大脑中动脉狭窄形态学与血流动力学的数值模拟相关性分析

钟 彦 明照凯 陈晓琴 成志国 陈广新 于广浩

牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江牡丹江 157011

缺血性脑血管病是一种病因尚未明确的慢性闭塞性颅脑血管疾病，常表现为颈内动脉（internal carotid artery，ICA）或大脑中动脉（middle cerebral artery，MCA）渐进性狭窄、闭塞，欧美人群和亚洲人群分别好发于ICA起始部和MCA起始部M1段[1-3]。在临床工作中通常用磁共振血管造影、CT血管造影（CT angiography，CTA）和数字减影血管造影对患者进行颅颈动脉狭窄的检查[4-6]，其中CTA能够清晰显示MCA狭窄、闭塞情况，且创伤性较小，是研究MCA动脉粥样硬化的重要影像学方法。

随着计算流体力学（computational fluid dynamic，CFD）在医学的广泛应用[7-8]，许多学者研究发现动脉粥样硬化血管存在血流动力学改变[9-12]。目前大脑中动脉狭窄形态学与血流动力学的相关性研究较少，因此本研究通过测量MCA-M1段狭窄的多项形态学数据和计算血流动力学常见参数，探讨狭窄发生发展过程中形态学与血流动力学之间的内在联系。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019年7月至2022年3月牡丹江医学院附属红旗医院影像科诊断为MCA-M1段狭窄的21例患者CTA图像，其中男15例、女6例，年龄30～69岁，平均（53.38±10.54）岁。本研究经牡丹江医学院附属红旗医院医学伦理委员会审核通过。

纳入标准：①经CTA明确诊断为单侧MCA-M1段动脉粥样硬化性狭窄；②影像学资料完整；③颅内其余血管未见明显病变及狭窄；④患者知情同意。

排除标准：①患有心力衰竭、恶性肿瘤及经过颅脑外科手术、颅内血管介入手术患者；②由于先天性因素如先天性肌纤维发育不良导致的大脑中动脉狭窄；③无法完成CTA检查。

MCA-M1段狭窄率、狭窄体积计算方法如下：狭窄率=[（狭窄远端正常直径-狭窄段最窄直径）/狭窄远端正常直径]×100%[13]；狭窄体积=MCA-M1段血管体积-大脑中动脉M1段正常血管体积；本实验中的形态学数据由MIMICS和3-MATIC软件测得。

1.2 建立模型

在MIMICS和3-MATIC软件分别完成3D模型重建（图1），光滑后将3D模型导入ANSYS FLUENT计算机软件中进行有限元网格划分，本研究模型网格数范围为400 000～1000 000，检验合格后在ANSYS CFX软件中进行血流动力学计算。边界条件设定如下：血管壁设定为刚性壁；血液定义为不可压缩的牛顿流体，血液流动状态为层流并满足Navier-Stokes方程，其中血液密度ρ=1066 kg/m3，血液黏滞系数μ=0.0035 Pa·s；入口及出口条件均来源于数据库，入口和出口形式分别为速度、压力，两者均随心动周期发生变化。在本次仿真模拟过程中，每个3D网格模型计算3个心动周期，每个周期分100步共0.8 s，将最后一个周期结果导出至CFD POST软件进行参数可视化处理。

图1 大脑中动脉狭窄3D模型

1.3 血流动力学参数

本项研究计算了壁面剪切力（wall shear stress，WSS）和震荡剪切指数（oscillatory shear index，OSI）两种血流动力学参数，两种参数均取自最后一个周期的最后一刻，且均为峰值。其中WSS是血液与血管壁之间的摩擦力，它能被内皮细胞顶端的机械传感器感知，从而诱导细胞和分子发生变化[14]。OSI是由壁面剪切力求得的无量纲参数，范围为0～0.5[15]。

