Willis環(huán)變異所致血流動力學(xué)變化及其對交通動脈瘤形成的影響

黃海飛，龍霄翱，黃正威，馮學(xué)成，羅佳佳

（廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，廣東湛江 524023）

顱內(nèi)動脈瘤（IAN）是一種發(fā)生在顱內(nèi)血管壁局部異常膨出的獲得性疾病。血管管壁彈性內(nèi)膜消失，中膜變薄，導(dǎo)致管壁重塑以及細胞外基質(zhì)蛋白的降解被認為是其起源和生長的本質(zhì)[1]。據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，IAN 總發(fā)病率為4%～6%，其破裂出血影響神經(jīng)功能甚至危害生命被認為最嚴重的后果。據(jù)統(tǒng)計其第一次破裂出血致死率可達30%～60%，再次破裂出血致死率達60%～70%，且破裂出血存活者中有一半以上的患者遺留不同程度的神經(jīng)功能損害后遺癥[2-3]。然而交通動脈瘤是顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生率較高的一種類型。通過大量文獻分析，顱腦動脈瘤的形成受多種因素影響，但血流動力學(xué)的改變與顱內(nèi)動脈瘤的形成、發(fā)展等方面有著密切的關(guān)系[4-5]。隨著對Willis 環(huán)的深入研究及輔助檢查手段的提升，發(fā)現(xiàn)其變異發(fā)生率較高[6-10]，Willis 環(huán)的變異改變血管內(nèi)的血流動力學(xué)特點。本文旨在就Willis 環(huán)變異及其與交通動脈瘤形成之間的關(guān)系研究作一綜述。

1 Willis環(huán)及其變異

1.1 Willis環(huán)

早在1664 年，Thomas Willis 提出Willis 動脈環(huán)，目前有許多研究者對Willis 環(huán)進行探討研究，最終發(fā)現(xiàn)在顱內(nèi)血液循環(huán)灌注中Willis 環(huán)扮演著重要角色，是腦內(nèi)血管血流調(diào)節(jié)的重要組織結(jié)構(gòu)，其組成成分有前交通動脈、左右兩側(cè)大腦前動脈水平段（A1 段）、左右兩側(cè)頸內(nèi)動脈、左右兩側(cè)后交通動脈、左右兩側(cè)大腦后動脈大腦腳段（P1）。顱內(nèi)血液循環(huán)可分為前、后循環(huán)，研究者將頸內(nèi)動脈及其分支血管供應(yīng)大腦前部分組織的血供稱為前循環(huán)，將椎基底動脈及其分支供應(yīng)大腦后部分的血供稱為后循環(huán)。正常生理狀態(tài)下兩側(cè)頸內(nèi)動脈內(nèi)壓力差處于平衡狀態(tài)，兩側(cè)血液不會發(fā)生混合，其主要靠前交通動脈來維持。同樣頸內(nèi)動脈、基底動脈間壓力差也處于平衡狀態(tài)，兩者之間的血液不會混合，其主要是依賴后交通動脈。若一側(cè)血管發(fā)生變異，導(dǎo)致一側(cè)顱內(nèi)血管血流量急速增加或減少打破兩側(cè)血液壓力平衡狀態(tài)，機體為保證變異側(cè)腦組織血液灌注充分，一側(cè)血液則從健側(cè)的交通動脈進入對側(cè)進行代償，最終增加了該側(cè)交通動脈的血流量、血流速度、血液壓力等，該側(cè)血管的血流動力學(xué)也隨之發(fā)生改變。

