顱內(nèi)動脈瘤的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

1、顱內(nèi)動脈瘤的數(shù)值模擬研究進(jìn)展摘 要：隨著醫(yī)學(xué)檢查技術(shù)和醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展，顱內(nèi)動脈瘤患者被發(fā)現(xiàn)的越來越多，對于顱內(nèi)動脈瘤的治療以 及預(yù)防其破裂是十分緊迫的。近期研究表明，數(shù)值模擬血流動力學(xué)的參數(shù)與動脈瘤發(fā)生、發(fā)展、破裂都有密切的聯(lián) 系，且可以對治療進(jìn)行干預(yù)，模擬治療后的效果。數(shù)值模擬能夠成為研究顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)的重要手段。關(guān)鍵詞：顱內(nèi)動脈瘤；血流動力學(xué)；數(shù)值模擬；計算流體力學(xué)Advances in the Numerical Simulation of Intracranial AneurysmsAbstract : With the development of medical examin

2、ation technology and medical equipment, more and more patients with intracranial aneurysms have been found. It is very urgent to treat and prevent the rupture of intracranial aneurysms. Recent studies have shown that the parameters of numerical simulation of hemodynamics are closely related to the o

3、ccurrence, development and rupture of aneurysms, and can intervene in the treatment and simulate the effect of treatment. The numerical simulation can be an important means to study the hemodynamics of intracranial aneurysms.【Key words : Intracranial aneurysm; Hemodynamics; Numerical simulation; Com

4、putational fluid dynamics0引言顱內(nèi)動脈瘤是局部血管的異常改變而產(chǎn)生的病 理性囊性膨出，是造成蛛網(wǎng)膜下腔出血的首位病因。 非創(chuàng)傷性自發(fā)蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage ，SAH)是一種神經(jīng)系統(tǒng)急癥，占所有中風(fēng) 的1-7%,與SAH相關(guān)的發(fā)病率和死亡率非常高1o 其中，動脈瘤性SAH占81.4%，非動脈瘤性SAH 占18.6%。在我國，顱內(nèi)動脈瘤破裂是造成SAH的 主要因素。發(fā)病原因尚不十分清楚，通常認(rèn)為與 動脈硬化、感染、創(chuàng)傷、血流動力學(xué)等諸多因素有 關(guān)3。Steinman等人4首次提出使用基于圖像的計算 流體力學(xué)(computationa

5、l fluid dynamics， CFD)的 方法對顱內(nèi)動脈瘤進(jìn)行分析，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展以及計算流體力學(xué)軟件的應(yīng)用，使用該方法對顱 內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)的分析也越來越多。本文對顱 內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)特征及數(shù)值模擬在顱內(nèi)動脈瘤 臨床中的應(yīng)用進(jìn)行如下綜述。1顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)特征顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)特征主要是從血流速 度、壁切應(yīng)力、壁切應(yīng)力梯度、壁壓力、切應(yīng)力震 蕩指數(shù)等血流動力學(xué)參數(shù)來進(jìn)行研究，其中對于壁 切應(yīng)力的研究十分重要。壁切應(yīng)力(Wall shear stress, WSS )是血液流動時血流對血管壁的切向作 用力，其作用方向平行于血管壁。血流速度與壁切 應(yīng)力呈正相關(guān)5，由此可見

6、血流的變化會對壁切應(yīng) 力產(chǎn)生一定的影響。內(nèi)動脈瘤的自然病史包括三個 階段：起始階段、生長階段、穩(wěn)定階段或破裂階段， 只有少數(shù)動脈瘤發(fā)展到破裂階段。顱內(nèi)動脈瘤的 形成是動脈壁和血液動力之間相互作用的結(jié)果7。 由于缺乏外部彈性板、內(nèi)側(cè)彈性蛋白以及支持血管 外和周圍組織的支持，腦血管系統(tǒng)在本質(zhì)上容易受 到血流動力學(xué)力的影響，所以容易受到血流動力學(xué) 應(yīng)力的損傷，以及隨后的內(nèi)部彈性椎板損傷和動脈 瘤的形陽。目前對壁切應(yīng)力的研究分為高壁切應(yīng) 力和低壁切應(yīng)力兩個方面。高WSS引發(fā)動脈瘤形 成，而低WSS導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的空間紊亂和致動脈粥 樣硬化和促炎信號途徑的激活11o對此，不同的學(xué) 者對其的影響看法迥異不同

