李國劍 李留江 于振坤 張洪明 楊 鏞

1昆明醫(yī)科大學第四附屬醫(yī)院（云南大學附屬醫(yī)院）血管外科，云南 昆明 650000

2昆明市延安醫(yī)院心外科，云南 昆明 650000

3昆明理工大學建筑工程學院工程力學系，云南 昆明 650000

腹主動脈瘤（abdominal aortic aneurysm，AAA）是指腹主動脈在多種因素作用下直徑擴張超過正常大小的50%。AAA為慢性擴張性疾病，隨著人口老齡化加劇及檢查手段的進步，AAA的發(fā)病率在3.0%～12.5%[1]，呈逐年上升趨勢。AAA一旦發(fā)生破裂，其病死率高達90%[2]。AAA發(fā)生機制至今未明，與遺傳、感染、炎性反應、高血壓、蛋白酶失衡、生活習慣、飲食習慣等相關。動脈血管作為承載血流流動的彈性容器，動脈內皮細胞是隔絕血流與血管的第一道屏障，血流流場、流速、壁面壓力、壁面切應力（wall shear stress，WSS）等血流動力學參數(shù)的異常改變，均可引起內皮細胞功能紊亂、管壁炎性反應、血細胞的異常活動及血管重構等病理變化[3-4]。無論是直徑較大的腹主動脈，還是直徑較小的顱內動脈，動脈瘤內的血流動力學都被證實發(fā)生了異于正常血管的改變[5-6]。1987年，Perktold等[7]通過計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）對AAA進行血流動力學數(shù)值模擬，隨著檢查手段、計算機處理能力和流體力學快速發(fā)展，AAA流體力學數(shù)值模型越來越個體化。本研究通過重建AAA的三維數(shù)值模型，分析AAA的腔內修復術（endovascular aneurysm repair，EVAR）術前、術后的血流動力學改變情況。通過探討血流動力學參數(shù)異常改變后對AAA的影響，為進一步研究血流動力作用于AAA的信號通路和在力學敏感區(qū)進行AAA的防治奠定基礎，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

收集昆明醫(yī)科大學第四附屬醫(yī)院（云南大學附屬醫(yī)院）2019年6—9月體檢的10例健康者的腹主動脈計算機體層血管成像（computed tomography angiography，CTA）數(shù)據(jù)；其中，男性6例，女性4例；年齡50～70歲。同時收集10例AAA患者EVAR術前、術后的CTA 數(shù)據(jù)；其中，男性7例，女性3例；年齡52～74歲。

1.2 主動脈三維模型重建

1.2.1 CTA檢查方法

使用Aquilion ONE 320排計算機斷層掃描（computed tomography，CT）技術對患者進行術前、術后腹主動脈增強造影檢查，將影像數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存，導入Mimics Research 21.0中備用。

1.2.2 三維模型構建

在Mimics Research 21.0中，調整并標記CTA圖像大小、標記方位。定位病變部位，調整合適的灰度值，通過閾值分割、區(qū)域增長后進行蒙面計算，去除骨骼、肌肉等冗余組織，得到AAA的初步三維數(shù)值模型。將得到的三維模型以SLT格式輸出，導入3-matic Research 13.0中，確定模型邊界，對模型進行血管表面光滑處理。再將上述模型導入ICEM CFD中檢查血管壁面，使用混合網(wǎng)格技術，將模型劃分為包括5 648 834個單元、1 743 402個節(jié)點的四面體網(wǎng)格，截取部分圖像，如圖1所示。

1.3 統(tǒng)計學方法

1.3.1 數(shù)值計算前處理

定義血管中的流體為各向同性、不可壓縮、牛頓行為、黏性脈動的層流流體，設定血液密度ρ＝（1.05×103）kg/m3，血液黏度μ＝（3.5×10-3）Pa?s[8]；血管壁的材料屬性為剛性無滑移、各向同性的超彈性材料，密度ρ＝（2×103）kg/m3，彈性模量E＝（2.7×106）Pa，泊松比υ＝0.45[9]。血液在血管中流動的動力和質量守恒性控制方程滿足 Navier-Stoke 控制方程及連續(xù)方程[10]。公式中以空間中S面為界的有限體積τ，外法線方向為法線的正方向，μn是外法線方向的速度矢量，t為時間，ρ為血流密度，μ為運動黏性系數(shù)，PF為單位體積上的質量力，divP為單位體積上應力張量的散度。