1.2 Willis環(huán)變異率

隨著對Willis 環(huán)研究的深入，發(fā)現(xiàn)其變異的發(fā)生率較高，且存在種族、性別、年齡等差異。Bahman等[6]一項橫斷面研究，收集525 例健康人群行頭顱MRA的檢查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)僅有20.9%的人群存在完整的Willis環(huán)。Zaninovicho 等[7]對834 例患者的顱腦CTA 進行回顧性分析，發(fā)現(xiàn)僅約37.1%患者存在完整的Willis環(huán)，且發(fā)現(xiàn)Willis環(huán)的完整性與性別和年齡相關(guān)，變異的Willis 環(huán)男性比女性多見，且隨年齡的增長，Willis環(huán)的變異率隨之增加。Mukherjee 等[8]一項研究中發(fā)現(xiàn)，40%的人群有完整的Willis 環(huán)解剖結(jié)構(gòu)。James等[9]進行的一項前瞻性研究結(jié)果顯示，50 歲以上的人群中只有44%的人群為完整的Willis 環(huán)，可見不完整的Willis 環(huán)占比較高。Zakis 等[10]對100 例埃及人頭顱MRA 檢查資料分析，在不完整Willis 環(huán)中前、后循環(huán)不完整比分別占為34%和62%，且在后循環(huán)變異類型中后交通動脈的變異率較高，并認為Willis 環(huán)的變異類型跟種族人群相關(guān)。多重數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)illis 環(huán)變異發(fā)生率非常高。

1.3 Willis環(huán)變異的分型

隨著對Willis 環(huán)研究進展及輔助檢查手段的提升對Willis 環(huán)變異類型的分法也有許多。根據(jù)進化觀點分為原始型、近代型、過渡型和混合型。從解剖結(jié)構(gòu)、個體發(fā)育和臨床應(yīng)用等多個角度將Willis 環(huán)分成4 型即經(jīng)典型、變異型、發(fā)育不良型與混合型。Li等[11]根據(jù)Willis 環(huán)前后循環(huán)的解剖學(xué)完整性，將其分為4 種類型：1 型指構(gòu)成Willis 環(huán)的血管均完整；2 型指Willis 環(huán)前循環(huán)完整而后循環(huán)不完整，即構(gòu)成前循環(huán)的血管均完整，然而構(gòu)成后循環(huán)的血管中至少有一支血管不完整；3 型指Willis 環(huán)前循環(huán)不完整，而后循環(huán)完整，即構(gòu)成前循環(huán)的血管中至少有一支血管發(fā)生變異；4 型指Willis 環(huán)的前、后循環(huán)均不完整，即前、后循環(huán)的組成血管中均至少有一支血管發(fā)生不完整。也有不少研究者根據(jù)血管直徑大小對Willis 環(huán)變異進行定義及分類，但目前對血管發(fā)育不良的直徑定義仍無明確統(tǒng)一的標準，Gaigalaite 等[12]將Willis 環(huán)血管＜0.8 mm 時被稱為發(fā)育不良。然而Wuesinghe 等[13]的研究中，Willis 環(huán)中直徑＜1 mm 的血管被定義為發(fā)育不良。然而對Willis 環(huán)后循環(huán)血管的變異的定義及分類也存在許多方法。Li 等[14]對170 例中國人群進行研究，將Willis環(huán)后循環(huán)分為10類：正常成年型、過渡型、單側(cè)胚胎型大腦后動脈（FTP）、雙側(cè)胚胎型大腦后動脈（FTP）、雙側(cè)后交通動脈缺失、雙側(cè)PcomA發(fā)育不良、單側(cè)PcomA 缺失、單側(cè)PcomA 發(fā)育不全、完全FFTP、PCoA 與PCA 不相通同時供應(yīng)PCA 交通后段。然而Zakis 等[10]的研究則將Willis 環(huán)后循環(huán)分成如下幾類：雙側(cè)后交通動脈完整、單側(cè)胚胎型大腦后動脈、雙側(cè)胚胎型大腦后動脈、一側(cè)后交通動脈存在；雙側(cè)后交通動脈缺失或發(fā)育不良、一側(cè)胚胎型大腦后動脈合并P1 段缺失或發(fā)育不良、一側(cè)胚胎型大腦后動脈和P1 段缺失或發(fā)育不良合并對側(cè)后交通動脈缺失或發(fā)育不良、一側(cè)胚胎型大腦后動脈和P1 段缺失或發(fā)育不良合并對側(cè)后交通動脈缺失或發(fā)育不良、雙側(cè)胚胎型大腦后動脈和Pl 段缺失或發(fā)育不良、雙側(cè)胚胎型大腦后動脈合并其中一側(cè)大腦后動脈缺失或發(fā)育不良。Gaigalaite 等[12]將Willis 環(huán)后部分為后交通動脈存在、后交通動脈缺失或發(fā)育不良和胚胎型大腦后動脈。

