胡桃?jiàn)A綜合征血流動(dòng)力學(xué)的血管建模研究

張世坤，唐璐，徐小杰，趙英紅*

胡桃?jiàn)A綜合征是指左腎靜脈將血液送入下腔靜脈途經(jīng)腸系膜上動(dòng)脈與腹主動(dòng)脈形成的夾縫時(shí)，由于夾角過(guò)小左腎靜脈受到了壓迫，導(dǎo)致左腎靜脈血液流動(dòng)受阻引起的左腎靜脈血流動(dòng)力學(xué)異?，F(xiàn)象。然而對(duì)于胡桃?jiàn)A綜合征的診斷，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或醫(yī)學(xué)上一致認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)。腎靜脈造影是診斷胡桃?jiàn)A綜合征的“金標(biāo)準(zhǔn)”［1-2］，但為有創(chuàng)性檢查。正常狀態(tài)下左腎靜脈比下腔靜脈的壓力梯度高0～1 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa），二者之間壓力梯度＞3mm Hg 可作為診斷胡桃?jiàn)A綜合征的標(biāo)準(zhǔn)［3-10］。但通過(guò)此侵入式方法對(duì)左腎靜脈進(jìn)行壓力測(cè)定，操作過(guò)程復(fù)雜且有創(chuàng)，對(duì)于不需要放置血管支架的患者來(lái)說(shuō)難以接受。因此，如何通過(guò)無(wú)創(chuàng)方式提供更多與病變相關(guān)的量化參數(shù)，是胡桃?jiàn)A綜合征臨床診斷、治療依據(jù)研究的重點(diǎn)。然而，由于缺乏綜合性報(bào)道，對(duì)左腎靜脈不同狹窄程度引起左腎靜脈與下腔靜脈壓力差、左腎靜脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化未見(jiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料。為此，本研究利用患者自體CT 影像數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)人體左腎靜脈進(jìn)行血管精準(zhǔn)建模，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，將胡桃?jiàn)A綜合征患者病變血管的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)分布可視化，并與超聲測(cè)得的血流動(dòng)力學(xué)信息及內(nèi)徑做比較，尋找診斷胡桃?jiàn)A綜合征更有力的依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 選擇2019 年9 月至2021 年3 月在徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院就診的70例胡桃?jiàn)A綜合征患者為研究對(duì)象。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡≥18 歲；（2）均行CT和超聲檢查且資料完整；（3）均有左腎靜脈受壓征象。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）既往因腹部占位、脊柱畸形等致腹部大血管受壓、移位者；（2）腹部大血管病變者；（3）有CT 檢查禁忌證者。70例研究對(duì)象中男39例，女31例；年齡18～49 歲，平均（25.6±10.4）歲。

1.2 影像學(xué)掃描

1.2.1 CT 檢查方法 采用德國(guó)Siemens 雙源CT（SOMATOM Force）行腹部CT 血管造影（computed tomography angiography，CTA）檢查?；颊呷⊙雠P位，足先進(jìn)，掃描范圍自膈頂至恥骨聯(lián)合水平。采用螺旋掃描模式，管電壓120 kV，參考有效mAs 為160 mAs；CARE Dose 4D 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)曝光劑量。X 線球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/周，螺距1.2，探測(cè)器準(zhǔn)直器96 mm×0.6 mm，F(xiàn)OV 380 mm，掃描層厚5 mm，層間距5 mm，重建層厚1 mm，重建層間距0.5 mm，重建卷積核Bv36，窗寬700 HU，窗位100 HU。對(duì)比劑采用碘海醇（碘海醇，GE 醫(yī)療藥業(yè)，規(guī)格350 mg/ml），經(jīng)高壓注射器（missouri-XD2001，德國(guó)歐利奇醫(yī)療有限公司）以4 ml/s 速度注入肘正中靜脈，注射劑量1.2 ml/kg。注射造影劑15 s 后啟動(dòng)監(jiān)測(cè)掃描程序，當(dāng)降主動(dòng)脈CT 值達(dá)到閾值（100 HU）時(shí)自動(dòng)觸發(fā)掃描。

1.2.2 超聲檢查方法 采用飛利浦 EPIQ 7超聲診斷儀，探頭頻率為3～5 MHz，患者取仰臥位，腰部墊枕，脊柱過(guò)度后伸位，充分暴露中腹部，多切面掃查，橫切面聲像圖觀察左腎靜脈，并分段測(cè)量腸系膜上動(dòng)脈后方段、腸系膜上動(dòng)脈左側(cè)段的左腎靜脈內(nèi)徑，調(diào)整探頭角度及聲束方向，精確分段測(cè)量受壓段、受壓遠(yuǎn)心段左腎靜脈峰值流速。

