彈簧圈填充密度對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學的影響

劉莉 穆振霞 薛曉飛 黃素琴 呂涵 高斌 趙鵬飛 丁賀宇 王振常

0 引言

搏動性耳鳴是在沒有外界聲源刺激下，患者主觀感受到耳內(nèi)或者顱內(nèi)的嗡嗡狀雜音，其頻率與心跳一致[1]。人群中耳鳴的患病率為10%～15%，搏動性耳鳴患者占全部耳鳴患者的4%～10%，持續(xù)的耳鳴對患者的睡眠和生活質(zhì)量產(chǎn)生負面影響[2]，常導致失眠焦慮、抑郁，甚至導致患者自殺。搏動性耳鳴的病因包括動脈粥樣硬化、良性顱內(nèi)高壓、硬腦膜動靜脈瘺、乙狀竇異常(裂開和憩室)以及頸靜脈球瘤[3]。搏動性耳鳴的發(fā)病機制一般認為有兩種：一種是由上述疾病導致的血管異常，使局部血流由層流變?yōu)闇u流或湍流，血流的勢能轉(zhuǎn)化為聲音；另一種是乙狀竇異常造成的骨壁缺失或裂開，削弱了對血流聲音的屏蔽作用[4]。盡管導致搏動性耳鳴的因素有多種，但乙狀竇憩室或骨壁裂開是最常見且可治療的病因[5]，憩室所致的搏動性耳鳴多達搏動性耳鳴患者的20%[5]。彈簧圈栓塞是一種新的治療憩室型搏動性耳鳴方法，臨床已經(jīng)有很多成功的案例報道。Lenck等[6]對一名搏動性耳鳴患者，采用可脫性彈簧圈栓塞乙狀竇憩室，永久性地消除了患者的耳鳴，Houdart等[7]報道了一例左側(cè)憩室的搏動性耳鳴患者，經(jīng)彈簧圈血管內(nèi)治療，憩室閉塞患者耳鳴消退。曹向宇等[8]證實了患者進行支架輔助線圈栓塞后，憩室內(nèi)湍流消失病人搏動性耳鳴消失。以上臨床已證實彈簧圈栓塞治療搏動性耳鳴的有效性，但是其中彈簧圈參數(shù)的選擇主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗或者參考顱內(nèi)動脈瘤彈簧圈的栓塞經(jīng)驗。

在彈簧圈治療腦動脈瘤的研究中，填充密度被認為是影響栓塞效果的重要因素，因而取得了研究者的廣泛關注。為了取得更好的栓塞效果，通常對動脈瘤內(nèi)彈簧圈的填塞盡可能致密[9]。Nair等[10]的研究表明了彈簧圈的填充密度可能是決定動脈瘤破裂的重要因素。Otani等[11]研究了局部彈簧圈密度對動脈瘤內(nèi)血流停滯程度的影響，更好地解釋了彈簧圈的分布與血液停滯之間的關系。Babiker等[12]采用有限元方法和計算流體力學(computational fluid dynamics ，CFD)方法相結合模擬彈簧圈栓塞動脈瘤囊，再現(xiàn)了復雜的血管內(nèi)治療策略，為臨床治療后血流動力學的變化進行了預測。Morales等[9]認為彈簧圈填充密度和彈簧圈結構對動脈瘤內(nèi)血流動力學有著重要的影響。雖然上述研究表明填充密度對顱內(nèi)動脈瘤的彈簧圈栓塞治療效果具有直接的影響[9-10,13]，但是乙狀竇憩室的形態(tài)、體積均與動脈瘤存在較大差異，因此彈簧圈填充密度對乙狀竇的血流動力學環(huán)境的影響規(guī)律尚不明確。

為了解決這一問題，本研究將有限元方法和CFD方法相結合，研究彈簧圈的填充密度對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學環(huán)境的影響，為臨床彈簧圈栓塞治療憩室型搏動性耳鳴提供理論指導。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于北京友誼醫(yī)院一名47歲女性搏動性耳鳴患者，CTA圖像顯示患者左側(cè)乙狀竇憩室。本次研究得到了醫(yī)院機構審查委員會的批準，并獲得了患者的知情同意。

1.2 血管幾何模型

將患者CTA醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)導入醫(yī)學影像控制系統(tǒng)軟件(MIMICS20.0)，重建3D幾何模型，并將該模型通過STL格式導出保存。使用Freeform軟件對重建的3D幾何模型進行平滑操作。得到的血管模型主要部分包括橫竇、乙狀竇和憩室，入口段位于橫竇中部，出口段位于乙狀竇末端，如圖1所示。

