曹俊杰， 姚志超， 霍桂軍， 劉占鰲， 湯 堯， 黃 劍， 周大勇， 沈利明

腦卒中是全球范圍內(nèi)的第二位死亡原因，也是我國居民致殘和致死的首要病因， 其中缺血性卒中約占腦卒中發(fā)病率的70%， 頸動脈狹窄則占缺血性卒中病因的15%～20%［1-4］。 目前，治療頸動脈狹窄常用的手術(shù)方式為頸動脈支架植入術(shù)（carotid artery stenting，CAS） 和頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)（carotid endarterectomy，CEA），CEA 已被認為是治療頸動脈狹窄的金標準［5-6］。

串聯(lián)型頸動脈狹窄（tandem carotid artery stenosis，TCAS）是指在頸動脈不同水平的同時狹窄，發(fā)生率為2.1%～5.0%［7-8］。雖然發(fā)生率相對較低，但形態(tài)學(xué)表現(xiàn)復(fù)雜，且多伴隨復(fù)雜的血流動力學(xué)狀態(tài)，既往治療頸動脈狹窄適用的單純CEA 或CAS 術(shù)往往無法達到令人滿意的改善腦灌注、 減少腦卒中的作用［9-10］。 因此，如何有效處理TCAS 的兩處不同狹窄，是臨床治療面臨的難題與挑戰(zhàn)。

近年來， 基于影像學(xué)技術(shù)與計算流體力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）的不斷發(fā)展，CFD技術(shù)在血管病變模擬及手術(shù)療效評價方面取得了諸多進展，已廣泛應(yīng)用于門靜脈系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及主動脈系統(tǒng)［11］，但尚缺乏關(guān)于TCAS 的CFD 模擬研究。 本研究招募了1 例頸內(nèi)動脈和頸總動脈串聯(lián)狹窄的患者，通過CTA 數(shù)據(jù)重建了三維頸動脈分叉模型并進行血流動力學(xué)模擬，探討其發(fā)生發(fā)展過程及不同手術(shù)方式對血流動力學(xué)的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

選取1 例2022 年就診于南京醫(yī)科大學(xué)姑蘇學(xué)院/蘇州市立醫(yī)院（本部）且頸動脈CTA 確認存在頸總動脈（common carotid artery，CCA）和頸內(nèi)動脈（internal carotid artery，ICA）串聯(lián)狹窄患者。男，76 歲，頭暈、乏力1 月余，有吸煙史，無外傷史、手術(shù)史，無高血壓、糖尿病、冠心病、腦卒中等慢性病史。 本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準，并簽署知情同意書。

1.2 模型構(gòu)建

將DICOM 格式CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS 軟件（MATERIALISE 公司，比利時）中，使用閾值分割、區(qū)域增長、 冗余刪除等方法重建頸動脈分叉處模型，輸出STL 格式文件后導(dǎo)入3-MATIC（MATERIALISE公司，比利時）進行表面光滑、模型切割等再處理，再以各血管中心線為基準裁剪，得到垂直于中心線的出入口平面［12］。

患者特異性頸動脈分叉的重建幾何結(jié)構(gòu)見圖1。在CCA 近分叉處存在一個狹窄， 在ICA 存在2 個狹窄并被一個小突起分開。 由于ICA 的2 個狹窄彼此接近，本研究將其合并視為1 個狹窄，建立真實模型即模型1。 狹窄程度使用北美癥狀性頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)中的方法進行計算。 建立真實模型后，通過去除CCA 狹窄建立模型2， 去除ICA 狹窄建立模型3，兩處狹窄均去除建立模型4，這3 個假定模型用以模擬不同的手術(shù)處理方式。 模型4 也可認為是健康者模型。

圖1 頸動脈模型構(gòu)建

1.3 CFD 計算

網(wǎng)格劃分： 使用3-MATIC 中Remesh 功能畫出體表網(wǎng)格并進行質(zhì)量修整， 將保存的STL 文件導(dǎo)入FLUENT 軟件（ANSYS 公司，美國）中進行網(wǎng)格劃分，為保證計算精度，邊界層采用6 層加密，增長率1.2，網(wǎng)格類型為Poly-Hexcore 網(wǎng)格并進行獨立驗證，滿足精度要求，得出面網(wǎng)格、體網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格，見圖2。4 個模型生成網(wǎng)格數(shù)均為20～30 萬。

圖2 網(wǎng)格化

參數(shù)設(shè)置：根據(jù)相關(guān)文獻，血液被設(shè)定為絕熱、均勻、不可壓縮的牛頓力學(xué)流體，密度設(shè)定為1 060 kg/m3、粘度系數(shù)設(shè)定為0.003 5 Pa·s［13］。 由于血管內(nèi)壓力較小，計算雷諾數(shù)均RE＜2 300，故流動方式定義為層流［14］。

邊界條件：為了真實反映頸動脈內(nèi)血流情況，采用生理脈動流動條件， 將速度入口和壓力出口作為邊界條件。CCA 入口處速度曲線及ICA、頸外動脈（external carotid artery，ECA）出口處壓力曲線［15-17］見圖3。 血管壁為不可壓縮的剛性壁，不考慮重力加速度的影響。

圖3 出入口條件

計算設(shè)置： 使用FLUENT 求解， 壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法， 計算收斂條件殘差標準設(shè)置為10-4。迭代次數(shù)設(shè)置1 000 次，時間步長0.002 s，總時長2 s（2 個心動周期）。 為減少誤差，取第2 個心動周期中計算結(jié)果數(shù)據(jù)用于后處理及分析。

