子囊型后交通动脉动脉瘤血流动力学和形态学的计算机数值模拟分析

子囊型后交通动脉动脉瘤血流动力学和形态学的计算机数值模
拟分析
袁金龙;方兴根;李真保;赵心同;吴德刚;赖年升;刘佳强;徐善水
【摘要】目的应用计算机数值模拟技术探讨子囊型破裂与未破裂后交通动脉动脉瘤(PCoA-AN)的血流动力学和差异. 方法回顾性收集2015年1月至12月在皖南医学院附属弋矶山医院神经外科通过全脑DSA诊断为子囊型PCoA-AN 31个,其
中破裂动脉瘤20个,未破裂动脉瘤11个.重组三维DSA动脉瘤模型,并应用计算流体力学方法分析PCoA-AN的血流动力学特征,并应用Matlab软件计算形态学的
相关参数. 结果破裂组动脉瘤平均壁面切应力(WSS)明显低于未破裂组
[(11.8±1.3)Pa比(13.8±1.0) Pa,P=0.02].破裂组低WSS面积比值(LSA)明显高于
未破裂组[中位数为9.0(8.2,10.2)比3.1(2.3,3.2),P＜0.01].两组间的剪切振荡指数、归一化WSS、纵横比、大小比、椭圆形指数、波动指数及非球面指数差异均无统
计学意义(均P＞ 0.05). 结论低WSS和高LSA可能是导致子囊型PCoA-AN破裂的原因.
【期刊名称】《中国脑血管病杂志》
【年(卷),期】2016(013)006
【总页数】5页(P313-317)
【关键词】颅内动脉瘤;血流动力学;形态学;后交通动脉动脉瘤;子囊型
【作者】袁金龙;方兴根;李真保;赵心同;吴德刚;赖年升;刘佳强;徐善水
【作者单位】241001安徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医
学院附属弋矶山医院神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院
神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院神经外科;241001安
徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医学
院附属弋矶山医院神经外科;241001安徽省芜湖市,皖南医学院附属弋矶山医院神
经外科
【正文语种】中文
子囊型颅内动脉瘤被认为是原动脉瘤壁的局部突出。

多项临床研究显示，子囊出现表明动脉瘤具有很高的破裂风险[1-4]。

Crompton[1]进行了一项病理学研究发现，颅内破裂动脉瘤子囊型占57%，而未破裂动脉瘤子囊型只有16%。

Du Boulay[2]也发现，1/3颅内破裂动脉瘤带有一个或多个子囊。

多项前瞻性研究表明，动脉瘤的子囊与破裂风险之间呈正相关[3-4]。

血流动力学和形态学在颅内动脉瘤的发生、发展、破裂或转归中发挥重要作用。

但目前关于动脉瘤破裂相关的血流动力学研究多基于对已破裂动脉瘤的分析，忽略了破裂事件对动脉瘤形态学变化并导致血流动力学改变，这是当前动脉瘤血流动力学研究的难题[5]。

子囊型动脉瘤具有高破裂
风险，是研究高风险动脉瘤的良好模型。

Zhang等[6]通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法，分析子囊型颅内动脉瘤的血流动
力学特点，该研究是针对多个部位的综合特点。

然而，不同部位的颅内动脉瘤可能存在载瘤动脉形态不同，从而对血流动力学的结果产生影响。

本研究运用CFD的
方法，对子囊型破裂与未破裂后交通动脉动脉瘤(posterior communicating artery aneurysm，PCoA-AN)的血流动力学和形态学进行分析，旨在解释子囊型PCoA-AN的血流动力学和形态学的特点。

回顾性连续纳入2015年1月至12月，于皖南医学院附属弋矶山医院神经外科经全脑DSA明确为子囊型PCoA-AN患者32例，剔除影像学资料不能满足CFD分析要求1例，最终纳入31例子囊型PCoA-AN患者，其中破裂动脉瘤20个,未破裂动脉瘤11个。

