基于計算流體力學(xué)模擬腦血流流線的微導(dǎo)管塑形在頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤介入治療中的應(yīng)用

許崗勤， 張 沖， 蔡棟陽， 楊博文， 趙同源， 薛絳宇， 李天曉

頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤約占顱內(nèi)動脈瘤25%［1］，介入栓塞是重要治療方式。 微導(dǎo)管塑形是栓塞核心技術(shù)， 良好的微導(dǎo)管塑形有利于手術(shù)安全進行，并獲得滿意的栓塞效果［2］。 由于頸內(nèi)動脈顱內(nèi)段走行迂曲、動脈瘤朝向各異、瘤頸常伴有后交通動脈，常規(guī)行微導(dǎo)管“豬尾、C 形”塑形通常到位困難或到位后不穩(wěn)定，多需要進行復(fù)合彎曲塑形，而且具體形狀與手術(shù)醫(yī)師個人經(jīng)驗密切相關(guān)，年輕醫(yī)師學(xué)習(xí)導(dǎo)管塑形周期較長。 本研究利用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬后交通動脈瘤載瘤動脈及動脈瘤入瘤血流流線圖，根據(jù)主流線進行微導(dǎo)管塑形，分析微導(dǎo)管到位情況及栓塞時穩(wěn)定性，以期探索一種新的導(dǎo)管塑形方式，降低頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤導(dǎo)管塑形技術(shù)難度， 提高手術(shù)安全性。

1 材料與方法

1.1 患者資料

7 例患者中男4 例，女3 例，年齡（50±6）（38～79）歲。 共7 枚頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤，均為未破裂囊性動脈瘤，瘤頸均為窄頸或相對寬頸（可行單純栓塞， 減少因使用支架對栓塞導(dǎo)管產(chǎn)生影響，影響結(jié)果判斷），動脈瘤平均大小4.7（2～8） mm。本研究經(jīng)鄭州大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會審核通過，患者或家屬簽署手術(shù)知情同意書。 收集患者年齡、性別、基礎(chǔ)病史等臨床資料及影像學(xué)資料。

1.2 微導(dǎo)管塑形和介入治療

7 例患者介入治療前均接受全腦血管DSA 造影，載瘤動脈行3D-DSA 檢查，明確動脈瘤位置、大小、朝向、形態(tài)及與載瘤動脈的關(guān)系，并選擇合理的工作角度等。 建立CFD 模型和血流流線模型：患者DSA 圖像 均 由Artiszee Biplane VC14 DSA 機（Siemens，德國）采集為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（DICOM）格式導(dǎo)出，CFD 原始數(shù)據(jù)采集資料方式參考Gao 等［3］報道方法，重建圖像經(jīng)MeshLab（1.3.3 版）軟件修補和去除血管細(xì)小分支，立體光刻（STL）格式導(dǎo)出至Harpoon軟件（4.3a 版）進行3D 網(wǎng)格化處理，Ansys 軟件（20.0 版）設(shè)定出入口相關(guān)參數(shù)，設(shè)定血液黏滯系數(shù)μ 及血液密度ρ 分別為0.003 45 Pa 和1 050 kg/m3，入口速度根據(jù)測定的健康成人志愿者平均入口速度設(shè)為0.32 m/s， 出口處壓力設(shè)為0 Pa。 通過Ensight 軟件（9.0 版）對動脈瘤瘤腔和載瘤動脈管腔內(nèi)Velocity 血流動力學(xué)應(yīng)力色階量化， 模擬空間內(nèi)血流流線，保留主流線3D 圖像。 根據(jù)3D-DSA 數(shù)據(jù)1∶1 打印動脈瘤中空透明樹脂模型， 并根據(jù)主流線進行微導(dǎo)管（Headway 17）塑形（微導(dǎo)管頭端長度：微導(dǎo)管進入動脈瘤彎曲至動脈瘤瘤頂?shù)?/3 距離），蒸汽熏蒸，然后體外進行微導(dǎo)管到位試驗。