2 Willis環(huán)變異與交通動脈瘤形成

2.1 Willis環(huán)變異與血流動力學(xué)的關(guān)系

在生理狀態(tài)下Willis 環(huán)主要發(fā)揮著是顱內(nèi)血液循環(huán)及顱內(nèi)組織灌注的循環(huán)代償功能，在Willis 環(huán)中前交通動脈是連通雙側(cè)大腦前動脈A1 段，后交通動脈則是連通雙側(cè)大腦后動脈P1 段。一側(cè)血管發(fā)生變異，該側(cè)腦組織灌注減少，為維持其灌注量，健側(cè)的血管進行代償，從而增加交通動脈的血流量及血流速度。血流動力學(xué)的改變受諸多因素的影響。任國榮等[15]對國內(nèi)外關(guān)于顱內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)研究進展的分析，發(fā)現(xiàn)血流動力學(xué)參數(shù)受血流速度、血流流線等因素的影響。Meijs 等[16]發(fā)現(xiàn)Willis 環(huán)的變異使代償血管血流量、血流速度等增加，致其內(nèi)壁遭受更大的血流沖擊，血管內(nèi)血流動力學(xué)改變，也同時發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)壁在強切應(yīng)力的影響下，血管內(nèi)壁彈力膜和血管肌層等發(fā)生退行性改變，最終該處形成動脈瘤。劉曉波等[17]通過研究同期行顱腦DSA70 例確診顱內(nèi)動脈瘤與70 例無顱內(nèi)動脈瘤患者的數(shù)據(jù)，顱腦彩色多普勒獲取其血流動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示，Willis環(huán)的變異直接改變顱內(nèi)血管血流動力學(xué)，從而誘導(dǎo)動脈瘤的形成。鄧漢順等[18]通過分析顱內(nèi)動脈瘤形成及破裂因素，發(fā)現(xiàn)Willis 環(huán)變異導(dǎo)致顱內(nèi)血管血流重新分配，增加代償血管的血流速度及血流量，改變代償血管的血流動力學(xué)特征，增加血流對血管壁的血管壁壓力、壁面切應(yīng)力等。張炘等[19]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)一側(cè)Willis環(huán)血管發(fā)育不良或者缺如時，大腦兩側(cè)血液壓力不再平衡，Willis環(huán)健側(cè)血管代償血流量明顯增加，血流動力學(xué)隨之改變。

2.2 計算流體力學(xué)在血流動力學(xué)分析中的應(yīng)用

隨著計算機工程技術(shù)的發(fā)展，影像學(xué)計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬分析成為目前檢測顱內(nèi)動脈血流動力學(xué)的重要方法，其記錄的參數(shù)能直觀地顯示顱內(nèi)動脈血流動力情況，早在1992 年計算流體力學(xué)就被應(yīng)用于研究顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生機制。隨著研究的進一步加深及技術(shù)的不斷成熟，計算流體力學(xué)方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究已是較普遍且成熟的技術(shù)。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，目前研究者可根據(jù)患者本身的核磁共振血管造影(MRA)、計算機斷層掃描血管造影(CTA)或三維數(shù)字減影血管造影(3D-DSA)等影像學(xué)資料，通過Mimics、Simpleware、3Dslicer等醫(yī)學(xué)影像處理軟件構(gòu)建精準的、個體化、真實的3D 動脈瘤模型。Sabour等[20]評價顱內(nèi)動脈瘤CTA、磁共振血管造影(MRA)和三維旋轉(zhuǎn)血管造影(3DRA)圖像重建的三維模型形態(tài)學(xué)差異，研究顯示，這3 種檢查數(shù)據(jù)能完美重建顱內(nèi)血管的幾何結(jié)構(gòu)，且3 種重建出來的幾何結(jié)構(gòu)之間沒有顯著差異。然而Berg 等[21]在一項回顧性研究中發(fā)現(xiàn)，3DRA 被確定為顱內(nèi)血管基于圖像的血流動力學(xué)模擬的當(dāng)前黃金標準。然后通過Geomagic 等逆向工程軟件進行模型優(yōu)化，再將模型導(dǎo)入大型通用有限元分析軟件(如ANSYS、ABAQUS、HyperMesh 等）進行網(wǎng)格劃分,構(gòu)建目標血管及動脈瘤CFD 模型,最后通過邊界條件設(shè)定（如設(shè)定血液為牛頓流體，血管壁為剛性壁等）及后處理計算來進行計算流體力學(xué)分析[15]。通過患者的檢查資料，提取變異血管及動脈瘤數(shù)據(jù)，在體外建立變異血管模型，分析其血流動力學(xué)特征。該方法可以更加真實直觀地觀察到變異血管的血流動力學(xué)參數(shù)。