1.4 统计学方法

采用SPSS 25.0软件对形态学和血流动力学结果进行统计与分析。由于狭窄体积不符合正态分布，其余连续变量符合正态分布，因此采用Person相关和Spearman相关两种统计学方法分析大脑中动脉狭窄的形态学与血流动力学之间的相关性，以P＜ 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 MCA-M1段狭窄的血流动力学基本特征

研究发现MCA-M1段狭窄区域WSS明显增大；狭窄区域OSI未见明显异常，狭窄两端正常区域OSI升高（图2～3）。

图2 大脑中动脉狭窄WSS云图

图3 大脑中动脉狭窄OSI云图

2.2 形态学与血流动力学统计分析结果

形态学及血流动力学基本情况见表1；统计发现血管狭窄率、狭窄体积与OSI无明显直线相关；狭窄长度与OSI、WSS均无明显直线相关；而MCA-M1段狭窄率与WSS呈正相关（rs=0.788，P=0.000）；狭窄体积与WSS呈负相关（rs=-0.769，P=0.000）（图4～6）。

表1 形态学与血流动力学基本情况

图4 狭窄率与WSS、OSI的相关性结果

图5 狭窄长度与WSS、OSI的相关性结果

图6 狭窄体积与WSS、OSI的相关性结果

3 讨论

颅脑狭窄血管的形态学改变常引起血流动力学变化，探索两者之间的内在联系，有助于临床评估脑缺血事件发生的风险，对颅脑动脉粥样硬化狭窄的预防及治疗具有重要意义。本实验通过CFD研究发现大脑中动脉狭窄处及两端血流动力学发生明显区域性改变，并且动脉的狭窄率、狭窄体积与WSS相关性显著。

WSS和OSI是血流动力学仿真模拟中较常见的两种参数。有研究发现血管长期处于低循环及低水平WSS容易产生动脉粥样硬化斑块，OSI也与动脉粥样硬化形成关系密切，是研究动脉狭窄发生发展的重要血流动力学参数[16-18]。MCA-M1段是颅内动脉粥样硬化的常见部位，且其走行较为平直能减少其他形态学因素对血流动力学的影响，因此将其作为本研究对象，研究结果显示狭窄段WSS升高而狭窄下游或两端出现OSI增大。有学者认为血管处于高WSS、低OSI状态下，低密度脂蛋白对动脉管壁的渗透性增加、局部密度增大，从而引起动脉粥样硬化及进一步狭窄，此外高WSS容易引起不稳定斑块破裂出血并继发血小板聚集，发生急性血栓事件的风险增加[19-21]。

本研究结果显示，血管狭窄率、狭窄体积与OSI无明显直线相关，狭窄长度与OSI、WSS均无明显直线相关，考虑狭窄长度对血流动力学影响较小，此外实验存在如血管迂曲程度及直径等形态学因素的干扰。MCA-M1段狭窄率与WSS呈正相关（rs=0.788，P=0.000）；狭窄体积与WSS呈负相关（rs=-0.769，P=0.000），提示狭窄率越高、狭窄越局限，WSS越高，血管易发生进一步狭窄及狭窄处不稳定斑块破裂，临床需给予充分重视及积极预防治疗。

本研究还存在以下不足：首先，实验样本数较少，可能会导致结果偏移，在今后的研究中需要增大样本量；此外，本实验的入口、出口条件均来源于数据库，与个体真实病例数据存在一定差异，后期研究可考虑采用经颅多普勒超声获得病例特异的血管入口流速及出口压力，使CFD仿真模拟结果更为准确真实；动脉粥样硬化的发生发展是多种因素共同作用的结果，本研究由于样本量较小并未对临床各种危险因素进行校正，后续实验需在扩大样本量的同时对病例进行筛选。

综上所述，MCA-M1段狭窄时血流动力学发生改变，并且狭窄率越高、狭窄越局限时WSS越高，可为临床工作者了解狭窄患者血流动力学情况提供一定帮助。