不同幾何形態(tài)學(xué)的椎動(dòng)脈開窗血液流變特性

陳曉琴，成志國(guó)，陳廣新，郭金興

(牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

椎動(dòng)脈粥樣硬化的形成機(jī)制是多因素的，發(fā)現(xiàn)并明確這些因素對(duì)該疾病的早期診斷和治療有重要意義[1]。椎動(dòng)脈開窗表現(xiàn)為正常生理結(jié)構(gòu)的改變，以單支血管生長(zhǎng)發(fā)育為兩支再匯合同時(shí)伴有動(dòng)脈管徑大小的改變及動(dòng)脈周圍情況分布的改變。椎動(dòng)脈開窗畸形多無明顯的臨床癥狀，但椎動(dòng)脈開窗畸形后期常伴隨著動(dòng)脈粥樣硬化等病變，并可以合并單發(fā)或多發(fā)動(dòng)脈瘤[2-3]。相關(guān)研究表明，血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)特別是時(shí)間平均壁面切應(yīng)力等作用于血管壁與血流速度改變相關(guān)的參數(shù)，與動(dòng)脈粥樣硬化的形成有關(guān)[4-5]。使用血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬可以對(duì)椎動(dòng)脈開窗進(jìn)行定性定量的計(jì)算，并且較其他實(shí)驗(yàn)方法具有無創(chuàng)性、真實(shí)性及有效性[6]。本文以真實(shí)患者椎動(dòng)脈MRA圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)建椎動(dòng)脈個(gè)體化血管模型，應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)不同幾何形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)的椎動(dòng)脈開窗模型進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析，探討最易形成粥樣硬化等病變的椎動(dòng)脈幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化形成的危險(xiǎn)因素進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析[7]，對(duì)臨床診斷與治療提供借鑒與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 一般資料患者椎動(dòng)脈MRA圖像采集于牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院放射科患者，經(jīng)兩名副高及以上的影像科醫(yī)生診斷為右側(cè)椎動(dòng)脈開窗共30例(Kappa值為0.82)，另選取同期健康體檢中心體檢無開窗10例作為正常對(duì)照組。按照椎動(dòng)脈開窗支最長(zhǎng)徑定義開窗組，分為裂隙型(3～5 mm)、凸透鏡型(5～10 mm)及重復(fù)型(>10 mm)[8]，每組各10例。檢查前去除患者隨身金屬異物，囑患者掃描過程中平靜呼吸、不得隨意運(yùn)動(dòng)，保持仰臥位頭先進(jìn)，身體長(zhǎng)軸與掃描床長(zhǎng)軸一致，掃描線圈中心為下頜下緣，常規(guī)進(jìn)行橫斷位及冠矢狀位掃描，范圍為聽眶線至顱頂。使用飛利浦Achieva 3.0 T磁共振成像系統(tǒng)，以三維時(shí)間飛躍法及磁化轉(zhuǎn)移對(duì)比技術(shù)重建血管，掃描圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存為DICOM格式。所有患者或患者授權(quán)委托人通過倫理委員會(huì)審查且簽署知情同意書。

1.2 個(gè)體化椎動(dòng)脈三維模型重建將DICOM格式的MRA數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件(比利時(shí)，Materialise公司)，通過多層手工編輯、閾值分割及區(qū)域增長(zhǎng)等方法獲得感興趣區(qū)域(椎基底動(dòng)脈段)，生成3D的椎動(dòng)脈幾何模型(圖1)。將模型導(dǎo)入3-MATIC中進(jìn)一步光滑優(yōu)化三角面片和包裹等操作，以stl格式保存最終模型。

圖1 椎動(dòng)脈3D模型

1.3 生成網(wǎng)格模型將三維模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT MESHING(美國(guó)，ANSYS公司)，進(jìn)行幾何檢查并定義模型的出口、入口及血管壁，進(jìn)行面網(wǎng)格及體網(wǎng)格的劃分，設(shè)定6層加密邊界層網(wǎng)格。