患者全身麻醉后，常規(guī)全身肝素化，股動脈入路引入6 F 指引導(dǎo)管（血管迂曲患者使用中間導(dǎo)管），置于同側(cè)頸內(nèi)動脈近顱底段。 根據(jù)3D-DSA 重建圖像選取最佳工作角度，微導(dǎo)管（Headway 17）頭端根據(jù)腦血流主流線進行蒸汽熏蒸塑形，微導(dǎo)絲配合下栓塞微導(dǎo)管超選入動脈瘤腔內(nèi)——導(dǎo)絲將導(dǎo)管導(dǎo)引至頸內(nèi)動脈眼段，緩慢推送導(dǎo)管，自行進入動脈瘤；導(dǎo)絲將導(dǎo)管導(dǎo)引至動脈瘤遠端，回撤微導(dǎo)管，導(dǎo)管彈入瘤腔；導(dǎo)絲進入動脈瘤腔，緩慢跟進導(dǎo)管并進入瘤腔。 根據(jù)動脈瘤大小選擇合適彈簧圈進行栓塞（寬頸動脈瘤行支架輔助栓塞），造影顯示動脈瘤致密栓塞，撤出栓塞導(dǎo)管。

1.3 術(shù)后隨訪

術(shù)后3、6、12 個月隨訪，改良Rankin 量表（mRS）評分評估臨床情況； 術(shù)后6～12 個月復(fù)查MRA 或DSA，觀察動脈瘤閉合情況（Raymond 栓塞分級：Ⅰ級為動脈瘤完全栓塞，Ⅱ級為瘤頸殘留，Ⅲ級為動脈瘤部分栓塞）。

2 結(jié)果

7 枚后交通動脈瘤， 體外模型微導(dǎo)管試驗中微導(dǎo)管均能順利到位，導(dǎo)管到位后推拉微導(dǎo)管頭端可穩(wěn)定于動脈瘤腔內(nèi)不同位置，頭端指向良好。術(shù)中6 例微導(dǎo)管經(jīng)一次塑形順利到位，1 例因近端血管動脈硬化較重，操作時間較長，導(dǎo)管形態(tài)變化，以主血流形態(tài)進行二次塑形，導(dǎo)管順利到位；推送到位5 例，導(dǎo)絲引到遠端后回撤到位2 例；栓塞過程中導(dǎo)管穩(wěn)定，無脫出，均未使用輔助技術(shù)；術(shù)后即刻動脈瘤完全栓塞6 枚，瘤頸殘留1 枚。 無術(shù)中破裂出血等微導(dǎo)管操作相關(guān)并發(fā)癥。 所有患者均獲得臨床隨訪3～6 個月，7 例mRS 評分均為0 分； 影像隨訪5 例，4 例完全栓塞，1 例瘤頸殘留。 基于CFD 模擬腦血流塑形微導(dǎo)管栓塞頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤影像見圖1。

圖1 基于CFD 模擬腦血流塑形微導(dǎo)管栓塞頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤影像

