胡桃夹综合征血流动力学的血管建模研究

张世坤，唐璐，徐小杰，赵英红*

胡桃夹综合征是指左肾静脉将血液送入下腔静脉途经肠系膜上动脉与腹主动脉形成的夹缝时，由于夹角过小左肾静脉受到了压迫，导致左肾静脉血液流动受阻引起的左肾静脉血流动力学异常现象。然而对于胡桃夹综合征的诊断，目前还没有统一的国际标准或医学上一致认定的标准。肾静脉造影是诊断胡桃夹综合征的“金标准”［1-2］，但为有创性检查。正常状态下左肾静脉比下腔静脉的压力梯度高0～1 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa），二者之间压力梯度＞3mm Hg 可作为诊断胡桃夹综合征的标准［3-10］。但通过此侵入式方法对左肾静脉进行压力测定，操作过程复杂且有创，对于不需要放置血管支架的患者来说难以接受。因此，如何通过无创方式提供更多与病变相关的量化参数，是胡桃夹综合征临床诊断、治疗依据研究的重点。然而，由于缺乏综合性报道，对左肾静脉不同狭窄程度引起左肾静脉与下腔静脉压力差、左肾静脉血流动力学参数的变化未见相关的数据资料。为此，本研究利用患者自体CT 影像数据，通过计算流体力学的方法对人体左肾静脉进行血管精准建模，同时对模型进行血流动力学模拟计算，将胡桃夹综合征患者病变血管的血流动力学参数分布可视化，并与超声测得的血流动力学信息及内径做比较，寻找诊断胡桃夹综合征更有力的依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选择2019 年9 月至2021 年3 月在徐州医科大学附属医院就诊的70例胡桃夹综合征患者为研究对象。纳入标准：（1）年龄≥18 岁；（2）均行CT和超声检查且资料完整；（3）均有左肾静脉受压征象。排除标准：（1）既往因腹部占位、脊柱畸形等致腹部大血管受压、移位者；（2）腹部大血管病变者；（3）有CT 检查禁忌证者。70例研究对象中男39例，女31例；年龄18～49 岁，平均（25.6±10.4）岁。

1.2 影像学扫描

1.2.1 CT 检查方法 采用德国Siemens 双源CT（SOMATOM Force）行腹部CT 血管造影（computed tomography angiography，CTA）检查。患者取仰卧位，足先进，扫描范围自膈顶至耻骨联合水平。采用螺旋扫描模式，管电压120 kV，参考有效mAs 为160 mAs；CARE Dose 4D 动态调节曝光剂量。X 线球管旋转时间0.5 s/周，螺距1.2，探测器准直器96 mm×0.6 mm，FOV 380 mm，扫描层厚5 mm，层间距5 mm，重建层厚1 mm，重建层间距0.5 mm，重建卷积核Bv36，窗宽700 HU，窗位100 HU。对比剂采用碘海醇（碘海醇，GE 医疗药业，规格350 mg/ml），经高压注射器（missouri-XD2001，德国欧利奇医疗有限公司）以4 ml/s 速度注入肘正中静脉，注射剂量1.2 ml/kg。注射造影剂15 s 后启动监测扫描程序，当降主动脉CT 值达到阈值（100 HU）时自动触发扫描。

1.2.2 超声检查方法 采用飞利浦 EPIQ 7超声诊断仪，探头频率为3～5 MHz，患者取仰卧位，腰部垫枕，脊柱过度后伸位，充分暴露中腹部，多切面扫查，横切面声像图观察左肾静脉，并分段测量肠系膜上动脉后方段、肠系膜上动脉左侧段的左肾静脉内径，调整探头角度及声束方向，精确分段测量受压段、受压远心段左肾静脉峰值流速。

