基底动脉瘤数值模拟仿真模拟研究

樊俊杰 陈广新 郭金兴 张 洋

1.牡丹江医学院卫生管理学院，黑龙江牡丹江 157011；2.牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江牡丹江 157011；3.牡丹江医学院附属红旗医院眼科，黑龙江牡丹江 157011；4.牡丹江医学院附属第二医院检验科，黑龙江牡丹江 157011

基底动脉瘤（basilar tip aneurysm，BTA）是指基底动脉局限性扩张导致的动脉退行性疾病，是基底动脉较为常见的疾病[1]。先进化的现代影像设备使BTA 发现率升高，同时BTA 位于大脑后循环关键位置，涉及基底动脉、大脑后动脉等主要血管，易发生破裂等危急情况，具有较高致残率，故早期识别BTA 及评估破裂可能具有重要意义[2]。目前BTA 的发病机制仍处于研究中，大部分研究者认为动脉瘤形成与管壁炎症、内皮细胞凋亡等病理异常改变有密切关系；同时也有学者提出瘤体本身及载瘤动脉的血流动力学改变也与动脉瘤破裂有关[3]。计算机数值模拟通过血流动力学仿真，可对瘤体内部血液流动速度分布、血液流线及血管壁面压力等参数进行分析，直接观测BTA 的流体变化，对动脉瘤的发生、破裂进行研究，为个体化治疗提供参考[4]。计算机数值较动物基础实验具有有效、无创等优点，并且能获得更为准确的研究信息，是研究体内血流情况的良好工具，并有望更好地指导BTA的治疗。因此本研究通过建立个体化BTA 计算机仿真模型，分析血流速度、壁面压力（wall pressure，WP）及震荡剪切系数（oscillatory shear stress，OSI）等血流动力学参数情况，辅助临床BTA 的诊治。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集牡丹江医学院附属红旗医院2018 年1 月至2020 年1 月诊断为BTA 及正常基底动脉的磁共振血管成像（magnetic resonance angiography，MRA）图像各20 例，在放射科进行原始影像数据采集，光盘存储时选用国际通用DICOM 格式。动脉瘤组男10 例，女10 例；对照组男9 例，女11 例。动脉瘤组平均年龄（56.31±4.32）岁，对照组平均年龄（54.52±3.56）岁。动脉瘤组2 例伴有恶心呕吐，3 例步调不稳，1 例意识障碍，4 例头晕；对照组1 例头痛，3 例视物模糊，4 例嗳气。两组一般资料比较，差异无统计学意义（P＞ 0.05），具有可比性。本研究经医院医学伦理委员会批准，患者或患者家属签署知情同意书。

1.2 BTA数值模型的构建及求解方法

1.2.1 提取原始图像及创建动脉模型 使用MIMICS 软件（比利时，Materialise 公司）建立基底动脉模型。建模中使用剖面线、编辑掩膜、形态运算等功能，对初始3D 模型进行一系列处理操作（图1）。将模型导入3-MATIC 软件（比利时，Materialise 公司）中进一步光滑，最后垂直于中心线进行模型边缘裁剪，创建出入口平面，进行模型诊断，保存为STL 格式（图2）。

图1 MCAA 的矢状位图像

图2 动脉模型

1.2.2 创建网格模型 将模型导入ANSYS FLUENT MESHING（美国，ANSYS）软件中进行几何检查，并定义模型出入口，对模型进行面及体网格划分，并提高网格整体质量。所有模型网格数量分布在96 474 ～1024 245，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6 层边界层加密处理，初始高度为0.12 mm，层高生长因子为1.0[8]。

1.2.3 边界条件设定 椎动脉入口采用速度入口（图3），出口压力设为0，假定刚性血管壁，血液状态为脉动层流，血液密度ρ=1050 kg/m3，设置血液黏度为4 g/（m·s），计算运行使用Fluent（美国，ANSYS）软件[5]。

图3 椎动脉入口速度曲线

1.2.4 方程求解设置 求解器为3D 耦合式，梯度、压力选用可见离散格式，残差设置为10-5。心动周期为0.8 s，计算三个周期，保存最后一个周期计算结果，使用Ensight 软件进行后处理云图输出。

1.3 统计学方法

由2 名熟练后处理操作的医师进行基底动脉血流速度、WP 及OSI 的采点，两位医师在采点前接受统一培训，采点结果数据一致性检验良好（kappa=0.763）。采样点为20，重复试验3 次，可重复性高，取平均值后保存，应用SPSS 26.0 统计学软件进行分析，数据以均数±标准差（s）表示，进行独立样本t检验比较，P＜ 0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组血流动力学参数比较