圖1 血管模型Figure 1 Vascular geometric model

1.3 有限元彈簧圈和支架模型的釋放

考慮到乙狀竇血管的形態(tài)，本次研究參考Enterprise支架的參數(shù)和結構完成支架的部署。支架幾何模型采用SolidWorks2018軟件建立，然后利用軟件ABAQUS2019進行有限元分析，得到適應乙狀竇血管形態(tài)的支架模型。支架釋放的工作參考Leng的研究[13]，最終得到適應乙狀竇血管形態(tài)的支架模型。

同時，彈簧圈的釋放過程參考Damiano等[14]的工作，在MATLAB 2020b生成彈簧圈的成籃圈和填塞圈幾何中心線，基于有限元軟件ABAQUS 2019模擬彈簧圈在憩室的釋放過程，采用連續(xù)的3D Timoshenko梁單元對彈簧圈離散化，彈簧圈的網(wǎng)格分辨率設為0.1 mm，梁單元的截面直徑設為真實彈簧圈截面直徑的1.5倍，以防止彈簧圈之間的干涉。彈簧圈的彈性模量設為7500 MPa，密度為21.3 g/cm3，泊松比為0.39。彈簧圈與彈簧圈、彈簧圈與微導管和彈簧圈與血管壁的相互作用采用Abaqus/Explicit中的“通用接觸”。首先，彈簧圈部署到微導管中，然后彈簧圈從微導管釋放到憩室，彈簧圈存在預應力，在釋放到憩室時自動彎曲成型。釋放完成后，得到了彈簧圈幾何中心線的梁單元離散化，將彈簧圈中心線掃描為三維實體模型，將彈簧圈模型與血管模型進行布爾運算用于后續(xù)的CFD仿真計算。

1.4 血流動力學的研究

利用Fluent 2020軟件對模型進行多面體網(wǎng)格劃分，為了精確地捕捉到彈簧圈表面結構，網(wǎng)格尺寸最大設為0.001 m。血管壁處采用三層邊界層網(wǎng)格，邊界層的增長率設為1.2。為了確定網(wǎng)格尺寸的大小，檢驗了計算結果對網(wǎng)格的依賴性。選擇憩室骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力作為檢驗網(wǎng)格無關性的標準，進行穩(wěn)態(tài)的CFD計算。最終用于計算的網(wǎng)格尺寸如表1。

表1 網(wǎng)格尺寸Table 1 The grid size

1.5 控制方程

假設血液是各向同性的、均質(zhì)、不可壓縮的牛頓流體，最大雷諾數(shù)小于700，血流為層流，血管壁面為剛性無滑移，用Navier-Stroke方程[2]表示如下：

▽u=0

(1)

(2)

式中：u為流體的速度矢量；ρ為密度,1 050 kg/m3；μ為流體的黏度，0.0035 Pa.s；p為壓力；t為時間。

1.6 邊界條件

由于缺乏患者特定的血流信息，參考前人研究在血管入口給定了血流速度的邊界條件[15]，血流速度曲線如圖2所示。血管的出口壓力設為0 Pa，為了消除初始血流條件對計算結果的影響，計算3個心動周期的結果。提取第3個心動周期的結果進行血流動力學分析，收斂精度設為10-6s。

圖2 邊界條件Figure 2 Boundary conditions

1.7 血流動力學的分析

采用憩室骨壁區(qū)域壁面壓力分布、壁面剪切力分布、骨壁缺失區(qū)域平均壁面壓力(Pavg)隨時間變化、骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力(WSSavg)隨時間的變化、血流速度流線、速度矢量、血流速度云圖、憩室的低流速(<5 mm/s)區(qū)域體積占比(φ)等參數(shù)來評估填充密度對憩室的血流動力學變化的影響。φ、Pavg和WSSavg的公式定義[16]如下：

(3)

式中：Vd指憩室內(nèi)血流速度小于5 mm/s的區(qū)域的體積；VToal指憩室的體積。

(4)

(5)

式中：pi為元素i的壓力；Ai為元素i的面積[16]。

2 結果

2.1 憩室內(nèi)彈簧圈的分布

圖3分別顯示了彈簧圈填充密度為0%、6%、12%、18%、24%時在憩室內(nèi)的分布狀況，隨著填充密度的增大，憩室頸部和頂部的彈簧圈分布增多，彈簧圈在憩室的分布更貼近血管壁。