1.4 邊界條件將動(dòng)脈血管壁假定為剛性，內(nèi)部流動(dòng)血液設(shè)定為連續(xù)層流、牛頓液體，血液密度為1050 kg/m3，椎動(dòng)脈入口采用脈動(dòng)速度，出口處設(shè)定為0，共計(jì)算4個(gè)周期，取最后一個(gè)周期計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1.5 血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)選取選擇與臨床表現(xiàn)及治療有密切聯(lián)系的參數(shù)指標(biāo)[9]：血流速度、時(shí)間平均壁面切應(yīng)力(TAWSS)及血管壁振蕩剪切指數(shù)(OSI)。壁面剪切應(yīng)力(wall shear stress，WSS)是指血液流動(dòng)時(shí)在血管壁上引起的切向的動(dòng)態(tài)摩擦力，將一個(gè)心臟周期內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上WSS值積分即為TAWSS：

其中wssi是瞬時(shí)剪切應(yīng)力矢量，T是該心動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間。

一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，OSI是血管壁上不同位置WSS方向的變化計(jì)算出來的，當(dāng)OSI值較大時(shí)即表明該周期內(nèi)WSS振蕩情況越嚴(yán)重；同時(shí)OSI可描述血液流動(dòng)方向的穩(wěn)定性，其值介于0～0.5之間。OSI值越大時(shí)，表示血流方向很不穩(wěn)定，頻繁變化甚至回流，其表達(dá)式為：

1.6 數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采集椎動(dòng)脈開窗處的時(shí)間壁面切應(yīng)力及血管壁振蕩剪切指數(shù)平均值，比較不同幾何形態(tài)學(xué)的椎動(dòng)脈開窗時(shí)間平均壁面剪切力與振蕩剪切指數(shù)差異，應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析，采用多個(gè)樣本均數(shù)方差分析后再進(jìn)行兩兩比較。以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

通過建立正常椎動(dòng)脈流體模型以及不同幾何形態(tài)學(xué)的40例椎動(dòng)脈開窗(裂隙型、凸透鏡型及重復(fù)型)流體模型，并對(duì)上述4種模型進(jìn)行血流速度圖、TAWSS和OSI分析，從而進(jìn)一步描述椎動(dòng)脈開窗的血流動(dòng)力學(xué)變化。

2.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果分析裂隙型形態(tài)的椎動(dòng)脈開窗較其它椎動(dòng)脈流體模型有差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見表1至表6。

表1 椎動(dòng)脈開窗血流速度方差分析

表2 椎動(dòng)脈開窗血流速度平均值比較

表3 椎動(dòng)脈開窗TAWSS方差分析

表4 椎動(dòng)脈開窗TAWSS平均值比較

表5 椎動(dòng)脈開窗OSI方差分析

表6 椎動(dòng)脈開窗OSI平均值比較

2.2 椎動(dòng)脈血流速度圖由圖2可見，正常椎動(dòng)脈模型表現(xiàn)為左右兩側(cè)入口處為較低速度，在椎基底動(dòng)脈匯合區(qū)域動(dòng)脈管壁外側(cè)段呈現(xiàn)出一小長(zhǎng)段較高速度區(qū)域伴匯合點(diǎn)血液方向改變，在匯合后基地動(dòng)脈段則表現(xiàn)為長(zhǎng)段區(qū)域內(nèi)的規(guī)律高速層狀血流。裂隙型開窗前動(dòng)脈及對(duì)側(cè)椎動(dòng)脈表現(xiàn)為正?；蜉^低血液流動(dòng)速度，但在開窗后位置的椎動(dòng)脈內(nèi)呈現(xiàn)為高速血液，至椎基底動(dòng)脈匯合處可見高速血液方向呈重度渦流改變。凸透鏡型開窗型外側(cè)分支血管表現(xiàn)為高速層狀血流，匯合處血流方向保持穩(wěn)定及血液速度明顯變緩。重復(fù)型開窗血液流速改變集中在正常椎動(dòng)脈側(cè)，表現(xiàn)為持續(xù)至匯合處及基底動(dòng)脈段的高速血流，且可見該區(qū)域內(nèi)部分低速血流呈輕度渦流改變前進(jìn)。