动脉瘤组血流动力学参数均高于对照组，差异有统计学意义（P＜ 0.05）。见表1。

表1 两组血流动力学参数比较（x ± s）

2.2 动脉瘤血流速度云图

图4 显示了动脉瘤血流速度结果。对照组为均匀稳定血流，血流速度较低，在基底动脉末段可见稍高速血流及低速紊流共同存在，系血管几何分支导致血流撞击可能。动脉瘤组可见基底动脉血流速度较高，瘤颈部入口速度较快，流入扩张瘤腔内速度减慢，瘤体内表现为低速涡流，血流主要撞击点为左侧瘤壁处，伴双侧大脑后动脉速度明显升高。

图4 血流速度云图

2.3 动脉瘤WP云图

图5 显示了动脉瘤WP 结果。对照组WP 较低，但双侧椎动脉及小脑前下动脉起始部WP 略高，推测与该处血流流量较大及血管管径较细有关。动脉瘤组高WP 值集中于双侧椎动脉，推测可能与BTA 影响入口血液流动有关。另外瘤体整体WP 较均匀，呈现稍高WP，余血管区域未见明显异常波动。

图5 WP 云图

2.4 动脉瘤OSI云图

图6 显示了动脉瘤OSI 结果。对照组椎动脉汇合处、双侧小脑前下动脉及双侧大脑后动脉起始部可见小片状稍高OSI，多因上述血管区域为血管分叉处，伴有正常血流方向改变。动脉瘤组高OSI 集中位于瘤颈部及左侧瘤体部，OSI 不稳定，与血流速度低速涡流区域重合，余血管区域未见明显异常。

图6 OSI 云图

3 讨论

BTA 位于后循环关键位置，涉及周围邻近血管较多，具有高破裂风险及高致死率。计算机数值模拟分析具有基础实验、动物实验难以实现的瞬态血流动力学参数等，并且可以输出云图等直观显示[6]。因此本研究通过建立个体化的BTA 计算机仿真模型，对血流速度、WP 及OSI 等血流动力学参数情况进行讨论。

从血流速度分布云图可见，BTA 瘤颈部处速度较快，流入扩张瘤腔内速度减慢，瘤内表现为低速涡流。文献提及血流速度与血流通过处管腔横截面的面积呈负相关，即当血液通过横截面积较大的血管时（如瘤腔内），血流速度较低；而通过横截面积较小的血管时（如瘤颈），血流速度明显升高[7-8]。同时动脉瘤内的血液速度并非均匀一致，瘤颈处的高速涡流主要集中为左侧瘤腔内，这与后文提及的高OSI 区域重合。同时本研究也观察到右侧瘤腔表现为低速血流，红细胞易滞留、聚集，血液中致动脉粥样硬化成分停留时间加长，这可能也是动脉瘤内易形成血栓的原因之一[9]。

从WP 分布云图可见，动脉瘤组高WP 分布在双侧椎动脉，推测可能与BTA 影响入口血液流动有关[10]。瘤体整体WP 较均匀，呈现稍高WP。基底动脉的形态和功能主要是由血管壁中层的弹性纤维和胶原纤维产生的弹性牵引力维持，在正常壁压时，这种状态维持稳定，但处于高WP 时，上述纤维结构持续遭到破坏，管壁稳定性改变，促使动脉瘤形成，并推动动脉瘤发展[11-12]。最终当病变血管壁承受的应力超过极限时，动脉瘤便会破裂、出血。

从OSI 分布云图可见，动脉瘤组高OSI 集中为瘤颈部及左侧瘤体部，并可见OSI 波动不稳定，与研究低速涡流区域重合。OSI 为无量纲参数，其数值范围为0 ～1，数值为0 时，代表血液为层流状态[11-13]；数值越大，血流状态越不稳定，易发生血流之间的相互碰撞[14-15]。结合血流速度分布云图可以看出，BTA 瘤腔内高OSI 区域也是紊流分布区域，进一步促使低密度脂蛋白沉积，导致血栓的形成。

综上所述，本研究采用BTA 模型，分析动脉瘤引起的血流动力学差异，获得了BTA 模型的血流动力学参数，数值模拟结果血流速度、WP 及OSI 三项指标，动脉瘤组其数值均高于对照组，差异有统计学意义（P＜ 0.05）。动脉瘤颈处的血流速度大于瘤腔内的血流速度，表现为高速血流向低速涡流转变，血流主要撞击点为左侧瘤壁。动脉瘤组高WP主要分布在双侧椎动脉，瘤体整体为均匀稍高WP。动脉瘤组高OSI 集中分布瘤颈部及左侧瘤体部，并且OSI 不稳定，与低速涡流血管区域重合。BTA 血流不稳定，表现为高WP 及波动OSI，以瘤颈及左侧瘤壁区域明显，血管壁损伤概率较大，瘤体破裂风险增加，临床应着重关注该区域，进行个体化治疗。本研究为BTA 等心脑血管疾病提供理论依据，并为动脉瘤血管支架手术提供血流动力学支持。