Navier-Stoke 控制方程：

連續(xù)方程：

入口邊界條件設定為速度入口，圖2顯示10個心動周期內速度的平均值隨時間變化的血流速度曲線，出口邊界條件設置為壓力出口，流固耦合面設定為無滑移界面。心動周期T＝0.800 s，計算10個心動周期，取最大加速度點（T＝7.280 s，V＝0.657 m/s），最大速度點（T＝7.368 s，V＝1.484 m/s），最小加速度（最大減速度）點（T＝7.440 s，V＝0.856 m/s），最小速度點（T＝7.568 s，V＝0.145 m/s）及心臟舒張期速度較為勻速點（T＝7.840 s，V＝0.241 m/s）5個點為關鍵時間點。

1.3.2 數(shù)值求解

使用FLUENT模塊進行流固耦合計算，在曙光高性能計算機中導入前期處理好的流體域與固體域，通過流固耦合計算方法進行流體動力分析，時間步長取0.008 s，計算10個心動周期，每個時間步長內最大迭代次數(shù)為200。求解結構方程以得到結構的位移，然后根據(jù)結構的位移進行流體計算網(wǎng)格的更新，再求解流體方程，得到流體對結構的壓力及切應力，檢查收斂情況，并且在每個時間步內循環(huán)以上過程，直至收斂；用TECPLOT流體動力后處理軟件進行計算結果后處理，得到靜態(tài)和動態(tài)的全場流速、壓力、切應力等物理量。

2 結果

2.1 血流流線分布情況

圖3分別為健康體檢者、AAA患者術前和術后心動周期中不同時刻AAA內的血流流線分布。健康體檢者腹主動脈中，流線分布規(guī)律，排列整齊，呈層流流動。AAA患者術前流線在空間上表現(xiàn)瘤體近端呈現(xiàn)較為規(guī)律的層流流動，排列整齊、流線平直，即使在彎曲程度較大的正常腹主動脈段，流線未見明顯紊亂，仍以層流為主。進入瘤腔后，流線在腔內以湍流、渦流為主，紊亂的流線主要分布于瘤腔后下部位。而且在心臟舒張期勻速點（T＝7.840 s）渦流最明顯，與腹主動脈主干成角較大的一側髂動脈瘤腔內，流線也明顯紊亂。遠端瘤體出口處流線排列整齊。EVAR術后流線排列整齊，分布規(guī)律。

2.2 血流流速分布情況

圖3同時顯示，為健康體檢者、AAA患者術前與術后心動周期中不同時刻AAA內的血流流速分布。在健康體檢者的腹主動脈中，管徑相同的節(jié)段流速基本一致，管徑較小的節(jié)段流速大于管徑較大的節(jié)段?？臻g上，瘤頸處的流速大于瘤腔內流速，術前、術后動脈狹窄段的流速明顯大于非狹窄段。術前，血流以較快的速度沖擊與入口血管呈直線分布的區(qū)域，受高速血流沖擊的區(qū)域位于瘤體左側壁，以及左右髂動脈分叉處與腹主動脈成角較大的一側的流速高于成角較小的一側；完整心動周期中，術后管腔內的流速變化與管腔直徑呈明顯的負性相關，即直徑小的區(qū)域流速大于直徑大的區(qū)域。時間上，同一截面入口處、瘤頸處血流速度隨心動周期呈現(xiàn)遞增遞減趨勢，且瘤頸處的增減幅度較入口處的大；術前瘤腔內流速在最大加速度點（T＝7.280 s）時最大，之后的三個時間點（T＝7.368 s、7.440 s、7.568 s）流速降低，變化幅度平穩(wěn)，至心臟舒張期勻速點（T＝7.840 s）流速再次達到最大；出口截面的血流速度呈遞增遞減趨勢，增減幅度同入口截面。

2.3 血管壁面壓力分布情況

圖4為健康體檢者、AAA患者術前與術后心動周期中不同時刻AAA內的血管壁面壓力分布。健康體檢者腹主動脈內，同一橫截面上壓力值相同，壓力變化明顯的區(qū)域主要集中于主髂動脈分叉部位?？臻g上，AAA患者術前在心動周期的任意一個時刻，入口處的壓力總體高于遠端出口處的壓力；術后腹主動脈壓力由近心端向遠心端逐漸降低；瘤腔后下半部位的壓力值高于腔內前上部位的壓力。時間分布上，入口截面上的壓力隨時間改變呈遞增遞減的正方向單峰改變，在瘤腔內，高壓力由瘤腔的近心端向遠心端逐漸傳遞，在心臟舒張期勻速點（T＝7.840 s）時，壁面壓力達到最高值；瘤頸處的壓力在一個心動周期內呈遞減趨勢。