1.3 血管的血流動(dòng)力學(xué)建模 將胡桃?jiàn)A綜合征患者左腎靜脈增強(qiáng)CT醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)入Mimics軟件中，設(shè)置上、下、右、左四個(gè)方向來(lái)定位圖像，將灰度顯示調(diào)整為Soft Tissue 模式，如圖1 所示；對(duì)導(dǎo)入的CT 圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括閾值分割、動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)兩種算法分離出左腎靜脈、腸系膜上動(dòng)脈和腹主動(dòng)脈，創(chuàng)建蒙板并生成三維模型；對(duì)蒙板計(jì)算生成的三維模型進(jìn)行優(yōu)化，具體為使用Smooth 方法對(duì)血管模型進(jìn)行平滑處理。填補(bǔ)血管蒙板上的空缺，減少三維模型表面上的空洞、毛刺與凹陷，設(shè)置適當(dāng)?shù)钠交笖?shù)與迭代次數(shù)對(duì)所建血管模型的表面做平滑處理，以便于后期有限元分析，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整閾值上、下限可以將目標(biāo)區(qū)域包括在內(nèi)且無(wú)關(guān)組織較少，如圖1 所示；將建模后的血管使用四面體法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義血流出口、入口以及計(jì)算域，在出入口及計(jì)算域劃分邊界層改善壁面邊界的計(jì)算精度，對(duì)左腎靜脈狹窄病變區(qū)域的網(wǎng)格分布做加密處理，建立的左腎靜脈網(wǎng)格模型如圖2 所示；將網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS 17.2 軟件中的FLUENT 模塊，設(shè)置左腎靜脈內(nèi)血液流體為牛頓流體，血液無(wú)法壓縮，血管無(wú)滲透性，血流為層流，流動(dòng)屬于非定常流動(dòng)，設(shè)置血管壁光滑無(wú)滑移，管壁為剛性管道。在人體正常體溫下將血液密度設(shè)置為1 055 kg/m2，黏度設(shè)置為0.003 Pa·s。血管入口為速度入口，速度設(shè)置為0.5 m/s，血管出口為壓力出口，在大氣壓下不考慮重力相對(duì)壓力設(shè)為零；將劃分好網(wǎng)格的兩個(gè)左腎靜脈三維模型導(dǎo)入FLUENT 中，將MESH 網(wǎng)格文件默認(rèn)單位設(shè)置為毫米，殘差設(shè)置為10-4，模擬類(lèi)型為穩(wěn)態(tài)計(jì)算；采用COUPLED 算法對(duì)血流數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算模型設(shè)置為黏度模型的k-epsilon（2 eqn），設(shè)置血液以0.5 m/s勻速流動(dòng)，血流入口處在有背景壓力的情況下設(shè)置壓力為0，設(shè)置200 個(gè)迭代步數(shù)，待達(dá)到所要求的殘差值時(shí)計(jì)算自動(dòng)停止。

圖1 左腎靜脈及其毗鄰血管三維模型及初始模型Figure 1 Three-dimensional model and initial model on left renal vein and its adjacent vessels

圖2 左腎靜脈生成的網(wǎng)格模型Figure 2 Grid model generated based onthe left renal vein

2 結(jié)果

2.1 影像學(xué)檢查結(jié)果 患者行CT 增強(qiáng)檢查，左腎靜脈在腸系膜上動(dòng)脈后方管徑變細(xì)，測(cè)量腸系膜上動(dòng)脈與腹主動(dòng)脈夾角為（18.23°±0.26°），分別測(cè)量腸系膜上動(dòng)脈左側(cè)的左腎靜脈與狹窄處的左腎靜脈內(nèi)徑，二者比值＞4。

