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        彈簧圈填充密度對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)的影響

        2022-06-29 01:21:40劉莉穆振霞薛曉飛黃素琴呂涵高斌趙鵬飛丁賀宇王振常
        北京生物醫(yī)學(xué)工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        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(fù)面影響[2],常導(dǎo)致失眠焦慮、抑郁,甚至導(dǎo)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(jī)制一般認(rèn)為有兩種:一種是由上述疾病導(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(jìn)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(rèn)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(guān)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(guān)系。Babiker等[12]采用有限元方法和計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics ,CFD)方法相結(jié)合模擬彈簧圈栓塞動脈瘤囊,再現(xiàn)了復(fù)雜的血管內(nèi)治療策略,為臨床治療后血流動力學(xué)的變化進(jìn)行了預(yù)測。Morales等[9]認(rèn)為彈簧圈填充密度和彈簧圈結(jié)構(gòu)對動脈瘤內(nèi)血流動力學(xué)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(xué)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(jié)合,研究彈簧圈的填充密度對乙狀竇憩室內(nèi)血流動力學(xué)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(dǎo)。

        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(jī)構(gòu)審查委員會的批準(zhǔn),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(xué)圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入醫(yī)學(xué)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(dǎo)出保存。使用Freeform軟件對重建的3D幾何模型進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行有限元分析,得到適應(yīng)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(yīng)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(shè)為0.1 mm,梁單元的截面直徑設(shè)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)管中,然后彈簧圈從微導(dǎo)管釋放到憩室,彈簧圈存在預(yù)應(yīng)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(jìn)行布爾運(yùn)算用于后續(xù)的CFD仿真計算。

        1.4 血流動力學(xué)的研究

        利用Fluent 2020軟件對模型進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分,為了精確地捕捉到彈簧圈表面結(jié)構(gòu),網(wǎng)格尺寸最大設(shè)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(shè)為1.2。為了確定網(wǎng)格尺寸的大小,檢驗了計算結(jié)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(guān)性的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)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(shè)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(shè)為0 Pa,為了消除初始血流條件對計算結(jié)果的影響,計算3個心動周期的結(jié)果。提取第3個心動周期的結(jié)果進(jìn)行血流動力學(xué)分析,收斂精度設(shè)為10-6s。

        圖2 邊界條件Figure 2 Boundary conditions

        1.7 血流動力學(xué)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(xué)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(jié)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(qiáng)烈,所以選擇T1時刻來評估血流動力學(xué)的變化。

        結(jié)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(dǎo)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(dāng)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(jié)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(jié)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(dāng)填充密度達(dá)到12%時,憩室內(nèi)沒有流線進(jìn)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(dǎo)致血栓[18],因此選擇5 mm/s作為提取低流速區(qū)域的指標(biāo)。結(jié)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(jié)果如圖8(e)所示。

        圖8 血流速度Figure 8 Blood flow velocity

        3 討論

        本文結(jié)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(dāng)填充密度為18%時憩室壁面壓力的高壓區(qū)完全消失。當(dāng)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(xué)機(jī)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(xué)環(huán)境。彈簧圈的填充密度與血流動力學(xué)環(huán)境的改善并不是線性相關(guān)的,當(dāng)填充密度增大到一定程度后,血流動力學(xué)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(biāo)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(fēng)險[12]。彈簧圈治療后的血流動力學(xué)在高填充密度下更趨向于穩(wěn)定[14]。而本研究結(jié)果表明,當(dāng)填充密度小于18%時,結(jié)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(dāng)填充密度達(dá)到18%時繼續(xù)增大填充密度,血流動力學(xué)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(dá)到一定數(shù)值時,血流動力學(xué)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(guān),而且與異常的血流模式相關(guān)[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(jié)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(dá)到18%時憩室內(nèi)沒有流線進(jìn)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(rèn)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(jié)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(kuò)增,這可能是有利于血栓形成的血流動力學(xué)環(huán)境。在動脈瘤彈簧圈治療中,血流速度下降的結(jié)果是促進(jìn)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(dá)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(yīng)該擴(kuò)大樣本量。其次缺乏患者特定的血流信息,使用文獻(xiàn)的搏動性耳鳴患者信息進(jìn)行的仿真模擬,邊界條件的選擇會影響結(jié)果,但不影響憩室內(nèi)血流動力學(xué)的橫向比較。最后,在未來的研究中應(yīng)該涉及聲學(xué)實驗,直觀地反映血流動力學(xué)與搏動性耳鳴之間的聯(lián)系。

        4 結(jié)論

        在低填充密度下,血流動力學(xué)的改善與填充密度的增大并不是線性的。當(dāng)彈簧圈填充密度達(dá)到一定數(shù)值時,繼續(xù)增加填充密度,血流動力學(xué)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(xué)環(huán)境。

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