圖2 血流速度圖

2.3 血管壁時(shí)間平均壁面切應(yīng)力圖由圖3可見，裂隙型開窗側(cè)該側(cè)椎動(dòng)脈段TAWSS較正常血管相同位置管壁處稍高，且在匯合處呈現(xiàn)為高TAWSS區(qū)域，其他血管部位與正常血管模型對(duì)比未見明顯變化；凸透鏡型可見開窗起始處較正常椎動(dòng)脈模型TAWSS明顯增高，其他未有明顯變化；重復(fù)型開窗則表現(xiàn)開窗對(duì)側(cè)呈現(xiàn)為間斷性較高TAWSS區(qū)域，其余區(qū)域與正常椎動(dòng)脈開窗型比較TAWSS未有明顯變化。

圖3 TAWSS分布云圖

2.4 血管壁振蕩剪切指數(shù)圖由圖4可見，正常椎動(dòng)脈模型僅在匯合處呈現(xiàn)為小區(qū)域的高OSI，可能伴有雙側(cè)椎動(dòng)脈匯合時(shí)有血液部分的回流情況。裂隙型和凸透鏡型均于開窗分支血管終末段連接處呈現(xiàn)小部分高OSI區(qū)域；重復(fù)型開窗的高OSI主要集中于開窗分支起始處及開窗外側(cè)支拐角小片狀區(qū)域，其余部分與正常椎動(dòng)脈開窗未有明顯改變。

圖4 OSI分布云圖

3 結(jié)論與討論

3.1 不同形態(tài)開窗對(duì)血流速度的影響從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可知，不同幾何形態(tài)學(xué)椎動(dòng)脈開窗血流改變逐步加重。凸透鏡型開窗表現(xiàn)為部分高速層狀血流；重復(fù)型除此之外，還伴隨著部分低速渦旋血流；裂隙型開窗表現(xiàn)為高速前進(jìn)的渦旋血流，并且渦旋血流持續(xù)范圍及區(qū)域更廣。有文獻(xiàn)提及，高速血流對(duì)動(dòng)脈管壁沖擊更大，且動(dòng)脈管壁中的脂質(zhì)含量在渦流區(qū)域明顯增加，導(dǎo)致局部脂質(zhì)聚集，這種改變可能是導(dǎo)致后期動(dòng)脈粥樣硬化等病變的主要原因之一[10]。通過實(shí)驗(yàn)推斷，裂隙型椎動(dòng)脈開窗因伴有高速渦旋血流，使動(dòng)脈內(nèi)局部區(qū)域脂質(zhì)濃度升高，從而更易促使動(dòng)脈管壁粥樣硬化及狹窄的形成。