2.2 左腎靜脈模型血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化 利用患者自體CT 影像數(shù)據(jù)，成功建立了胡桃?jiàn)A綜合征患者左腎靜脈的個(gè)體化血管模型（圖1、2），模型Ⅰ測(cè)得患者左腎靜脈入口處內(nèi)徑約為8.6 mm，狹窄處內(nèi)徑約為1.9 mm。通過(guò)應(yīng)用ANSYS FLUENT 模塊模擬左腎靜脈血液流態(tài)。以模型Ⅰ為例，從入口到狹窄部位起始處血液以低速層流方式流動(dòng)，速度流線相對(duì)均勻地分布在血管內(nèi)部，血液通過(guò)狹窄部位時(shí)，流速迅速升高，約為63.75 cm/s，速度流線密集地分布在狹窄部位〔圖3（a）、（b）〕；該患者同期的超聲檢查結(jié)果見(jiàn)表1，本研究中患者實(shí)行平臥位和站立位分別檢查，灰階彩超檢查左腎靜脈狹窄處的內(nèi)徑和入口處的內(nèi)徑，每次測(cè)量3 次，取平均值。頻譜多普勒測(cè)量左腎靜脈狹窄處的流速和入口處的流速，每次測(cè)量3 次，取平均值。此外，在大氣壓下設(shè)置出口相對(duì)壓力為0 Pa 的前提下由圖3（c）可以觀察到左腎靜脈血流入口處壓力顯示為高壓，狹窄處與出口處顯示為低壓，狹窄處的壓力小于入口處，從入口到出口呈現(xiàn)壓力遞減的特點(diǎn)，狹窄處為壓力的極小值點(diǎn)，取值約為802.6 Pa；狹窄遠(yuǎn)端與狹窄處的壓差達(dá)到663.4 Pa。由圖3（d）可知，左腎靜脈壁的切應(yīng)力除狹窄處外均呈現(xiàn)較低的壁面切應(yīng)力，越靠近狹窄中心位置切應(yīng)力越高，峰值可達(dá)269.3 Pa。

表1 入組患者超聲檢查情況Table 1 Ultrasonic examination of enrolled patients

3 討論

通常左腎靜脈走行于腸系膜上動(dòng)脈和腹主動(dòng)脈之間，當(dāng)兩者之間的夾角過(guò)小時(shí)，可發(fā)生左腎靜脈受壓。胡桃?jiàn)A綜合征就是左腎靜脈受壓后引起的一系列臨床癥狀，可發(fā)生于任何年齡，但體質(zhì)量偏低的青年人多見(jiàn)，受壓后左腎靜脈血液回流障礙，血流動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，靜脈壓增高，進(jìn)而出現(xiàn)不明原因的血尿、蛋白尿、性腺靜脈曲張等臨床表現(xiàn)［2，5，11-17］。通過(guò)流體力學(xué)數(shù)值模擬方法對(duì)胡桃?jiàn)A綜合征進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)變化層面分析，有利于更好地把握和分析胡桃?jiàn)A綜合征的致病機(jī)制及治療方法。模擬計(jì)算左腎靜脈狹窄處與外擴(kuò)處的血流動(dòng)力學(xué)特征值，模擬結(jié)果的血液流速、壁面靜壓力、壁面切應(yīng)力等信息，對(duì)研究人體血管在生理和病理狀態(tài)下的血流動(dòng)力及內(nèi)徑變化有重要價(jià)值。本研究中，胡桃?jiàn)A綜合征患者病變血管內(nèi)的血流在流速分布上，從入口處至狹窄部位的血液以低速層流方式流動(dòng)，速度流線相對(duì)均勻地分布在血管內(nèi)部，血液通過(guò)狹窄部位時(shí)，流速迅速升高，血流從出口噴射而出，速度流線密集地分布在狹窄部位。實(shí)驗(yàn)假設(shè)血液在血管中的流動(dòng)方式為層流，由于相互摩擦力的存在，血管管腔中心血流速度最快［18-21］。本研究結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)，從圖3 中可見(jiàn)狹窄處速度流線顯示血流速度呈逐漸向兩側(cè)降低的流動(dòng)狀態(tài)。左腎靜脈狹窄部位流速過(guò)快可能會(huì)促使血小板與血管內(nèi)壁頻繁碰撞，對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞造成損傷［11，22-24］。

圖3 左腎靜脈內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)變化Figure 3 Hemodynamic changes of theleft renal vein

此外，從計(jì)算結(jié)果可以看出，左腎靜脈的壁面壓力入口處呈現(xiàn)為高壓狀態(tài)，隨著血流流向狹窄處壓力呈不斷下降的趨勢(shì)，此時(shí)狹窄病變端口顯示為負(fù)壓即血管狹窄處壓力小于默認(rèn)設(shè)置的大氣壓，負(fù)壓可能會(huì)導(dǎo)致被壓迫處的血管進(jìn)一步狹窄。在負(fù)壓環(huán)境下，有利于血管的生長(zhǎng)成熟，但由于狹窄處的血液流速過(guò)快，切應(yīng)力較大，會(huì)對(duì)內(nèi)壁造成持續(xù)性損傷，兩者相互影響最后可能會(huì)加重狹窄程度［25-26］。出口處的低壓可能會(huì)導(dǎo)致左腎靜脈與下腔靜脈壓差過(guò)大，使血流無(wú)法順利回流至下腔靜脈。根據(jù)文獻(xiàn)資料，受到壓迫后左腎靜脈壓力與下腔靜脈壓力差值大于0.49 kPa 時(shí)，即可診斷為胡桃?jiàn)A綜合征［4，27］。結(jié)合CT 圖像可知，左腎靜脈入口處相對(duì)較高的壓力會(huì)導(dǎo)致該處血管擴(kuò)張〔圖1（a）、（b）、（c）〕，此現(xiàn)象也可作為診斷的參照標(biāo)準(zhǔn)之一。