圖3 不同填充密度下彈簧圈的分布Figure 3 Distribution of coils with differentpacking density

2.2 血管壁面壓力

圖4顯示了T1時刻(入口速度的峰值時刻，T1=0.22 s)填充密度在0%、6%、12%、18%、24%時的憩室壁面壓力分布云圖。T1時刻血流流速最大，對血管壁的沖擊最強烈，所以選擇T1時刻來評估血流動力學的變化。

結果顯示，填充密度為0%時憩室處存在一個高壓區(qū)(圖4黑線內(nèi)區(qū)域)，與骨壁缺失區(qū)域重合，這與Tian等[17]的研究一致，乙狀竇憩室處高的壁面壓力是導致搏動性耳鳴的重要原因。隨著填充密度的增加，高壓區(qū)域減小。當填充密度超過18%時，憩室壁面高壓區(qū)消失。圖5量化了憩室骨壁缺失區(qū)域(sigmoid sinus wall absence ，SSWA)的平均壁面壓力Pavg隨時間一個心動周期的變化曲線。結果顯示，在T1=0.22 s，憩室內(nèi)彈簧圈填充密度0%、6%、12%、18%、24%下，骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg分別為157.46 、154 、151.7 、147.9 、148.8 Pa。填充密度低于18%時，隨著填充密度的增加，平均壁面壓力Pavg隨時間變化的曲線下移，填充密度超過18%時，平均壁面壓力Pavg基本不變。

圖4 血管壁面壓力分布云圖Figure 4 Distribution of blood vessel wall pressure

圖5 一個心動周期骨壁缺失區(qū)域平均壁面壓力Pavg隨時間的變化Figure 5 Pavg of SSWA change with time in onecardiac cycle

2.3 血管壁面剪切力

圖6顯示了T1時刻(入口速度的峰值時刻，T1=0.22 s)填充密度在0%、6%、12%、18%、24%時的憩室壁面剪切力分布云圖。填充密度在0%時憩室區(qū)域壁面剪切力高于周圍區(qū)域，尤其是骨壁缺失區(qū)域壁面剪切力最高(圖6箭頭處)。圖7量化了骨壁缺失區(qū)域的平均壁面剪切力WSSavg隨時間的變化，結果表明，在T1=0.22 s，憩室內(nèi)彈簧圈填充密度0%、6%、12%、18%、24%下，平均壁面剪切力WSSavg分別為4.3、2.8、1.83 、0.83、0.67 Pa。隨著彈簧圈填充密度的增加，憩室的高壁面剪切力減小至消失。從曲線可看出填充密度小于18%時，平均壁面剪切力WSSavg隨時間變化曲線下移；填充密度超過18%時，繼續(xù)增加填充密度，曲線下降幅度很小。

圖6 血管壁面剪切力分布云圖Figure 6 Distribution of blood vessel wall shear stress

圖7 一個心動周期骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力WSSavg隨時間的變化Figure 7 WSSavg in the area of SSWA change with time in one cardiac cycle

2.4 血流速度流線

T1時刻的血流速度流線見圖8(a)。填充密度為0%時橫竇的血流流線擊中憩室入口后旋轉(zhuǎn)至憩室頂部，隨著憩室內(nèi)彈簧圈填充密度的增加，憩室內(nèi)的血流流線減少，血流紊亂程度降低[圖8(a)黑色方框內(nèi)]。當填充密度達到12%時，憩室內(nèi)沒有流線進入。圖8(b)顯示了高速血流撞擊骨壁缺失區(qū)域，彈簧圈植入后緩沖了血流對血管壁的撞擊，血流的方向發(fā)生改變，隨著填充密度的增加，血流不再撞擊血管壁。

憩室切面的血流速度云圖見圖8(c)，血流速度大于5 mm/s的顏色為紅色，從云圖可以看到憩室內(nèi)紅色區(qū)域隨著彈簧圈填充密度的增大而減小，憩室內(nèi)的血流速度隨著彈簧圈填充密度的增大而減小。

2.5 憩室低流速區(qū)域體積所占比

圖8(d)顯示了提取的憩室低流速區(qū)域體積，由于血流速度小于5 mm/s時有可能導致血栓[18]，因此選擇5 mm/s作為提取低流速區(qū)域的指標。結果表明，彈簧圈填充密度為0%時，憩室內(nèi)低流速區(qū)域體積占比為0.4%，隨著彈簧圈填充密度的增加，憩室內(nèi)低流速區(qū)域體積占比增大，結果如圖8(e)所示。