患者年龄为45～68岁,平均(52±6)岁；男11例，女20例。

破裂组中男7例，女13例,平均年龄为(54±7)岁；未破裂组中男4例，女7例，平均年龄为(52±40)岁。

两组性别、年龄差异无统计学意义(P>0.05)。

1.2 入组与排除标准
未破裂组患者纳入标准：(1)无明确蛛网膜下腔出血病史；(2)无突发剧烈头痛、神经麻痹或其他缺血性脑血管病病史；(3)DSA或CT血管成像(CTA)确诊为子囊型PCoA-AN；(4)有完整三维DSA资料；(5)载瘤动脉无明显狭窄。

破裂组患者纳入标准：(1)头部CT或腰椎穿刺检查证实有蛛网膜下腔出血；(2)DSA或CTA诊断为破裂子囊型PCoA-AN；(3)DSA未见明显载瘤动脉狭窄及其远近端无明显动脉痉挛；(4)有完整的三维DSA资料。

排除标准：(1)患者及其家属不同意入组研究；(2)妊娠、儿童、身体状况不佳不适合治疗；(3)影像学资料质量不高，无法进行血流动力学分析；(4)载瘤动脉明显痉挛。

1.3 影像学资料
31例患者的子囊型三维DSA影像由Siemens Artis zee Floor平板数字减影血管造影机采集。

15 ml对比剂(碘海醇 300 mg I/L，扬子江药业)注射后1s开始360°旋转采集影像，共采集到540帧影像，使用syngo X Workplace工作站
(VB15,Siemens，德国)重组三维模型。

经颅多普勒超声(TCD,美国CareFusion Neurocare，2 MHz)采集1名健康成人颈内动脉的血流速度波形，并运用Matlab14.0软件计算出整个心动周期的血流速度波形曲线，作为回顾性研究的入
1.4 动脉瘤模型的建立
由工作站导出的STL文件在GEOMAGIC STUDIO 2013(Geomagic，美国)中进
行裁剪与平滑处理后，导入ICEM CFD 14.0(ANSYS,美国)进行网格的划分。

应用ANSYS CFX 14.0(ANSYS，美国)软件对血管出入口边界条件、血液流体性质及模拟步数进行设定。

血管壁边界条件设定为刚性壁；血液流动设为不可压缩、层流状态的牛顿液体，血液密度ρ和黏度系数μ分别设定为1 050 kg/m3和0.003 45 Pa/s；血管入口血流条件设定为TCD获得的健康成人搏动性流速；出口条件统一设定为无应力条件，静态压力为0。

用Navier-Stokes方程控制整个模拟过程方程。

每个心动周期为0.8 s，划分为800步，每步为 0.001 s。

为获得较稳定的数据，共模拟2个心动周期，取最后1个周期作为输出结果。

1.5 血流动力学参数计算
本研究计算以下血流动力学参数：壁面切应力(wall shear stress，WSS)、低WSS面积比值(low stress area ratio,LSA)、归一化WSS、剪切震荡指数(oscillatory shear index,OSI)。

取按方程进行时间平均化后的整个动脉瘤囊的平
均WSS。

为了对不同患者进行比较，还需将WSS比其载瘤动脉的平均WSS进行归一化。

LSA是指低于10%载瘤动脉平均WSS瘤体的面积，为占整个动脉瘤壁
面积的百分比值。

OSI衡量心动周期中WSS的方向变化，指整个心动周期动脉瘤瘤壁的平均OSI。

方程一
方程二
方程中WSSi是WSS的瞬时矢量，T代表一个心动周期的时间，dt代表时间积分。

1.6 形态学参数的测量
本研究包含了由Dhar等[7]定义的6个形态学指标。

除临床上所用的二维形态学
指标，如大小、纵横比(aspect ratio,AR)、大小比(size ratio,SR)，还测量了三维
的形态学指标，如椭圆形指数(ellipticity index,EI)、波动指数(undulation index,UI)、非球面指数(nonsphericity index,NSI)。