1.3 血管的血流动力学建模 将胡桃夹综合征患者左肾静脉增强CT医学图像导入Mimics软件中，设置上、下、右、左四个方向来定位图像，将灰度显示调整为Soft Tissue 模式，如图1 所示；对导入的CT 图像进行预处理，包括阈值分割、动态区域增长两种算法分离出左肾静脉、肠系膜上动脉和腹主动脉，创建蒙板并生成三维模型；对蒙板计算生成的三维模型进行优化，具体为使用Smooth 方法对血管模型进行平滑处理。填补血管蒙板上的空缺，减少三维模型表面上的空洞、毛刺与凹陷，设置适当的平滑指数与迭代次数对所建血管模型的表面做平滑处理，以便于后期有限元分析，通过手动调整阈值上、下限可以将目标区域包括在内且无关组织较少，如图1 所示；将建模后的血管使用四面体法进行网格划分，定义血流出口、入口以及计算域，在出入口及计算域划分边界层改善壁面边界的计算精度，对左肾静脉狭窄病变区域的网格分布做加密处理，建立的左肾静脉网格模型如图2 所示；将网格模型导入ANSYS 17.2 软件中的FLUENT 模块，设置左肾静脉内血液流体为牛顿流体，血液无法压缩，血管无渗透性，血流为层流，流动属于非定常流动，设置血管壁光滑无滑移，管壁为刚性管道。在人体正常体温下将血液密度设置为1 055 kg/m2，黏度设置为0.003 Pa·s。血管入口为速度入口，速度设置为0.5 m/s，血管出口为压力出口，在大气压下不考虑重力相对压力设为零；将划分好网格的两个左肾静脉三维模型导入FLUENT 中，将MESH 网格文件默认单位设置为毫米，残差设置为10-4，模拟类型为稳态计算；采用COUPLED 算法对血流数值模拟计算，将计算模型设置为黏度模型的k-epsilon（2 eqn），设置血液以0.5 m/s匀速流动，血流入口处在有背景压力的情况下设置压力为0，设置200 个迭代步数，待达到所要求的残差值时计算自动停止。

图1 左肾静脉及其毗邻血管三维模型及初始模型Figure 1 Three-dimensional model and initial model on left renal vein and its adjacent vessels

图2 左肾静脉生成的网格模型Figure 2 Grid model generated based onthe left renal vein

2 结果

2.1 影像学检查结果 患者行CT 增强检查，左肾静脉在肠系膜上动脉后方管径变细，测量肠系膜上动脉与腹主动脉夹角为（18.23°±0.26°），分别测量肠系膜上动脉左侧的左肾静脉与狭窄处的左肾静脉内径，二者比值＞4。

2.2 左肾静脉模型血流动力学指标变化 利用患者自体CT 影像数据，成功建立了胡桃夹综合征患者左肾静脉的个体化血管模型（图1、2），模型Ⅰ测得患者左肾静脉入口处内径约为8.6 mm，狭窄处内径约为1.9 mm。通过应用ANSYS FLUENT 模块模拟左肾静脉血液流态。以模型Ⅰ为例，从入口到狭窄部位起始处血液以低速层流方式流动，速度流线相对均匀地分布在血管内部，血液通过狭窄部位时，流速迅速升高，约为63.75 cm/s，速度流线密集地分布在狭窄部位〔图3（a）、（b）〕；该患者同期的超声检查结果见表1，本研究中患者实行平卧位和站立位分别检查，灰阶彩超检查左肾静脉狭窄处的内径和入口处的内径，每次测量3 次，取平均值。频谱多普勒测量左肾静脉狭窄处的流速和入口处的流速，每次测量3 次，取平均值。此外，在大气压下设置出口相对压力为0 Pa 的前提下由图3（c）可以观察到左肾静脉血流入口处压力显示为高压，狭窄处与出口处显示为低压，狭窄处的压力小于入口处，从入口到出口呈现压力递减的特点，狭窄处为压力的极小值点，取值约为802.6 Pa；狭窄远端与狭窄处的压差达到663.4 Pa。由图3（d）可知，左肾静脉壁的切应力除狭窄处外均呈现较低的壁面切应力，越靠近狭窄中心位置切应力越高，峰值可达269.3 Pa。

表1 入组患者超声检查情况Table 1 Ultrasonic examination of enrolled patients

3 讨论

通常左肾静脉走行于肠系膜上动脉和腹主动脉之间，当两者之间的夹角过小时，可发生左肾静脉受压。胡桃夹综合征就是左肾静脉受压后引起的一系列临床症状，可发生于任何年龄，但体质量偏低的青年人多见，受压后左肾静脉血液回流障碍，血流动力学发生改变，静脉压增高，进而出现不明原因的血尿、蛋白尿、性腺静脉曲张等临床表现［2，5，11-17］。通过流体力学数值模拟方法对胡桃夹综合征进行血流动力学变化层面分析，有利于更好地把握和分析胡桃夹综合征的致病机制及治疗方法。模拟计算左肾静脉狭窄处与外扩处的血流动力学特征值，模拟结果的血液流速、壁面静压力、壁面切应力等信息，对研究人体血管在生理和病理状态下的血流动力及内径变化有重要价值。本研究中，胡桃夹综合征患者病变血管内的血流在流速分布上，从入口处至狭窄部位的血液以低速层流方式流动，速度流线相对均匀地分布在血管内部，血液通过狭窄部位时，流速迅速升高，血流从出口喷射而出，速度流线密集地分布在狭窄部位。实验假设血液在血管中的流动方式为层流，由于相互摩擦力的存在，血管管腔中心血流速度最快［18-21］。本研究结果验证了这一点，从图3 中可见狭窄处速度流线显示血流速度呈逐渐向两侧降低的流动状态。左肾静脉狭窄部位流速过快可能会促使血小板与血管内壁频繁碰撞，对血管内皮细胞造成损伤［11，22-24］。