3 血流動力學(xué)與顱內(nèi)動脈瘤的形成關(guān)系

隨著對動脈瘤形成因素的大量研究，目前已明確血流動力學(xué)特點是動脈瘤形成的一獨立危險因素。經(jīng)過大量研究顯示，血流動力學(xué)參數(shù)中血管壁壓力、壁面切應(yīng)力（WSS）、切應(yīng)力震蕩指數(shù)（OSI）、壁面切應(yīng)力梯度（WSSG）、血流沖擊力、血流速度等都直接、間接對顱內(nèi)動脈瘤的形成、發(fā)展過程產(chǎn)生影響[4]。血液流動的過程產(chǎn)生對血管壁的作用力稱為WSS，然而影響WSS 的因素主要有血液流速，且其數(shù)值與血液流速成正比，與血流速梯度呈正相關(guān)。顱內(nèi)動脈瘤的進展直接受血流剪切應(yīng)力影響，而心動周期又直接決定剪切應(yīng)力的變化。張炘等[22]對國內(nèi)外有關(guān)切應(yīng)力在顱內(nèi)動脈瘤的關(guān)系中，總結(jié)得出高WSS 與動脈瘤的形成之間存在密切聯(lián)系。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高WSS 是誘發(fā)顱內(nèi)動脈瘤的重要因素，所以檢測到剪應(yīng)力最大的部分有很高的動脈瘤發(fā)生進展風(fēng)險，該處往往是動脈瘤高危增長點[5]。

4 Willis環(huán)變異影響血流動力學(xué)及對前交通動脈瘤形成的作用

在Willis 環(huán)變異中，前循環(huán)中最常見的變異位置是大腦前動脈Al 段，其發(fā)生率1%～16%，其中又以右側(cè)A1 段發(fā)育不良或缺如最為常見。若單側(cè)A1 段動脈存在纖細或缺如變異，則該側(cè)A1 段之后的血管血流量減少，被該血管供應(yīng)的腦組織血液灌注量減少。為增加其灌注量，健側(cè)頸內(nèi)動脈需供應(yīng)該側(cè)大腦中動脈和雙側(cè)大腦前動脈，進而導(dǎo)致健側(cè)前交通動脈的血流代償性增加，血管內(nèi)血流增加、血液流速和管壁切應(yīng)力增加，血流方式發(fā)生改變，從而改變該側(cè)的血流動力學(xué)。Mackey 等[23]的研究結(jié)果證實，大部分前交通動脈瘤與健側(cè)A1 段存在顯著聯(lián)系，動脈瘤發(fā)生的位置大多位于健側(cè)A1-前交通動脈-同側(cè)A2夾角的內(nèi)側(cè)。當(dāng)一側(cè)A1 段發(fā)生變異時，健側(cè)Al 段的血流會通過前交通動脈供應(yīng)對側(cè)A2 段，從而導(dǎo)致前交通動脈血流量增加，改變了前交通動脈血流動力學(xué)，增加了對血管壁沖擊力，為前交通動脈瘤的發(fā)生提供了重要的條件。2010 年張芳等[24]通過三維數(shù)值模擬前交通動脈復(fù)合體的血流動力學(xué)研究中也證實大腦前動脈A1 段優(yōu)勢側(cè)與同側(cè)前交通動脈瘤的發(fā)生存在密切關(guān)系。劉艷杰等[25]通過回顧性研究分析102 例交通性動脈瘤及同期42 例未見交通性動脈瘤患者的CTA，發(fā)現(xiàn)Willis 環(huán)變異與交通動脈瘤的發(fā)生存在關(guān)聯(lián)，尤其是大腦前動脈Al段和大腦后動脈P1段的變異與動脈瘤的形成的關(guān)系尤為密切。劉健等[26]通過采集169例臨床診斷為自發(fā)性蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的CT血管造影影像數(shù)據(jù)，且患者均確診為動脈瘤，利用后處理工作臺三維血管重建技術(shù)觀察Willis 環(huán)解剖變異及分型，得出前交通動脈瘤的形成與前后循環(huán)血管缺如或發(fā)育不良、Willis變異有關(guān)聯(lián)。