7、。巨大基底梭狀動脈瘤 的最大生長區(qū)域始終具有最低的壁切應(yīng)力12。而有 學(xué)者認(rèn)為高壁切應(yīng)力和低壁切應(yīng)力都與動脈瘤的生 長有關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)動脈瘤的生長與高壁切應(yīng)力沖擊 瘤頂有關(guān)，而動脈瘤在瘤頂部的成長與低壁切應(yīng)力 有關(guān)13-14o低壁切應(yīng)力可促進(jìn)巨噬細(xì)胞相關(guān)的慢性 炎癥和動脈粥樣硬化改變。這些由巨噬細(xì)胞引起的 動脈粥樣硬化炎癥改變和金屬蛋白酶產(chǎn)生可使壁易 于變薄并進(jìn)一步破裂。顱內(nèi)動脈瘤破裂可以通過低 壁切應(yīng)力來預(yù)測15。局部壁切應(yīng)力減少可能是導(dǎo)致 顱內(nèi)動脈瘤破裂的重要預(yù)測參數(shù)16。另有人發(fā)現(xiàn)動 脈瘤頂處存在低壁切應(yīng)力區(qū)域，破裂點處壁切應(yīng)力 最低，動脈瘤內(nèi)壁切應(yīng)力低于載瘤動脈內(nèi)壁切應(yīng)力， 較之未破裂動

8、脈瘤，破裂動脈瘤的平均和最大壁切 應(yīng)力值均較低，而低切應(yīng)力區(qū)域面積(low shear area， LSA)可作為預(yù)測動脈瘤破裂的獨立危險因素17。 顱內(nèi)動脈瘤破裂與最高壁切應(yīng)力有關(guān)，在動脈瘤易 破裂區(qū)域其壁切應(yīng)力值最高18-19o而有人證明動脈 瘤破裂點處壁切應(yīng)力最低20o2數(shù)值模擬在顱內(nèi)動脈瘤臨床中的應(yīng)用顱內(nèi)動脈瘤的手術(shù)治療包括開顱手術(shù)、血管內(nèi) 介入治療。這些治療是通過將顱內(nèi)動脈瘤排除在血 液循環(huán)之外、將某種物質(zhì)填充動脈瘤腔，使得動脈 瘤囊內(nèi)血流消失等改變顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)的方 式，對顱內(nèi)動脈瘤進(jìn)行治療。2.1開顱手術(shù)開顱夾閉術(shù)作為顱內(nèi)動脈瘤治療的一種手段， 有學(xué)者對這種方法進(jìn)行了數(shù)值模

9、擬研究，Miura21 等在左側(cè)小腦后動脈近端進(jìn)行左側(cè)椎動脈閉塞，對 一例左側(cè)椎動脈動脈瘤進(jìn)行流量改變處理，并且進(jìn) 行了 CFD模擬以預(yù)測效果，通過CFD模擬，確定 未破裂的椎動脈梭形動脈瘤的手術(shù)策略。Rayz22等 基于圖像的計算流體動力學(xué)模型用來模擬四個基底 動脈動脈瘤的血流，使用MRI血管造影和測速數(shù)據(jù) 構(gòu)建患者特異性幾何形狀，將針對術(shù)前流動條件進(jìn) 行的CFD模擬與在干預(yù)之前獲得的體內(nèi)相位對比 MRI測量進(jìn)行比較，以評估血流改變干預(yù)所導(dǎo)致的 術(shù)后血流動力學(xué)。2.2血管內(nèi)介入治療2.2.1血管內(nèi)介入栓塞術(shù)血管內(nèi)介入栓塞術(shù)是治療顱內(nèi)動脈瘤的一種標(biāo) 準(zhǔn)的治療手法，因其侵入性小，失敗率低而優(yōu)于開

