应用数值模拟技术在脑梗死的研究进展

陈晓琴 成志国 陈广新 明照凯 钟彦 沈文哲 周志尊

[摘要]脑梗死是大脑供血动脉的狭窄或闭塞，引起脑组织血液供应障碍从而导致脑组织坏死及软化。近年来，使用数值模拟技术分析脑梗死已逐渐成熟，可进行定量定性的计算。本研究查阅相关数值模拟研究内容，介绍相关参数指标，分析数值模拟技术应用于血管分叉病变及脑梗死研究，得出高低值壁面切应力的不同作用机制及高壁面压力导致斑块形成的可能机制，同时明确极低或较高壁面剪应力及高振荡剪切指数更易造成动脉粥样硬化斑块的形成，以及动脉血管改变（如狭窄或闭塞等）易发生不稳定的血流动力学变化，使脑梗死发生概率增大，明确了数值模拟技术在脑梗死发生中的重要作用。

[关键词]脑梗死;数值模拟技术;动脉粥样硬化;壁面切应力;壁面压力

[中图分类号]R739.4;R273    [文献标识码]A    [文章编号]2095-0616（2022）05-0057-04

Research progress of the application of numerical simulation technology in cerebral infarction

CHEN Xiaoqin    CHENG Zhiguo    CHEN Guangxin    MING Zhaokai    ZHONG Yan    SHEN Wenzhe    ZHOU Zhizun

School of Medical Imaging，Mudanjiang Medical University，Heilongjiang，Mudanjiang 157011，China

[Abstract] Cerebral infarction is the stenosis or occlusion of cerebral blood supply arteries，which leads to the blood supply disorder in brain tissues，thus resulting in brain tissue necrosis and softening. In recent years，the application of numerical simulation technology to analyze cerebral infarction has gradually grown mature，which can be used for quantitative and qualitative calculation. This paper refers to relevant numerical simulation researches，introduces relevant parameters and indexes，analyzes the application of numerical simulation technology in the studies of vascular bifurcation lesions and cerebral infarction，and obtains different action mechanisms of high and low wall shear stress and the possible mechanism underlying plaque formation caused by high wall pressure. At the same time，the paper clarifies that very low or relatively high wall shear stress and high oscillatory shear index are more likely to incur the formation of atherosclerotic plaque，and that arterial changes （such as stenosis or occlusion）are prone to result in unstable hemodynamic changes，which increases the probability of cerebral infarction. This paper also specifies the important role of numerical simulation technology in the occurrence of cerebral infarction.

[Key words] Cerebral infarction;Numerical simulation technology;Atherosclerosis;Wall shear stress;Wall pressure

腦梗死指大脑供血动脉（如颈动脉和椎动脉）的狭窄或闭塞以及脑组织血液供应障碍，一类由缺血、缺氧引起的局部脑组织发生坏死或软化，并引起相应神经功能缺损的临床综合征[1-2]。脑梗死严重危害着全球人类的生命健康，因此预先确定引起脑梗死的危险因素对预防疾病具有关键意义[3]。

目前对于脑梗死的临床病因已有较多研究，但相关研究表明，血流动力学参数中壁面切应力等作用于血管壁与血流速度改变相关的参数，可影响动脉粥样硬化的形成[4]。三维重建可使图像可视化，具有准确测量和处理工具，将医学影像图像转变为计算机模型，用于后续数据研究，处理后的图像为STL文件保存，进行网格操作和血流动力学参数计算。应用数值模拟技术对血管进行模拟计算已非常成熟，有较多可供参考的技术路线，故可行性较高，以CT扫描图像为基础，获取CTA等数据，计算机程序自动生成冠/矢/横断面的图像，可构建真实患者的个体化局部血管模型，基本上可与病变血管形态学表现一致，在最大程度上保存了原始病例信息。使用数值模拟可以对脑梗死相关信息进行定量定性的计算，并且较其他实验方法具有无创性、真实性及有效性[5]。

1    数值模拟基本步骤

在临床辅助工作中，影像学技术处于不断发展中，通过CTA、DSA及MRA等可使病变血管更为准确地显示出来[6]。以真实患者扫描图像为基础获取原始图像数据，以DICOM通用格式存储，采用MIMICS （比利时，Materialise）等通过阈值分割及区域增长等工具构建个体化局部血管几何模型，在最大程度上保存了基本病例信息。将几何模型导入图像处理软件，可进行光滑三角面片网格、网格化分计算和提高、血流动力学参数指标分析等[6]。默认实际全血数值属性设定为层状血流、牛顿液体，血管壁材料属性设置为光滑、无滑移无渗透的刚性管壁[7]。

2    数值模拟分析参数与动脉粥样硬化进展的关联

动脉血液流动过程中，会对血管壁产生两个作用力，一个是血液流动时与血管壁平行的摩擦力，即壁面切应力（wall shear stress，WSS）;另一个是与血管壁垂直即使血管壁得以拉伸的作用力，即壁面压力（wall pressure，WP）[8]。

