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颅内动脉瘤的数值模拟研究现状和进展

2019-01-07 15:21 来源:未知

  作者:王明宇,山西医科大学;连世忠,范益民,刘跃亭,山西医科大学第一医院

  颅内动脉瘤破裂导致蛛网膜下隙出血具有极高的致死率和致残率。尽管国内外对动脉瘤的发病机制研究多年,在研究方法上取得较大进步,但对于其明确的形成过程存在争议。随着医学影像学和影像诊断技术进步,越来越多颅内未破裂动脉瘤检测发现。由于颅内动脉瘤年破裂率为1%~2%,既往凭经验治疗易造成过度医疗。如何评估其破裂风险、选择恰当的治疗时机与合适的治疗手段,成为国内外神经科医生共同面临的挑战。

  动脉瘤的发生、发展和破裂与动脉壁病理性重塑有关,是生物化学和生物力学因素之间复杂的相互作用过程。涉及各种酶和相关蛋白质退化、炎症和修复,它们在动脉壁的表达受血流动力学因素影响。血流对管壁机械应力变化,可改变内皮细胞的功能,损伤内皮细胞结构的完整性,并影响血液中各种细胞与内皮细胞之间酶的转运。在血流动力学参数中,壁面切应力(wallshearstress,WSS)可敏感地作用于内皮细胞已广泛研究。Nixon等综述中明确WSS在颅内动脉瘤和动脉硬化中的作用。由于颅内血管走行复杂且被颅骨包裹,现有医学检查手段均难以精准定位动脉瘤位置进行在体血流动力学监测。

  基于影像学计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)数值模拟分析以其经济、快捷的特点,成为目前检测颅内动脉瘤血流动力学的重要方法。随着医学影像技术发展,高清的血管造影图像通过计算机可转换为三维模拟几何数据并直观表现,因此,基于动脉瘤实体形态的数值模拟技术一直在进步。

  阐明参与动脉瘤发病机制的血流动力学因素,为动脉瘤的生长与破裂提供较好的理解和诊断。介入栓塞治疗的效果亦可通过分析动脉瘤内血流动力学改变评价。数值分析的血流预测可为介入治疗计划提供依据。目前国内数值模拟技术尚未推广,大多数医院不能测量颅内动脉瘤血流动力学,对动脉瘤破裂风险的评估仅凭经验判断。对疾病的诊疗决策,医生的任何经验不足成为依据。现根据颅内动脉瘤的发生、发展和破裂及不同手术方法进行论述,探讨影响动脉瘤的主要血流动力学因素和数值模拟技术在其中的应用。

  Steinman等首次运用3D血管造影图像建立CFD模型,对利用数值模拟技术改善临床实践一直寄予厚望。许多研究人员已确定动脉瘤血流动力学的不同相关变量,并提出一些关键血流动力学参数,包括WSS,WSS梯度,切应力震荡指数(oscillatoryshearindex,OSI),流速、血流模式等。临床许多研究认为WSS是动脉瘤发生、发展和破裂的关键因素,它是具有争议的变量。

  WSS是评估动脉瘤破裂风险的重要指标。Xiang等报道,由于动脉瘤发病机制的复杂性,低水平和高水平WSS均可能与动脉瘤破裂相关。高水平WSS可能引起血管壁细胞应力破坏性重塑,类似于动脉瘤的发生过程(薄壁小动脉瘤,Ⅰ型);然而低水平WSS可能触发炎症细胞介导的破坏性重塑途径,类似于动脉粥样硬化(厚壁大型动脉瘤,Ⅱ型),Ⅰ型、Ⅱ型混合型动脉瘤则兼具低水平和高水平WSS。这似乎符合Cebral等2013年运用数值模拟评估和治疗动脉瘤的观点,指出所有的风险变量可能不单独起决定性作用,由于动脉瘤的发生是一个生物力学和生物化学因素相互作用的复杂过程。

  大多数颅内动脉瘤发生在动脉分叉处或弯曲血管的外侧壁,提示血流动力学因素影响动脉瘤的形成。血流冲击分叉和弯曲部位的血管,在管壁周围产生不稳定涡流,管壁在涡流的反复冲击下可能产生疲劳,引起局部血管内皮细胞发生形态和功能变化。冲击点附近的WSS处于高水平(100dyne/cm2),其空间压力梯度较大。有动物实验表明,高WSS导致动脉内皮细胞结构和功能损伤。内皮细胞对WSS和机械应力敏感,研究者认为高WSS、高WSS梯度、高压力和高压力梯度可能是颅内动脉瘤发生的必要条件。