圖8 血流速度Figure 8 Blood flow velocity

3 討論

本文結果表明，隨著填充密度的增加，憩室骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg下降，當填充密度為18%時憩室壁面壓力的高壓區(qū)完全消失。當填充密度超過18%時，骨壁缺失區(qū)域的平均壁面壓力Pavg隨時間變化的曲線不再下降。同樣的，憩室骨壁缺失區(qū)域平均壁面剪切力WSSavg隨時間變化的曲線，隨著填充密度的增大而下降，以上可能是影響彈簧圈治療的短期血流動力學機制。此外，憩室內(nèi)低流速區(qū)域的體積占比隨著彈簧圈填充密度的增大而增大，填充密度越高越有利于憩室內(nèi)血栓形成的血流動力學環(huán)境。彈簧圈的填充密度與血流動力學環(huán)境的改善并不是線性相關的，當填充密度增大到一定程度后，血流動力學狀態(tài)的改善效果明顯降低。

為了取得更好的栓塞效果，動脈瘤彈簧圈治療追求的目標是高的填充密度，但這也增加了更大的臨床挑戰(zhàn)和動脈瘤破裂的風險[12]。彈簧圈治療后的血流動力學在高填充密度下更趨向于穩(wěn)定[14]。而本研究結果表明，當填充密度小于18%時，結果符合動脈瘤彈簧圈填塞規(guī)律，隨著填充密度增大，血管壁面壓力降低，血管壁面剪切力降低。但是當填充密度達到18%時繼續(xù)增大填充密度，血流動力學變化不明顯。造成這種差異的原因可能是，乙狀竇憩室是靜脈血管，相對于動脈瘤其血流的搏動較小，彈簧圈通過阻擋血流對血管壁的撞擊，降低動脈瘤內(nèi)血流速度，從而栓塞動脈瘤，靜脈的搏動較小，血流速度較緩，所以這可能是造成填充密度達到一定數(shù)值時，血流動力學變化不明顯的原因。

搏動性耳鳴不僅與高速血流速度、高流量有關，而且與異常的血流模式相關[19]。Amans等[19]研究了憩室內(nèi)的靜脈血流，發(fā)現(xiàn)憩室內(nèi)存在渦流。而治愈后的搏動性耳鳴患者的血流更加順暢，本研究結果中彈簧圈治療前憩室內(nèi)有紊亂的血流流線。填充密度達到18%時憩室內(nèi)沒有流線進入。Li等[20]4D flow和MR成像中觀察到，橫竇的高速血流射向憩室的側(cè)壁，認為局部竇壁長期可能會被血流撞擊，存在高壓區(qū)。圖4顯示填充密度為0%時憩室骨壁缺失區(qū)域存在高壓區(qū)，填充密度為18%時高壓區(qū)消失。提取憩室內(nèi)的低流速區(qū)域(<5mm/s)體積占比，結果發(fā)現(xiàn)隨著填充密度的增加，低流速區(qū)域體積從憩室頂部向頸部擴增，這可能是有利于血栓形成的血流動力學環(huán)境。在動脈瘤彈簧圈治療中，血流速度下降的結果是促進動脈瘤囊內(nèi)血栓形成，血流速度的下降取決于彈簧圈的填充密度[21]。提高憩室內(nèi)彈簧圈的填充密度，有助于憩室內(nèi)血栓的形成，從而封堵憩室達到一個長期的治療效果。

這項研究還存在一定的局限性，首先患者的樣本量不足，在以后的研究中應該擴大樣本量。其次缺乏患者特定的血流信息，使用文獻的搏動性耳鳴患者信息進行的仿真模擬，邊界條件的選擇會影響結果，但不影響憩室內(nèi)血流動力學的橫向比較。最后，在未來的研究中應該涉及聲學實驗，直觀地反映血流動力學與搏動性耳鳴之間的聯(lián)系。

4 結論

在低填充密度下，血流動力學的改善與填充密度的增大并不是線性的。當彈簧圈填充密度達到一定數(shù)值時，繼續(xù)增加填充密度，血流動力學變化不明顯。憩室內(nèi)低流速區(qū)域體積占比隨著填充密度的增大而增大，填充密度增高有利于憩室內(nèi)血栓形成的血流動力學環(huán)境。