2.4 血管WSS分布情況

圖5為健康體檢者、AAA患者術前與術后一個心動周期中不同時刻AAA的WSS的分布情況。健康體檢者腹主動脈內，WSS在同一橫截面上沒有明顯變化，與主動脈長軸成角較大的一側增高?？臻g上，AAA患者術前、術后高WSS集中分布于腹主動脈與髂動脈分叉處，尤其是與腹主動脈成角較大的一側；瘤頸處的WSS在一個心動周期內逐漸增加；而瘤體出口處始終保持較高的WSS。瘤腔中，高WSS主要集中于瘤腔后下部位；術后高WSS主要集中在動脈狹窄的節(jié)段。時間上，瘤頸處WSS在一個心動周期內逐漸增加；瘤腔內，在最大加速度點（T＝7.280 s）WSS開始升高，之后三個時間點上WSS變化平穩(wěn)，至心臟舒張期勻速點（T＝7.840 s）達到最高，且高WSS都集中在瘤腔的后下部分；在主動脈與髂動脈分叉等特殊部位，切應力沒有出現(xiàn)隨心動周期時刻變化而變化的趨勢，較其他部位均保持在較高水平。

3 討論

正常血管中，血液的流動以層流為主。當雷諾數(shù)（ReynoIds number，Re）＜2300時，血流為層流；Re＞2500時，血流為湍流[11-12]。計算得到術前AAA近端和出口遠端的Re均小于2300，與AAA數(shù)值模型中該區(qū)域流線整齊分布的特點相符；計算術前AAA瘤腔直徑較大區(qū)域的Re＞2500，與AAA數(shù)值模型中該區(qū)域流線紊亂分布的特點相符。術前瘤體直徑由近端向遠端呈現(xiàn)由小到大再減小的趨勢，血流在脈動式的流動下可產(chǎn)生峰速度，在管徑增大的區(qū)域，峰速度遭遇突然衰減，易引起過渡流導致血流紊亂[13]。EVAR后，管徑大小不一的狀況得以改善，峰速度的衰減也呈現(xiàn)均勻變化，故血流以層流為主。峰速度在瘤腔內的衰減與管徑擴大后橫截面上血流流速發(fā)生了相關損失[14]，本研究結果顯示，EVAR術后管徑得以恢復，血流流速未出現(xiàn)明顯減低、血流以層流為主可證明這一推論。峰速度在橫截面的損失量可引起該區(qū)域動脈管壁的損傷，引起血細胞、脂類物質等在該區(qū)域沉積，這也是AAA發(fā)生附壁血栓、粥樣斑塊的重要原因，而沉積物的不斷積累可引起動脈內膜營養(yǎng)障礙，進一步損傷動脈管壁。在心動周期最大加速度點（T＝7.280 s），AAA瘤頸、瘤腔后下部位、腹主動脈分叉處的流速較其他部位明顯增大，這提示積極控制心率、穩(wěn)定血壓可降低AAA中這些特殊區(qū)域發(fā)生破裂的可能。

壁面壓力的變化趨勢為由近心端向遠心端逐漸下降，射血期大于充盈期，瘤頸、瘤腔后下部位、主髂動脈分叉處等特殊點壓力在一個完整心動周期中壁面壓力的變化較其他部位明顯。這些部位是流場紊亂發(fā)生的主要部位，血流在此部位發(fā)生的渦流、二次流等不良流動，引起壁面壓力的二次沖擊，同時加劇了血流成分的沉積。血小板在瘤頸、主髂動脈分叉處和EVAR后的狹窄部位受到切應力相關的異常血流動力學刺激而過多聚集[15]，這可能是術后移植物內血栓形成、再狹窄的潛在機制。這些部位異常的血流動力學改變是AAA進展的重要原因之一。 Gomes等[16]對梭形AAA和囊狀AAA研究發(fā)現(xiàn)，AAA發(fā)生破裂與AAA的形狀和管壁厚薄不均相關，當高壓集中在管壁較薄和形狀特殊的部位，易使AAA發(fā)生破裂，而本研究未將瘤體形狀與管壁厚度納入考慮。