  Boussel等在颅内动脉瘤病人不同时间点MR血管造影基础上计算WSS(两次检测间隔时间为16.4个月±7.4个月),发现平均时间内低WSS水平与动脉瘤的生长具有显著相关性。高OSI和低WSS对动脉壁粥样硬化的作用已广泛研究并达成共识。尽管动脉瘤生长不同于动脉粥样硬化,混杂血流和低WSS通过相似炎症反应介导的血管壁重塑导致动脉瘤生长和破裂。低WSS(4dyne/cm2)导致内皮细胞增殖和凋亡。最近一项研究发现,动脉瘤内WSS明显低于周围血管,且在病人动脉瘤模型中发现低WSS与动脉瘤生长密切相关。

  动脉瘤壁张力超过壁组织的机械强度时破裂发生。由基质变薄和胶原纤维缺乏引发的瘤壁病理性重塑与瘤壁局部弱化密切相关,其中血流动力学因素起重要作用。因此,高压力和WSS可能直接导致管壁破损,而低WSS和复杂的血流模式通过管壁病理性重塑逐渐导致管壁局部弱化,最终破裂。Lu等使用三维重建的破裂和未破裂颅内动脉瘤血管造影进行数值模拟分析,发现破裂组低WSS占区域较大且OSI明显升高。

  张莹等对22例未破裂动脉瘤和8例破裂动脉瘤进行数值模拟分析,指出低WSS可能是颅内动脉瘤破裂的主要风险。颅内动脉瘤的形成是一个复杂过程,血流动力学因素在动脉瘤的发生、发展和破裂中起基础作用。研究较多且重要的是WSS,与其相关的参数有WSS梯度、OSI等。对未破裂动脉瘤,是否及何时需要手术干预,不仅依据动脉瘤形态学特征,还根据血流动力学特点进行WSS、流速、血流模式等因素综合评估,为进一步理解动脉瘤发病机制和辅助临床诊疗决策提供新思路。

  21世纪初,已利用数值模拟研究动脉瘤的手术操作,如开放式手术、介入栓塞和支架导流。关于这个主题进行大量的研究,可根据颅内动脉瘤不同的治疗方法分类如下。

  2004年—2016年,发现大量经血管内弹簧圈栓塞动脉瘤术后的数值模拟分析,这些研究或采用介观方法,将弹簧圈的几何形状考虑在内;或采用宏观方法,弹簧圈的质量被多孔介质代表。Mitsos等第1次尝试利用多孔介质模拟弹簧圈,基于一个破裂的前交通动脉瘤3DDSA图像建立CFD模型,发现栓塞术后动脉瘤内涡流明显减少且瘤顶WSS明显降低。Wang等采用各向同性的多孔介质建立CFD模型研究弹簧圈栓塞术后的巨大椎基底动脉交界处动脉瘤。新近一项研究说明可利用数值模拟技术对弹簧圈的设计进行优化。

  支架导流已被临床用于治疗颅内动脉瘤,许多数值模拟研究表明这些设备通过减少动脉瘤内血流诱导瘤内血栓形成。Tremmel等研究单一或多个自膨式支架单独或结合球囊扩张治疗宽颈基底动脉主干囊状动脉瘤,发现随着支架数目增多瘤内平均血流速度和WSS降低,因此推荐多重支架治疗颅内动脉瘤。一些研究者建议慎重考虑置入支架,认为治疗后动脉瘤压力增加导致破裂,特别是伴有近端狭窄的巨大动脉瘤。

  颅内动脉瘤破裂引起的蛛网膜下隙出血严重威胁人类生命,其特殊的解剖位置和结构特点令其血流动力学难以测量。近年来血管造影技术突飞猛进,分辨率不断提高,从二维发展到三维,动脉瘤形态学特征已明确。研究者利用计算机软件和医学影像技术开辟数值模拟研究颅内动脉瘤的新方法。

  Clark等建立Willis环的动脉网格数值仿真模型,随着计算机技术发展,之后有关颅内动脉瘤的数值模拟不断完善。血管壁特性由线弹性到非线黏弹性,流动由定常流发展到不定常流。基于有限元法建立起来CFD数值模拟研究使得这一过程变得方便、经济、快捷。由于血液的非牛顿特性,其本构方程极其复杂;血管壁呈黏弹性,与血液运动耦合;动脉瘤及载瘤动脉形态多样,且存在明显的个体差异等,得到精确的血流动力学参数较困难。因此,提出以下建议:①通过更多的基础实验验证模拟的准确性;②通过更多大样本的数据分析不断调整参数设置;③通过研究流固耦合更好地了解详细的血管重建过程与动脉瘤发生、发展和破裂的关系;④工程师与医生之间加强沟通、组织与协作。科学研究是一个由简单到复杂的过程,目前无法精确在体测量颅内动脉瘤血流动力学情况下,数值模拟已成为主要方法之一。即使存在不足,但数值模拟研究是随着计算机技术和医学影像学的发展为颅内动脉瘤的实际情况提供新方法。

  来源:明宇,连世忠,范益民,刘跃亭.颅内动脉瘤的数值模拟研究现状和进展[J].中西医结合心脑血管病杂志,2018(05):567-569+612

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