10、 顱夾閉術(shù)。有不少學(xué)者對血管內(nèi)介入栓塞術(shù)進(jìn)行了 研究，Wang23等根據(jù)支架置入前后患者動脈瘤的特 定幾何形狀，建立虛擬支架計算立體力學(xué)仿真模型， 調(diào)查了支架置入術(shù)后動脈瘤內(nèi)血流動力學(xué)改變及其 與動脈瘤位置的關(guān)系，結(jié)果表明支架置入后，動脈 瘤內(nèi)血流速度和WSS下降，與動脈瘤類型無關(guān)。 Nambu24等首次比較線圈栓塞前和線圈栓塞后模型 動脈瘤復(fù)發(fā)的血流動力學(xué)因素，使用50例顱內(nèi)動脈 瘤患者特異性三維旋轉(zhuǎn)血管造影數(shù)據(jù)，通過對應(yīng)于 虛擬線圈表面的平面創(chuàng)建了線圈栓塞前模型和通過 手動切割動脈瘤制作的線圈栓塞后的模型，進(jìn)行 CFD分析后，發(fā)現(xiàn)壓力差可能是線圈栓塞后復(fù)發(fā)的 最強(qiáng)預(yù)測因子。另有學(xué)者對顱內(nèi)動

11、脈瘤內(nèi)填充的線 圈進(jìn)行研究，Umeda25等通過計算流體力學(xué)使用多 孔介質(zhì)模型評估動脈瘤的形態(tài)學(xué)參數(shù)，線圈填充密 度和血流動力學(xué)變量與動脈瘤復(fù)發(fā)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn) 殘余流量是唯一獨立顯著的因素，可能是預(yù)測栓塞 后復(fù)發(fā)更有用的參數(shù)，也可用于彈簧圈栓塞計劃， 有助于更有效的動脈瘤線圈栓塞。Fujimura26等采 用有限元和計算流體力學(xué)分析方法，研究了隨著線 圈剛度和長度的變化，線圈的血流動力學(xué)和分布規(guī) 律。通過改變線圈的剛度和長度，對線圈栓塞進(jìn)行 數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)較硬的彈簧圈更容易進(jìn)入動脈瘤頂 的外側(cè)，短線圈更多分布在頸部區(qū)域，且當(dāng)彈簧圈 在動脈瘤頸區(qū)和瘤頂外側(cè)分布較集中時，動脈瘤內(nèi) 的流速明顯降低。

12、另外，動脈瘤頂外側(cè)和頸部的高 密度線圈對有效降低速度也很重要。有學(xué)者對顱內(nèi) 動脈瘤內(nèi)填充物進(jìn)行研究，其在尸體上重建巨大動 脈瘤模型的基礎(chǔ)上，采用多孔介質(zhì)建模，通過計算 流體力學(xué)模擬，比較了未經(jīng)治療的動脈瘤、線圈充 盈的動脈瘤以及屈服應(yīng)力流體材料充盈的動脈瘤之 間血流動力學(xué)參數(shù)的差異，探討了屈服應(yīng)力流體材 料栓塞動脈瘤的可能性27。線圈在顱內(nèi)動脈瘤的位 置也很重要，Byun28等對線圈位于動脈瘤不同位置 進(jìn)行CFD模擬，來分析線圈栓塞巨大或多葉動脈瘤 的情況下，線圈的位置，對動脈瘤產(chǎn)生不同的效果。 該研究表明線圈最佳的栓塞位置位于動脈瘤的遠(yuǎn)端 頸部。Leng等人開發(fā)了可靠和使用的虛擬線圈栓 塞和

13、支架植入的方法，來用于顱內(nèi)動脈瘤手術(shù)計劃， 其為后續(xù)的計算流體力學(xué)分析提供幾何形狀。在治 療過程中，支架被放置在合適的位置，實現(xiàn)了良好 的擴(kuò)張和支架與動脈壁的貼合。對于寬頸動脈瘤和 復(fù)雜動脈瘤需要使用支架輔助線圈栓塞，支架也是 血管內(nèi)介入栓塞中的重要一部分。Tremmel30等首 次采用CFD對Enterprise支架進(jìn)行分析，利用計算 流體力學(xué)量化單個和多個自擴(kuò)張Enterprise支架和 球囊擴(kuò)張式支架對動脈瘤血流動力學(xué)的影響，支架 置入可抑制復(fù)雜動脈瘤的血流，動脈瘤壁切應(yīng)力隨 著支架數(shù)量增加而降低。Wang31等通過計算流體力 學(xué)來量化新型低輪廓可視化管腔內(nèi)支架的效果以及 與管道裝置和E