3.2 不同形態(tài)開窗對(duì)血管壁時(shí)間平均壁面切應(yīng)力的影響在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)WSS量值進(jìn)行積分即為TAWSS，即TAWSS為一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)血管壁面的平均WSS大小。高TAWSS條件下內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)損傷與功能紊亂，影響血液與血管壁間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，伴有血管損傷因子分泌增加及內(nèi)皮細(xì)胞保護(hù)因子分泌減少的情況，同時(shí)內(nèi)皮素及精氨酸酶等生物活性分子分泌失衡，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂；另外高TAWSS處往往出現(xiàn)血液淤滯及血流停留時(shí)間延長(zhǎng)，使得血管壁內(nèi)皮細(xì)胞吸收血液中邊流離子增多，增加形成動(dòng)脈粥樣硬化的可能性[11]。上述云圖可看出，三種不同幾何形態(tài)學(xué)椎動(dòng)脈開窗中，裂隙型具有較大的TAWSS區(qū)域，并且高TAWSS區(qū)域與高速渦流血流區(qū)域及高OSI區(qū)域有部分共同區(qū)域，這也提示形成血管壁動(dòng)脈粥樣的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.3 不同形態(tài)開窗對(duì)血管壁振蕩剪切指數(shù)的影響OSI是依據(jù)一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)脈血管壁上不同位置WSS方向的變化計(jì)算出來的，表示的是一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)WSS方向振蕩的情況，OSI值較大即表明該周期內(nèi)WSS振蕩情況越嚴(yán)重，同時(shí)OSI也可表示血液流動(dòng)方向的情況，OSI值越大，即血液流動(dòng)方向可能會(huì)發(fā)生頻繁改變甚至有可能回流。OSI值為0時(shí)，表明該心動(dòng)周期內(nèi)血管內(nèi)皮細(xì)胞所受剪切應(yīng)力方向恒定，具有較低的粥樣硬化斑塊形成的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)OSI值不為0時(shí)，表示該OSI值區(qū)域內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞所受的剪切力有振蕩現(xiàn)象；數(shù)值越大，越易導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，從而極大促使粥樣硬化斑塊的發(fā)生[12]。裂隙型和凸透鏡型均于開窗分支血管終末段連接處呈現(xiàn)高OSI區(qū)域；重復(fù)型開窗的高OSI主要集中于開窗分支起始處及開窗外側(cè)支拐角小片狀區(qū)域，表明該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)粥樣硬化性斑塊的可能性較大。

3.4 總結(jié)本研究通過血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析，通過真實(shí)患者的影像圖像來構(gòu)建模型，并對(duì)不同流體模型進(jìn)行仿真計(jì)算，從統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果及血流動(dòng)力學(xué)云圖分析，得出裂隙型椎動(dòng)脈表現(xiàn)為高速渦旋血流、高TAWSS及高OSI區(qū)域，更易形成動(dòng)脈粥樣硬化等病變；另外以MRA圖像為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬仿真分析技術(shù)可以重建個(gè)體化椎動(dòng)脈開窗血流動(dòng)力學(xué)模型，為分析椎動(dòng)脈開窗與動(dòng)脈粥樣硬化等病變形成的關(guān)系提供研究手段。

目前應(yīng)用數(shù)值模擬仿真分析技術(shù)對(duì)血管進(jìn)行計(jì)算已經(jīng)較為成熟，越來越多的學(xué)者與專家在腦血管疾病相關(guān)研究中引入計(jì)算流體力學(xué)方法，但對(duì)于不幾何形態(tài)椎動(dòng)脈開窗研究的血流動(dòng)力學(xué)研究目前還較少。數(shù)值模擬仿真分析技術(shù)較其他動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法而言具有無創(chuàng)性及直觀性等特點(diǎn)，是研究腦動(dòng)脈疾病的重要輔助工具[13]。本研究有助于協(xié)助腦外科醫(yī)生更好地認(rèn)識(shí)不同幾何形態(tài)學(xué)椎動(dòng)脈開窗的血流動(dòng)力學(xué)變化，并可對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化形成的危險(xiǎn)因素進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析[14]，如果給予足夠的重視并采取有效及時(shí)的干預(yù)能夠在最大程度上防止動(dòng)脈粥樣硬化等病變的產(chǎn)生及惡化，為臨床診斷、治療提供借鑒與指導(dǎo)。

4 不足與展望

本研究存在一些局限性，首先樣本量較少，僅收集了40例不同幾何形態(tài)學(xué)的椎動(dòng)脈開窗患者數(shù)據(jù)，其次血流動(dòng)力學(xué)設(shè)定條件還不能做到與真實(shí)的椎動(dòng)脈特征完全相同，因此有望在未來收集更多樣本量及采用前瞻性研究來進(jìn)一步探討，減少對(duì)結(jié)果帶來的誤差。