3 討論

頸內(nèi)動脈-后交通動脈瘤因其特殊的解剖學(xué)位置，容易生長甚至破裂出血，具有較高的致殘致死率［4］。隨著介入技術(shù)及新型器材的出現(xiàn)，介入栓塞治療效果和安全性不斷提高，逐漸成為顱內(nèi)動脈瘤主要治療手段之一［5-6］。動脈瘤栓塞微導(dǎo)管塑形是介入手術(shù)的核心技術(shù)， 密切關(guān)系到手術(shù)效果和手術(shù)安全。 頸內(nèi)動脈虹吸段血管多走行迂曲，瘤頸處常有后交通動脈發(fā)出，動脈瘤大小、朝向和形態(tài)各異，因此術(shù)者需根據(jù)不同特點對微導(dǎo)管進行各種形狀的塑形。 傳統(tǒng)微導(dǎo)管塑形主要是術(shù)者根據(jù)血管3D 圖像憑自身經(jīng)驗將微導(dǎo)管塑成大致形狀，故帶有較強的主觀性，導(dǎo)管精準(zhǔn)性較差［7］。尤其是對于微導(dǎo)管到位困難的后交通動脈瘤， 術(shù)中需反復(fù)多次嘗試塑形，微導(dǎo)絲強行引導(dǎo)，從而導(dǎo)致反復(fù)操作、手術(shù)時間長，甚至引起災(zāi)難性后果。 國內(nèi)外學(xué)者為改變微導(dǎo)管塑形困難現(xiàn)狀做出了諸多努力。 Yamaguchi 等［8］術(shù)中將直頭導(dǎo)管引入載瘤動脈，頭端置于動脈瘤附近并留置5 min， 依靠體溫對微導(dǎo)管依據(jù)血管形態(tài)進行塑形，然后將微導(dǎo)管取出，再根據(jù)3D 重建圖像對微導(dǎo)管頭端進入動脈瘤的最后一個彎曲進行蒸汽塑形，此方法減少術(shù)者塑形彎曲的數(shù)量，但頭端彎曲仍需術(shù)者根據(jù)經(jīng)驗進行塑形，并沒有改變塑形本質(zhì)，反而增加了手術(shù)操作時間。部分學(xué)者將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于微導(dǎo)管塑形，根據(jù)動脈瘤術(shù)前影像數(shù)據(jù)1∶1 打印血管模型或剖面中空模型，體外依據(jù)3D模型血管形態(tài)進行微導(dǎo)管塑形，或利用計算機軟件在血管3D 圖像內(nèi)部人為設(shè)定微導(dǎo)管走行路線，然后3D 打印微導(dǎo)管走行路線的形態(tài)模型，據(jù)此進行塑形等［9-11］。這些技術(shù)可使術(shù)者更加直觀地了解動脈瘤局部解剖結(jié)構(gòu)，以便使動脈瘤栓塞導(dǎo)管塑形更加精準(zhǔn)， 然而微導(dǎo)管塑形的本質(zhì)與傳統(tǒng)方法一樣，無法擺脫對術(shù)者豐富塑形經(jīng)驗的依賴。 有學(xué)者3D 打印1∶1 動脈瘤中空模型， 將微導(dǎo)管導(dǎo)入模型內(nèi)，頭端置于動脈瘤內(nèi)， 然后整體置入50℃熱水中熱塑形5 min，將導(dǎo)管取出消毒后進行手術(shù)［12］。 此方法的塑形思路不同于傳統(tǒng)方式， 減少了對手術(shù)經(jīng)驗依賴，但其直頭微導(dǎo)管沿大彎側(cè)進入動脈瘤，存在較高張力，塑形后可能存在微導(dǎo)管頭端調(diào)整困難、填塞時張力高等問題，而且術(shù)前需將手術(shù)微導(dǎo)管提前塑形并熏蒸消毒滅菌，耗時較長，術(shù)中微導(dǎo)管塑形后彈性回縮后無法及時再次塑形［13］，不適用于急診手術(shù)及大規(guī)模推廣。

血流動力學(xué)在顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生、發(fā)展及破裂過程中起十分重要作用，傳統(tǒng)動脈瘤塑形方式完全依靠術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗，未考慮與動脈瘤密切相關(guān)的血流動力學(xué)問題。本研究創(chuàng)新性提出依據(jù)CFD 模擬腦血流流線進行微導(dǎo)管塑形方法：先利用CFD 模擬腦血流流線，提取主血流流線3D 圖像，根據(jù)3D 圖像進行微導(dǎo)管塑形， 其完全不同于傳統(tǒng)導(dǎo)管塑形方式，擺脫了對術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗的依賴，只需根據(jù)3D 主流線圖進行1∶1 塑形微導(dǎo)管（塑形后微導(dǎo)管形態(tài)）即可，方法簡單，塑形精準(zhǔn)，到位成功率高，支撐力好，大大降低微導(dǎo)管塑形難度，縮短手術(shù)時間，提高了手術(shù)成功率和手術(shù)安全性。 本組患者術(shù)前體外模型試驗驗證了導(dǎo)管塑形的精準(zhǔn)性，并提供了導(dǎo)管頭端于瘤腔的位置信息，使得術(shù)中更加從容；術(shù)中微導(dǎo)管到位順利，頭端位置良好，填塞動脈瘤時導(dǎo)管頭端指向良好、位置穩(wěn)定，便于調(diào)整，手術(shù)時間大大縮短，安全性得以提升。

綜上所述，依據(jù)CFD 模擬腦血流流線進行微導(dǎo)管塑形是微導(dǎo)管塑形新思路，可降低微導(dǎo)管塑形難度，縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)成功率和安全性。但是由于樣本量較少，且僅對于頸內(nèi)動脈-后交通動脈動脈瘤進行研究，需要大樣本量研究數(shù)據(jù)及復(fù)雜病例進一步證實此思路的可行性和可靠性。