14、nterprise支架相比的流體分流效果。 這是第一個分析 Low-profile Visualized Intraluminal Support（ LVIS）支架血流變化的研究。發(fā)現(xiàn)LVIS 支架對腦動脈瘤有一定的血流動力學(xué)效應(yīng)：單支 LVIS支架比雙支enterprise支架減少的流量更多， 但比管道支架少。然而，雙LVIS支架比管道支架具 有更好的分流效果。Kim32等為了評估不對稱支架 貼片對動脈瘤血流動力學(xué)的影響，將其置入患者的 動脈瘤幾何結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行計算流體力學(xué)分析。通過 計算和實驗比較未治療和支架治療動脈瘤的血流動 力學(xué)發(fā)現(xiàn)，不對稱支架有效地阻擋了進(jìn)入動脈瘤的 強(qiáng)流入射流并消除了

15、穹頂出動脈瘤壁上的流動沖 擊，消除了壁切應(yīng)力升高的沖擊區(qū)域，動脈瘤血流 活性大大減少，血流明顯減少，實驗觀察結(jié)果和CFD 結(jié)果定性吻合較好。所證明的不對稱支架可以導(dǎo)致 一種新的微創(chuàng)影像指導(dǎo)介入，以減少動脈瘤的生長 和破裂。Zhang33等開發(fā)了一種快速虛擬支架技術(shù) （fast virtual stenting，F(xiàn)VS）來模擬支架在特定患者動 脈瘤中的部署，并使用計算流體力學(xué)的方法分析三 種情況：支架從動脈瘤模型的現(xiàn)實部署，快速虛擬 支架技術(shù)部署，有限元部署，來評估快速虛擬支架 技術(shù)在腦動脈瘤支架植入術(shù)的應(yīng)用效果。通過數(shù)值 驗證，這是一種用于虛擬支架釋放的新方法。結(jié)果 表明，F(xiàn)VS具有虛擬支架植

16、入的能力，可以對腦動 脈瘤之家植入術(shù)后的血流動力學(xué)進(jìn)行評估。且可提 供有效的支架動脈瘤模型，結(jié)合CFD研究之后的血 流動力學(xué)。2.2.2 分流術(shù)分流器（Flow Diverter，F(xiàn)D）是一種密集編織 的支架網(wǎng)，具有高金屬覆蓋率和低孔隙率，最近已 成為顱內(nèi)動脈瘤的首選治療方式，特別是對于傳統(tǒng) 上具有挑戰(zhàn)性的寬頸和梭形動脈瘤。FD可以使血液 從動脈瘤中流出，破壞動脈瘤內(nèi)的血液流動，誘導(dǎo) 血栓形成前的狀態(tài)，并作為內(nèi)皮細(xì)胞生長和動脈重 構(gòu)的支架。Paliwal34等首次展示了虛擬支架工作流 程在商用血管栓塞裝置FD治療顱內(nèi)動脈瘤的臨床 應(yīng)用。采用硅膠模型對15例采用FD治療的動脈瘤 患者進(jìn)行臨床干預(yù)

17、，獲得治療前和治療后的血流動 力學(xué)，血流動力學(xué)參數(shù)顯示兩組的平均流入率和動 脈瘤的速度均有相似程度的降低。Xu35等人構(gòu)建四 種不同載瘤動脈曲度的顱內(nèi)動脈瘤模型，采用5種 分流策略（單個FD，5%和10%線圈填充密度的單 個FD，重疊率為25%和50%的兩個FD）對分流前 后的血流動力學(xué)進(jìn)行CFD模擬，表明在所有的分流 策略中，重疊FD誘導(dǎo)最有利的血流動力學(xué)變化， 且治療后的血流動力學(xué)變化主要受載瘤動脈曲度的 影響。Damiano3句等測試了四種臨床干預(yù)策略：線 圈、單個分流器、有線圈的分流器和重疊的分流器， 通過計算流體力學(xué)評價治療后的血流動力學(xué)，結(jié)果 表明，分流器的主要作用時分流流入，而線圈的作 用時在動脈瘤內(nèi)產(chǎn)生瘀滯。Sindeev37等應(yīng)用CFD 和相位對比MRI在相似的流動條件下進(jìn)行模擬和體 外測量血流動力學(xué)，對比術(shù)前和術(shù)后的血流動力學(xué) 參數(shù)分布，CFD模擬和PC-MRI的速度測試結(jié)果相 似，三種模型治療后均未觀察到漩渦。Zhang38等 進(jìn)行CFD研究分析FD植入后血流動脈血的影響， CFD分析表明，在FD治療后動脈瘤內(nèi)的血流量應(yīng) 減少。為了保證FD治療的成功，F(xiàn)D支架的抗力必 須大于動力。另一方