從研究結(jié)果也可以分析出胡桃?jiàn)A綜合征的一系列臨床癥狀與壁面切應(yīng)力變化密切相關(guān)。壁面切應(yīng)力是血流流動(dòng)過(guò)程中對(duì)管壁的摩擦力，描述了血流對(duì)管壁內(nèi)皮細(xì)胞的作用力，血管形狀、大小、血液黏度均會(huì)造成影響［28］。壁面切應(yīng)力不同于壁面壓力，壁面壓力從入口至狹窄部位壓力逐漸降低，壁面切應(yīng)力除狹窄部位以外均為低壁面切應(yīng)力區(qū)，隨著與狹窄中心位置距離縮短，壁面切應(yīng)力開(kāi)始逐漸增加，直至中心處達(dá)到極大值〔圖3（d）〕。血流通過(guò)彎曲狹窄部位時(shí)，血流速度加快，方向驟變，對(duì)管壁的沖擊力也會(huì)急速增大，因此會(huì)對(duì)血管內(nèi)壁造成多重?fù)p傷，加重臨床癥狀。如部分患者出現(xiàn)的左腰腹部疼痛就是因?yàn)樽竽I靜脈入口處壓力增高，使周?chē)o脈瘀血，從而導(dǎo)致疼痛?；颊叱霈F(xiàn)血尿也是由于入口處的高壓狀態(tài)導(dǎo)致腎盞靜脈破裂出血，血液進(jìn)入輸尿管從而導(dǎo)致血尿［29］。

根據(jù)臨床資料顯示，胡桃?jiàn)A綜合征超聲診斷標(biāo)準(zhǔn)：（1）腹主動(dòng)脈與腸系膜上動(dòng)脈之間的間隙明顯減小，左腎靜脈明顯受壓，其遠(yuǎn)心端明顯擴(kuò)張，擴(kuò)張段內(nèi)徑為狹窄處內(nèi)徑的3 倍以上，脊柱后伸20 min 后為 4 倍以上；（2）左腎靜脈受壓處血流速度加快，其遠(yuǎn)端擴(kuò)張，血流速度減慢，頻譜低平或消失［1，5，30］。羅曉莉等［30］使用彩色多普勒超聲檢查多名胡桃?jiàn)A綜合征患者，分別測(cè)量腹主動(dòng)脈左側(cè)左腎靜脈擴(kuò)張?zhí)幰约白竽I靜脈狹窄處的內(nèi)徑及血流速度，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，擴(kuò)張?zhí)幣c狹窄處的左腎靜脈血管內(nèi)徑比值為（6.5±0.5）∶1，擴(kuò)張?zhí)幣c狹窄處的左腎靜脈血流速度比值為（7.2±0.9）∶1，作為診斷左腎靜胡核桃?jiàn)A綜合征的標(biāo)準(zhǔn)，本研究測(cè)得的比值為（6.7±0.5），在上述閾值范圍內(nèi)。

本研究建模結(jié)果顯示，狹窄處左腎靜脈內(nèi)徑變小，流速增快，其變化規(guī)律與模型顯示一致，模型計(jì)算結(jié)果中的狹窄病變處的流速峰值與患者超聲檢查血流流速變化相符。通過(guò)計(jì)算流體數(shù)值模擬方法可以無(wú)創(chuàng)獲取豐富的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化情況，為該病的臨床診斷和治療提供重要參考。這些數(shù)據(jù)特征可以作為診斷胡桃?jiàn)A綜合征的重要參考，是臨床醫(yī)生判斷患者是否需要進(jìn)行外科手術(shù)的重要參考依據(jù)，也是判斷術(shù)后恢復(fù)情況的重要參考指標(biāo)。本研究不足之處是樣本量小，部分患者無(wú)法同時(shí)具備完整的CT 和超聲資料，有待完善樣本量進(jìn)一步研究。

作者貢獻(xiàn)：張世坤進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)、結(jié)果的分析與解釋、撰寫(xiě)論文和論文修訂，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)；唐璐、徐小杰進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理；趙英紅進(jìn)行研究的實(shí)施與可行性分析、文章的質(zhì)量控制及審校。

本文無(wú)利益沖突。