綜上所述前循環(huán)變異最常見的是大腦前動脈Al段發(fā)生變異，又以右側(cè)A1 段發(fā)育不良或缺如最為常見。一側(cè)血管的變異，為保證腦組織供血充足，另外一側(cè)進行代償，從而其血流形式、血流量發(fā)生改變，增加血液對血管壁的沖擊力，也同時改變血管的血流動力學(xué)特點，為動脈瘤的形成提供血流動力學(xué)改變的重要因素。所以在前交通動脈瘤的形成過程中，血管的變異與其存在著密不可分的關(guān)系。

5 Willis環(huán)變異影響血流動力學(xué)對后交通動脈瘤形成的作用

在后循環(huán)中，Willis環(huán)的變異類型，胚胎型大腦后動脈的變異較為常見，且其與后交通動脈瘤的形成之間存在密不可分的關(guān)系。胚胎型大腦后動脈（FTP）：在胚胎發(fā)育階段，大腦后動脈是頸內(nèi)動脈的一個分支，成年后部分人因大腦后動脈Pl段發(fā)育不全大腦后動脈的血流仍主要來自后交通動脈。若發(fā)生該種變異，大腦后動脈既有基底動脈的供血，又有頸內(nèi)動脈及頸內(nèi)動脈和基底動脈共同供血。當(dāng)大腦后動脈的血液不是來自基底動脈時，同側(cè)頸內(nèi)動脈代償供血，頸內(nèi)動脈一后交通動脈起始部血流動力學(xué)發(fā)生改變，血流壓力增高，隨著時間的推移血管內(nèi)壁發(fā)生磨損、損傷和退行性改變，從而增加動脈瘤的發(fā)生率。王樹慶等[27]通過回顧性研究23 例確診為后交通動脈瘤患者的臨床影像資料，發(fā)現(xiàn)胚胎性大腦后動脈增加了后交通動脈瘤的發(fā)生率。金玲等[28]通過對大量研究結(jié)果分析，結(jié)果顯示胚胎型大腦后動脈與后交通動脈瘤的形成存在必然關(guān)系。胚胎型大腦后動脈的變異，改變Willis 環(huán)的血流形式及血管管徑大小，從而使得該變異處血管的血流動力學(xué)改變，對其血管產(chǎn)生作用力。隨著時間的推移，增加該段動脈瘤形成的風(fēng)險。當(dāng)后交通動脈的橫截面積較頸內(nèi)動脈后交通段橫截面積較大時，血流從較小的橫截面流向相對于較大的橫截面的血管時，額外的動能和血流帶來的沖擊力可能造成血管局部的高壁面切應(yīng)力,導(dǎo)致動脈瘤的形成。Thiarawat 等[29]通過回顧性分析185 例動脈瘤患者，其中包括199 個后交通動脈瘤的影像資料得出上述結(jié)果。Can等[30]研究結(jié)果與其相一致。

綜上所述，當(dāng)后交通動脈發(fā)生變異時，如后循環(huán)血管血流通過后交通動脈由前循環(huán)提供、后交通動脈橫截面積大于頸內(nèi)動脈后交通段橫截面積等變異，后交通動脈瘤的形成主要由于該血管血流容量、血流速度及血流形式等因素的改變，從而改變了該血管的血流動力學(xué)，導(dǎo)致動脈瘤的形成。