这些指标均反映动脉瘤的椭
圆率、拉伸程度以及表面光滑程度。

将动脉瘤囊突出于载瘤血管的平面定义为瘤颈平面，然后将动脉瘤模型分割成入口平面、出口平面和瘤颈平面，并将其导入到Matlab14.0进行形态学参数的计算。

1．7 统计学分析
采用SPSS 18.0软件包计算所有血流动力学参数，符合正态分布的计量资料以±s
表示，采用两独立样本t检验。

偏态分布的资料以中位数及四分位数[M(P25 ,P75)]表示，组间差异比较采用秩和检验。

P<0.05为差异有统计学意义。

2.1 形态学分析
未破裂组子囊型PCoA-AN的大小、AR、SR、EI、UI、NSI均大于破裂组，但差
异均无统计学意义(均P>0.05)。

见表1。

2.2 血流动力学分析
共重组出11个未破裂和20个破裂的子囊型PCoA-AN模型。

破裂组动脉瘤WSS 的分布更为不规则。

与未破裂动脉瘤相比，破裂动脉瘤拥有较低的WSS和较高的低WSS面积。

见表2。

破裂组动脉瘤WSS明显低于载瘤动脉，尤其在子囊处差
异更为明显，而未破裂组的区别并不明显。

见图1。

破裂组动脉瘤平均WSS明显低于未破裂组(P=0.02)。

破裂组LSA与未破裂组比较，差异有统计学意义(P<0.01)。

见表2。

子囊型PCoA-AN的OSI频谱分布，OSI增高的区域与WSS方向变化迅速的区域相符合，见图2。

但两组间OSI差异无统计学意义(P=0.48)。

见表2。

颅内动脉瘤形态学和血流动力学的改变反映了动脉瘤的生长、发展和破裂过程[8-10]。

现在大多数关于动脉瘤形态学和血流动力学的研究是基于破裂和未破裂动脉
瘤的对比，忽略了破裂事件对形态学和血流动力学的影响[5]。

这可能降低结果的可靠性，同样也会限制血流动力学参数在临床上的使用。

因此，分析高风险破裂状态的未破裂动脉瘤可能提供更准确及可靠的数据。

目前，关于高风险破裂状态颅内动脉瘤的血流动力学研究都是病例报道或是少量有影像学资料破裂前状态的病例。

Duan等[11]通过6例高风险破裂状态PCoA-AN 的配对研究和Liu等[12]3例高风险巨大动脉瘤的配对研究均发现，WSS可能是更可靠的区别破裂与未破裂的血流动力学参数。

但上述报道都是描述性研究且样本数过少。

很多临床研究和病理学研究都表明，子囊型动脉瘤具有很高的破裂风险。

颅内动脉瘤的血流动力学特点与形态学具有相关性。

Tremmel等[13]证实，随着SR的增加，动脉瘤壁的低WSS面积也增加。

Long等[14]同样也证实，随着AR 值增加，动脉瘤低WSS面积也增加。

本研究显示，子囊型未破裂PCoA-AN的形态学参数均大于破裂的子囊型PCoA-AN，但差异均无统计学意义；相对于破裂子囊型PCoA-AN，未破裂子囊型PCoA-AN的形态更不规则，破裂子囊型PCoA-AN具有更低的WSS。

这表明低WSS可能是引起动脉瘤破裂的原因。

虽然血流动力学与动脉瘤破裂的关系已经得到了广泛的证实，但结果仍有争议。

Fan等[15]运用分叉处镜像动脉瘤模型，通过分析不同状态下(破裂和未破裂)血流动力学特点，得出较低WSS与颅内动脉瘤的破裂有关。

然而，Cebral等[16]的研究却发现，高而集中的WSS与动脉瘤破裂有关。

以往研究的不同结果可能是由不同位置动脉瘤有不同解剖形态以及自然病史所造成。

本研究的模型仅有PCoA-AN 而未综合所有位置的动脉瘤。

单一位置动脉瘤的研究有可能提供更合理、更准确的结果。

关于未破裂动脉瘤自然病史的研究显示，PCoA-AN是最常见的动脉瘤，也最容易发生破裂，故只关注PCoA-AN使本研究具有更好的同质性。

本研究存在以下局限，首先，尽管本研究采用了特异性PCoA-AN模型，但并未采用特异性的边界条件，这可能会使计算结果存在偏差；其次，由于未破裂动脉瘤
的影像资料较难获得，尤其是子囊型未破裂动脉瘤，故样本数较少。

因此，仍需要大样本研究对结果进行验正。

【相关文献】
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