基底动脉瘤的血液流变特性分析

黄伟，陈广新，孙立新，张海峰

牡丹江医学院，黑龙江 牡丹江 157011

0 引言

基底动脉瘤是一种异常的血管改变，是管腔瘤样改变的结果，动脉瘤破裂常导致蛛网膜下腔出血[1-2]。随着计算机应用的快速进步，影像检查手段的发展，使基底动脉瘤检出率明显升高，使得大众日益关注基底动脉瘤的发生发展情况，但其发病机制尚未完全阐明，目前认为血管内部的血流动力学异常改变导致动脉瘤形成可能[3-4]。血流动力学分析是对血管各种瘤体问题进行后处理分析的新兴手段，通过数值模拟与计算机结合，分析各类参数指标研究血流变化情况[5-6]。本文通过对基底动脉瘤组与对照组的MRA影像原始图像进行三维重建及网格划分等步骤，分析动脉瘤的血液流变特性，为临床医生治疗基底动脉瘤提供参考与借鉴指导。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集基底动脉瘤及正常基底动脉的MRA图像各25例，于牡丹江医学院附属红旗医院放射科进行原始影像数据采集。检查数据统一使用国际通用DICOM格式，进行光盘存储。研究内容经牡丹江医学院医学伦理委员会审查、批准，患者或患者家属签署知情同意书。

1.2 基底动脉三维模型重建

将基底动脉瘤组及对照组DICOM格式薄层影像图像数据导入MIMICS软件（比利时，Materialise公司），横、冠及矢状位图像进行分区处理，使用阈值分割功能，使基底动脉及临近血管区域与其他脑血管、脑实质组织进行区分，初步获得感兴趣区域，为保证数据提取准确度，将模型与原始影像数据进行比照分析，后对图像进行3D预览，通过区域增长等工具获取基底动脉模型。模型格式保存为STL，进入3-MATIC软件（比利时，Materialise公司）中进行模型光滑处理，并进行模型质量诊断，得到合格模型后保存。

1.3 网格划分

将达标模型导入ANSYS FLUENT MESHING（ANSYS，美国）软件中进行模型出入口定义，对模型面及体网格处理，并进行优化处理。设置模型属性为流体，为后续计算分析做准备。为使计算结果更具准确性，对模型进行5层边界层加密处理。

1.4 边界条件与计算设置

本次数值模拟计算分析假设基底动脉管壁为刚性，将血液状态设置为层流，血流定义为牛顿流体属性[7]。基底动脉血管管壁边界条件设定为两个速度入口（如图1）及一个压强出口（如图2），出口处暂未考虑质量损失情况。本次研究设定血液密度ρ=1056kg/m3，设置血液黏度为4g/（m·s），计算运行过程使用Fluent（ANSYS，美国）软件[8]。

图1 速度入口曲线

图2 压强出口曲线

1.5 血流动力学参数指标选取

目前认为动脉瘤形成及发生发展过程中与血流动力学因素密切相关，故本次研究选取动脉瘤发生指数（aneurysm formation indicator,AFI）、梯度震荡数值（gradient oscillatory number,GON）及震荡剪切系数（oscillatory shear stress,OSI）三项指标进行说明分析[9]。血液在血管内部流动过程中对内壁进行摩擦，这种切向力称之为壁面切应力。AFI是WSS在心动周期内方向变化的量化值，是指任意时间段壁面切应力的瞬时向量方向与时间平均WSS向量夹角的表示[10]。OSI为无单位参数指标，其大小位于0～1之间，其数值越大，代表壁面切应力方向变化较大，但其大小与壁面切应力大小无紧密联系，多用作描述血管内部区域流场的干扰情况[11]。GON是表示血管内皮细胞所受到的震荡与压缩情况，其值越大代表在该心动周期内，该区域的内皮细胞所受到的震荡和压缩程度越重[12]。

2 结果

2.1 动脉瘤发生指数结果图

从图3中可看出，基底动脉瘤组瘤体处及右侧椎动脉部分区域可见波动性较低AFI值，余血管区域及对照组血管区域均表现为高数值AFI，未见较大范围波动。

图3 动脉瘤发生指数图

2.2 梯度震荡数值结果

由图4可知，云图中偏红色代表较高GON值，偏蓝色为低范围GON。基底动脉瘤组整体GON值较对照组较高，以右侧椎动脉及基底动脉段突出显示。右侧椎动脉血液入口段表现为较高GON值，近双侧椎动脉汇合处表现为高低GON值间断出现，瘤体及基底动脉段呈现均匀较高数值GON。对照组整体GON值偏低，仅在左侧椎动脉起始段及基底动脉段表现出点状稍高GON值。

图4 梯度震荡数值图

2.3 震荡剪切系数结果图

由图5可知，对照组OSI整体较低，在双侧椎基底动脉汇合处（即血管分叉处）出现稍高OSI，余血管均呈现均匀低OSI值。动脉瘤组以右侧椎动脉、左侧椎动脉近汇合处及基底动脉段表现为间断波动性OSI，以瘤体顶部明显。

图5 震荡剪切系数图

3 讨论

从本次实验结果发现，动脉瘤组瘤体处及右侧椎动脉部分区域较正常组表现为低AFI、高GON及高OSI值。AFI是近年来新提出的关于血流动力学指标参数，主要对血管管壁受到的摩擦力进行分析，当AFI越小代表相邻时刻内壁面切应力向量变化角度越大，越接近垂直情况，即该区域内血流变化情况最明显，代表血流异常情况发生可能[13]。本次实验动脉瘤组具有较低AFI，即表现为此处血管血流变化较大，有涡流或湍流可能，破坏了血流层流状态，将血流状态由稳定转向不稳定，促进了动脉瘤的形成，提高了破裂风险。GON是表示血液流动过程中对血管壁内皮细胞造成的压力情况，主要是震荡张力和压缩程度。局部的GON升高表明动脉瘤形成风险较大，血管壁受到的震荡情况较重[16-17]。从上述实验结果可知，动脉瘤与右侧椎动脉均具有较大的GON血管区域，表明此处血管所受撞击较大且动脉瘤形成与破裂风险较高，促进动脉瘤的发生发展。OSI数值范围为0～1之间，数值越大即待变血液流动方向变化较大，甚至发生倒流等情况[14-15]。反之亦然，当OSI数值越小时即代表血液流动情况稳定，保持正常前进情况，血液流动强度和前进方向未有明显改变。本实验组中动脉瘤处与右侧椎动脉均表现为间歇性升高OSI值，表示该段血管与动脉瘤内血流方向变化较大，血流流场扰乱程度较重，同时瘤体顶部具有较大血流紊乱情况。

4 总结与不足

通过本次实验研究分析发现，基底动脉瘤及右侧椎动脉处低AFI、高GON及高OSI值，血流方向变化较大及不稳定血流，血管壁损伤概率增加，动脉瘤破裂风险较大，临床上需及早服用药物进行治疗或进行外科手术干预。

本次研究存在一定局限性[18]：样本量较少，仅收集50例患者图像进行分析，希望在之后的研究中继续扩大样本量同时增加临床相关信息联合分析。实验边界条件设定血管壁为刚性，与人体内部真实血管具有部分差异；同时本实验将血液假设为层流及牛顿液体，与真实多成分血液仍有部分差异存在。

综上所述，基底动脉瘤组血管壁更易损伤，加重动脉瘤的发生发展这也与大部分学者的研究结果相符[19]，但不同程度基底动脉瘤的血流动力学仍存在差异，需要科研工作者继续探索，为临床早期干预基底动脉瘤患者提供帮助。