，裂隙型开窗侧该侧椎动脉段TAWSS较正常血管相同位置管壁处稍高，且在汇合处呈现为高TAWSS区域，其他血管部位与正常血管模型对比未见明显变化；凸透镜型可见开窗起始处较正常椎动脉模型TAWSS明显增高，其他未有明显变化；重复型开窗则表现开窗对侧呈现为间断性较高TAWSS区域，其余区域与正常椎动脉开窗型比较TAWSS未有明显变化。

图3 TAWSS分布云图

2.4 血管壁振荡剪切指数图由图4可见，正常椎动脉模型仅在汇合处呈现为小区域的高OSI，可能伴有双侧椎动脉汇合时有血液部分的回流情况。裂隙型和凸透镜型均于开窗分支血管终末段连接处呈现小部分高OSI区域；重复型开窗的高OSI主要集中于开窗分支起始处及开窗外侧支拐角小片状区域，其余部分与正常椎动脉开窗未有明显改变。

图4 OSI分布云图

3 结论与讨论

3.1 不同形态开窗对血流速度的影响从实验结果中可知，不同几何形态学椎动脉开窗血流改变逐步加重。凸透镜型开窗表现为部分高速层状血流；重复型除此之外，还伴随着部分低速涡旋血流；裂隙型开窗表现为高速前进的涡旋血流，并且涡旋血流持续范围及区域更广。有文献提及，高速血流对动脉管壁冲击更大，且动脉管壁中的脂质含量在涡流区域明显增加，导致局部脂质聚集，这种改变可能是导致后期动脉粥样硬化等病变的主要原因之一[10]。通过实验推断，裂隙型椎动脉开窗因伴有高速涡旋血流，使动脉内局部区域脂质浓度升高，从而更易促使动脉管壁粥样硬化及狭窄的形成。

3.2 不同形态开窗对血管壁时间平均壁面切应力的影响在一个心动周期内使用每个节点WSS量值进行积分即为TAWSS，即TAWSS为一个心动周期内血管壁面的平均WSS大小。高TAWSS条件下内皮细胞出现损伤与功能紊乱，影响血液与血管壁间的物质转运，伴有血管损伤因子分泌增加及内皮细胞保护因子分泌减少的情况，同时内皮素及精氨酸酶等生物活性分子分泌失衡，诱导内皮细胞功能紊乱；另外高TAWSS处往往出现血液淤滞及血流停留时间延长，使得血管壁内皮细胞吸收血液中边流离子增多，增加形成动脉粥样硬化的可能性[11]。上述云图可看出，三种不同几何形态学椎动脉开窗中，裂隙型具有较大的TAWSS区域，并且高TAWSS区域与高速涡流血流区域及高OSI区域有部分共同区域，这也提示形成血管壁动脉粥样的风险较大。

3.3 不同形态开窗对血管壁振荡剪切指数的影响OSI是依据一个心动周期内动脉血管壁上不同位置WSS方向的变化计算出来的，表示的是一个心动周期内WSS方向振荡的情况，OSI值较大即表明该周期内WSS振荡情况越严重，同时OSI也可表示血液流动方向的情况，OSI值越大，即血液流动方向可能会发生频繁改变甚至有可能回流。OSI值为0时，表明该心动周期内血管内皮细胞所受剪切应力方向恒定，具有较低的粥样硬化斑块形成的风险；当OSI值不为0时，表示该OSI值区域内的内皮细胞所受的剪切力有振荡现象；数值越大，越易导致内皮细胞功能障碍，从而极大促使粥样硬化斑块的发生[12]。裂隙型和凸透镜型均于开窗分支血管终末段连接处呈现高OSI区域；重复型开窗的高OSI主要集中于开窗分支起始处及开窗外侧支拐角小片状区域，表明该区域内出现粥样硬化性斑块的可能性较大。

3.4 总结本研究通过血流动力学数值模拟分析，通过真实患者的影像图像来构建模型，并对不同流体模型进行仿真计算，从统计学结果及血流动力学云图分析，得出裂隙型椎动脉表现为高速涡旋血流、高TAWSS及高OSI区域，更易形成动脉粥样硬化等病变；另外以MRA图像为基础的数值模拟仿真分析技术可以重建个体化椎动脉开窗血流动力学模型，为分析椎动脉开窗与动脉粥样硬化等病变形成的关系提供研究手段。

目前应用数值模拟仿真分析技术对血管进行计算已经较为成熟，越来越多的学者与专家在脑血管疾病相关研究中引入计算流体力学方法，但对于不几何形态椎动脉开窗研究的血流动力学研究目前还较少。数值模拟仿真分析技术较其他动物实验方法而言具有无创性及直观性等特点，是研究脑动脉疾病的重要辅助工具[13]。本研究有助于协助脑外科医生更好地认识不同几何形态学椎动脉开窗的血流动力学变化，并可对动脉粥样硬化形成的危险因素进行预测、分析[14]，如果给予足够的重视并采取有效及时的干预能够在最大程度上防止动脉粥样硬化等病变的产生及恶化，为临床诊断、治疗提供借鉴与指导。

4 不足与展望

本研究存在一些局限性，首先样本量较少，仅收集了40例不同几何形态学的椎动脉开窗患者数据，其次血流动力学设定条件还不能做到与真实的椎动脉特征完全相同，因此有望在未来收集更多样本量及采用前瞻性研究来进一步探讨，减少对结果带来的误差。