2.1    壁面切应力

WSS是血流流动时与管壁内腔不断摩擦所产生的一种作用力[9]。低WSS能导致内皮细胞功能紊乱致使内皮细胞损伤，主要是通过活性保护因子分泌减少及分泌血管损伤因子增多[10]。低WSS时，内皮细胞功能失调同时血液淤滞，导致周边细胞吸收致动脉粥样硬化因子增多，易形成斑块等病变[11]。高WSS与低WSS引起动脉粥样硬化的发生机制不一样，有学者认为在低WSS范围时，部分内皮细胞功能性的障碍和局部炎症，若伴随高胆固醇血症，在低WSS导致动脉重构基础上会使斑块附近发生明显的力学变化，即临近斑块区域的内皮细胞较正常血管壁上表达出高水平的WSS，当WSS超过一定范围时，血管内皮细胞更易形成动脉粥样硬化斑块[12]。

2.2    壁面压力

WP为血液在流动过程中对血管壁的垂直作用力[13]。WP在正常血管内表现为沿血液流动方向降低趋势;但当动脉出现分叉时，在分叉内侧会呈现出高范围的WP。血管分叉处使血液行进方向发生改变，此时血液会受到一个作用力进而导致速度发生变化，WP即为该作用力的反作用力[14]。低范围的WP与增厚的血管壁紧密联系，此区域更易发生并促进动脉粥样硬化斑块等病变的形成，但目前此机制尚不明确，推断是因为全血中的促进斑块形成成分（如单核细胞和脂蛋白）在压力差的作用下被动迁移至低WP区，即显著聚集于压力骤变部位;同时，不同范围的WP对动脉内皮细胞产生不同程度的影响，动脉压力不稳定时，导致斑块成分再次分布，形成新的聚集区域[15]。

3    应用数值模拟仿真技术对脑梗死的研究进展

影响血管疾病的因素繁多，本研究探讨使用数值模拟技术分析血管内血流动力学改变情况和血管管壁承受的生物作用力变化，继而对疾病提供可靠治疗方案和达到有效预防。

3.1    应用数值模拟对动脉血管分叉处病变的研究

年龄、吸烟、高血压是动脉粥样硬化等病变形成的高危险因素，但是血管粥样硬化的发生仍具有明显的生物几何倾向，如血管分支处。相关研究证实，颈部血管最易发生粥样硬化为颈总动脉分叉处，在此区域表现为较低的WSS与振荡剪切指数（oscillation shear index，OSI）[16]。Morbiducci等研究证实，测量颈内外动脉分叉处的面积较研究颈动脉球内部的复杂血流作用更能及时可靠地预测WSS在颈动脉球部的表现情况，离体实验也表明颈动脉粥样硬化发生阶段与低范围内的WSS和OSI有紧密关系[17]。Jia等的研究中，以磁共振MRA真实患者扫描图像为基础，构建几何流体模型并分析相关力学指标参数得出粥样硬化区域伴有紊乱血流与低范围的WSS[17]。姜宗来等[18]研究提及血流流动形态特征：当动脉管壁处斑块发生破裂时，血液流速局部提高出现高范围WSS。Gijsen等[19]实验中发现，冠状动脉左侧主干分叉处斑块的形成与高范围的WSS存在联系，这也可能是导致左侧主干处外侧壁频发硬化伴斑块的原因之一。刘玉倩等[21]纳入冠状动脉分叉病变的患者CTA图像，构建出植入虚拟支架前后冠状动脉流体模型，得出植入支架后，冠状动脉整体的血液流速降低、壁面剪切应力降低[20]。鹿晔等[21]提取动脉粥样硬化患者CT扫描图像，得出血管的分叉处血流动力学参数具有较大波动变化，在分叉部位会存在极低的切应力即极易形成动脉粥样硬化等病變，在此病变形成后导致分叉远心端的力学环境发生较大变化，呈现出极低的切应力，形成血管壁的进一步恶化。

3.2    数值模拟对脑梗死的研究

李华文等[22]探讨早期急性脑梗死患者脑血管血流动力学改变情况，得出脑血管血流动力学改变对早期急性脑梗死患者的诊断及病情评估具有重要临床意义。谭乃杰等[23]得出一旦某支颅内外动脉重度狭窄或闭塞时就会发生血流动力学障碍，即病变血管内血液压力差明显增大，血管性侧支通路和吻合血管增粗开放，使病变血管供应的脑组织的缺血状态得到不同程度的代偿，保证大脑的血供。Qiao等[24]进行脑梗死组血流动力学的研究，表明脑梗死组别血管病变处WP明显增高且血流状态呈现不规律改变。

4    小结

目前数值模拟参数方面的研究，多集中在WSS及WP两项主流指标参数上，本文分析了高低值WSS的不同作用机制及高WP导致斑块形成的可能机制;在采用数值模拟技术分析血管分叉病变上，总结出极低或较高WSS及高振荡OSI更易造成该区域的动脉粥样硬化斑块的形成;在脑梗死研究上，表明动脉血管改变（如狭窄或闭塞等）易发生不稳定的血流动力学变化，从而使脑组织缺血发生概率增大，与脑梗死形成密切相关。

數值模拟分析正在成为研究脑梗死疾病发生发展的主要方向，在真实数据下进行WSS、WP及OSI等血流动力学参数指标分析，对动脉粥样硬化及斑块的形成进展有更深一步的认识，同时可以结合临床检查与既往病例，对高危险人群提供更进一步有效预防，为延缓及阻止脑梗死相关疾病的发展提供新思路。

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