图3 左肾静脉内血流动力学变化Figure 3 Hemodynamic changes of theleft renal vein

此外，从计算结果可以看出，左肾静脉的壁面压力入口处呈现为高压状态，随着血流流向狭窄处压力呈不断下降的趋势，此时狭窄病变端口显示为负压即血管狭窄处压力小于默认设置的大气压，负压可能会导致被压迫处的血管进一步狭窄。在负压环境下，有利于血管的生长成熟，但由于狭窄处的血液流速过快，切应力较大，会对内壁造成持续性损伤，两者相互影响最后可能会加重狭窄程度［25-26］。出口处的低压可能会导致左肾静脉与下腔静脉压差过大，使血流无法顺利回流至下腔静脉。根据文献资料，受到压迫后左肾静脉压力与下腔静脉压力差值大于0.49 kPa 时，即可诊断为胡桃夹综合征［4，27］。结合CT 图像可知，左肾静脉入口处相对较高的压力会导致该处血管扩张〔图1（a）、（b）、（c）〕，此现象也可作为诊断的参照标准之一。

从研究结果也可以分析出胡桃夹综合征的一系列临床症状与壁面切应力变化密切相关。壁面切应力是血流流动过程中对管壁的摩擦力，描述了血流对管壁内皮细胞的作用力，血管形状、大小、血液黏度均会造成影响［28］。壁面切应力不同于壁面压力，壁面压力从入口至狭窄部位压力逐渐降低，壁面切应力除狭窄部位以外均为低壁面切应力区，随着与狭窄中心位置距离缩短，壁面切应力开始逐渐增加，直至中心处达到极大值〔图3（d）〕。血流通过弯曲狭窄部位时，血流速度加快，方向骤变，对管壁的冲击力也会急速增大，因此会对血管内壁造成多重损伤，加重临床症状。如部分患者出现的左腰腹部疼痛就是因为左肾静脉入口处压力增高，使周围静脉瘀血，从而导致疼痛。患者出现血尿也是由于入口处的高压状态导致肾盏静脉破裂出血，血液进入输尿管从而导致血尿［29］。

根据临床资料显示，胡桃夹综合征超声诊断标准：（1）腹主动脉与肠系膜上动脉之间的间隙明显减小，左肾静脉明显受压，其远心端明显扩张，扩张段内径为狭窄处内径的3 倍以上，脊柱后伸20 min 后为 4 倍以上；（2）左肾静脉受压处血流速度加快，其远端扩张，血流速度减慢，频谱低平或消失［1，5，30］。罗晓莉等［30］使用彩色多普勒超声检查多名胡桃夹综合征患者，分别测量腹主动脉左侧左肾静脉扩张处以及左肾静脉狭窄处的内径及血流速度，通过数据统计，扩张处与狭窄处的左肾静脉血管内径比值为（6.5±0.5）∶1，扩张处与狭窄处的左肾静脉血流速度比值为（7.2±0.9）∶1，作为诊断左肾静胡核桃夹综合征的标准，本研究测得的比值为（6.7±0.5），在上述阈值范围内。

本研究建模结果显示，狭窄处左肾静脉内径变小，流速增快，其变化规律与模型显示一致，模型计算结果中的狭窄病变处的流速峰值与患者超声检查血流流速变化相符。通过计算流体数值模拟方法可以无创获取丰富的血流动力学参数变化情况，为该病的临床诊断和治疗提供重要参考。这些数据特征可以作为诊断胡桃夹综合征的重要参考，是临床医生判断患者是否需要进行外科手术的重要参考依据，也是判断术后恢复情况的重要参考指标。本研究不足之处是样本量小，部分患者无法同时具备完整的CT 和超声资料，有待完善样本量进一步研究。

作者贡献：张世坤进行文章的构思与设计、结果的分析与解释、撰写论文和论文修订，对文章整体负责；唐璐、徐小杰进行数据收集、数据整理、统计学处理；赵英红进行研究的实施与可行性分析、文章的质量控制及审校。

本文无利益冲突。