血管內皮作為隔絕管腔中血液與管壁的第一道屏障，受壁面壓力、WSS影響。但WSS對血管內皮細胞的分泌功能及結構損傷較為明顯，過低或過高的WSS是AAA進展、破裂的高危因素[17]。本研究發(fā)現(xiàn)術前AAA瘤頸、主髂動脈分叉處、與主動脈長軸成角較大的區(qū)域是血流紊亂和高WSS的集中區(qū)域，AAA術后于腹主動脈成角較大一側的髂動脈和狹窄節(jié)段觀察到了高WSS。Algabri等[18]研究發(fā)現(xiàn)，瘤頸與主動脈長軸成角＞60°可導致明顯的血流紊亂和再循環(huán)區(qū)域形成，在動脈瘤內形成復雜的循環(huán)和撞擊，弱化動脈壁，高WSS的患者發(fā)生AAA破裂的可能性是低WSS患者的5倍。Perktold[7]發(fā)現(xiàn)WSS的峰值隨腹主動脈與雙側髂動脈分叉角的增大而增大，同時內皮細胞的活化電位隨主動脈與雙側髂動脈分叉角的增大而減小。

瘤腔后下部位、主髂動脈分叉處和與腹主動脈成角較大的一側髂支，是血流紊亂、高流速、高壁面壓力與高WSS的重疊區(qū)域，這都說明了這些位置的局部血流動力學參數(shù)異常是AAA發(fā)生、發(fā)展的重要原因，與Rowson等[19]的研究結論相符。盡管在瘤頸處未出現(xiàn)明顯的流場紊亂，但此區(qū)域的流速、壁面壓力和WSS均增高，表明瘤頸處也是AAA進展的重要因素之一。盡管有研究證實附壁血栓的存在能夠降低AAA破裂的風險[20]，但Vorp等[21]報道附壁血栓可抑制血管平滑肌細胞合成膠原，促進巨噬細胞和炎性細胞的聚集，導致主動脈壁缺氧加重。由于本研究的材料屬性及邊界條件設定，與真實動脈管壁屬性存在一定差異，因此瘤腔后下部位、主髂動脈分叉處和與腹主動脈成角較大的一側髂支的流場紊亂、高壁面壓力和高WSS與附壁血栓、粥樣斑塊沉積增加AAA破裂風險的關系仍需進一步證實。通過EVAR改善了血管的彎曲程度、減小成角與隔絕一定的血流沖擊后，這些特殊部位的血流動力學參數(shù)未出現(xiàn)明顯的改變，表明關注特殊部位的血流動力學局部環(huán)境可防治AAA，減緩AAA的進展。

盡管基于AAA數(shù)值模型研究AAA血流動力學改變具有一定的個性化優(yōu)勢，但分析血流動力學參數(shù)的變化是在假設血管壁為剛性壁無滑移的前提下進行的，真實的血管條件是彈性且可以移動的。Ene等[22]報道在設定剛性壁的前提下，計算流體力學高估了40%～65%的速度量級和30%～50%的WSS。由于邊界層效應的存在，流體力學計算中使用靜態(tài)法觀察動脈瘤腔遠端WSS較真實值是升高的，近端WSS較真實值是降低的，使用脈動法忽略了管壁的形變，極大程度高估了WSS和血流速度，同時還過度評估了易發(fā)生鈣化和血栓形成的區(qū)域。Rosamaria等[15]證實在可移動壁設定下，時間與空間上獲得的動脈瘤側壁上的速度分量和WSS值較剛性壁是減少的。穩(wěn)態(tài)流可低估心動周期中減速射血階段出現(xiàn)的再循環(huán)和反向血流帶來的影響[23]，本研究是在瞬態(tài)流設定下研究血管內血流體動力學參數(shù)的變化，與穩(wěn)態(tài)流設定相比具有一定的優(yōu)勢。

本研究通過對健康體檢者和AAA患者術前、EVAR術后三維模型中心動周期不同時刻血流流線、流速、壁面壓力和WSS的分布情況進行分析，發(fā)現(xiàn)在瘤頸、瘤腔后下部位、主髂動脈分叉處、與腹主動脈長軸成角大的一側髂支，是流場紊亂、流速改變、WSS升高的重點區(qū)域，關注這些特殊位置的血流動力學改變，有利于AAA的防治，優(yōu)化EVAR治療方案。下一步可重建小直徑AAA的三維數(shù)值模型，并對比觀察在上述特殊位置的血流動力學改變，進一步驗證血流動力學在特殊位置異常對AAA進展的影響。