結(jié)果分析： 使用后處理軟件CFD-post（ANSYS公司，美國）進行結(jié)果可視化及分析，除流量、流速、壁面剪切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）等常規(guī)參數(shù)外，使用了WSS 相關(guān)的衍生參數(shù)，如時間平均壁面剪切應(yīng)力（time-average wall shear stress，TaWSS）、剪切振蕩系數(shù)（oscillatory shear index，OSI）和相對停留時間（relative residence time，RRT）。 TaWSS：為整個心動周期內(nèi)WSS 的時間加權(quán)平均值，反映了單位時間內(nèi)血流向局部切線平面運動時血管壁產(chǎn)生的摩擦力［18］。OSI：描述了局部WSS 在整個心動周期內(nèi)方向改變的大小，用于衡量WSS 在流場中震蕩水平的強弱［19］。 RRT：結(jié)合了TaWSS 及OSI，量化血液處于低剪切、高振蕩狀態(tài)的程度［20］。

為評估整個心動周期過程中4 個頸動脈分叉模型血流動力學(xué)改變情況，選取心動周期中T1、T2、T3、T4 共4 個不同時刻及a、b、c、d、e 共5 個不同截面進行分析，見圖4。

圖4 心動周期內(nèi)時間節(jié)點與截面選取

2 結(jié)果

2.1 血液流量

真實模型與假定模型的速度入口、壓力出口邊界條件均相同。 因此，當流體域幾何形狀基于不同狹窄條件而發(fā)生改變時， 分配到ICA 和ECA 的血流質(zhì)量流率在各模型之間是不同的。 4 個模型中心動周期內(nèi)從ICA 及ECA 流出的血液質(zhì)量流率曲線，見圖5?？梢姠僭谛膭又芷诘拇蟛糠謺r間，通過ICA 流出的血液多于ECA，這是因為ICA 直徑大于ECA；②當CCA狹窄時，通過ECA 流出的血液多于ICA，而ICA 血流減少使血管壁的WSS 降低， 可能導(dǎo)致動脈粥樣硬化發(fā)生；③當ICA 狹窄時，ICA 和ECA 之間的血液分布變得均勻，因為此時ICA喪失了直徑大的優(yōu)勢；④當ICA 與CCA 同時狹窄時，ICA 和ECA 之間的血液分布有明顯差異，因為有更多的血液自ECA 流出。

圖5 血液質(zhì)量流率

2.2 血流速度

隨著不同模型狹窄情況的改變，血液流動也發(fā)生了變化。 流動行為的復(fù)雜性導(dǎo)致了后續(xù)血管內(nèi)狹窄的形成與發(fā)展。 將4 個模型中T1、T2、T3、T4 4 個不同時刻及a、b、c、d、e 共5 個不同截面的血流速度進行繪制，見圖6。 可見各模型在相同時間、相同截面的血流速度有著重大差異， 在ICA 與CCA 狹窄的部位可見明顯流速增快，這證明了狹窄更易導(dǎo)致血液湍流的產(chǎn)生。 此外，CCA 狹窄會導(dǎo)致頸動脈分叉部位的流速加快及流動分離，引起ICA 血流流動行為的改變， 而ICA 的狹窄對CCA 血流基本無影響。 另外，串聯(lián)狹窄的真實模型比其他假定模型具有更為復(fù)雜的血流行為改變。

圖6 心動周期內(nèi)各模型血流速度變化情況

2.3 WSS

WSS 與動脈粥樣硬化的形成和斑塊易損性密切相關(guān)。4 個模型心動周期不同時刻WSS 的情況見圖7。 可見串聯(lián)狹窄的模型1 在頸動脈分叉處具有最高的WSS，僅CCA 狹窄的模型3 有較高的WSS，而僅ICA 狹窄的模型2 與無狹窄的模型4 相應(yīng)位置WSS 明顯較低。結(jié)果表明，隨著無狹窄到CCA 狹窄再發(fā)展為串聯(lián)狹窄，分叉部位WSS 逐步增大。 此外， 還發(fā)現(xiàn)ICA 狹窄對分叉處WSS 值的影響較CCA 狹窄所產(chǎn)生的影響小，這可能因為ICA 的狹窄程度較CCA 更輕，且ICA 狹窄位于血流下游，對分叉處血流狀態(tài)影響有限。

圖7 心動周期內(nèi)各模型剪切應(yīng)力(WSS) 變化情況

而以無狹窄的健康模型4 為基準，可見WSS 多集中于安全范圍（0～7 Pa）內(nèi)，隨著局部狹窄的形成，相對應(yīng)位置WSS 隨之升高；當形成串聯(lián)狹窄時，WSS 的高值范圍（＞10 Pa）部分明顯擴大，這可能更易導(dǎo)致斑塊的脫落。

2.4 TaWSS、OSI、RRT

4 種模型的TaWSS、OSI 和RRT 的情況見圖8。與單一狹窄模型相比，串聯(lián)狹窄模型在ICA 及CCA狹窄部位顯示了更多的高TaWSS 值（＞10 Pa）區(qū)域。而在ICA 狹窄中的突起處可見TaWSS 異常減低的區(qū)域，此處可能會導(dǎo)致動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。

圖8 各模型TaWSS、OSI、RRT 情況

此外，在無狹窄的模型4 中，在CCA 分叉處外側(cè)壁可見高OSI 和RRT，表明在這些位置可能已形成斑塊。 在僅CCA 狹窄的模型3 中，高OSI 和RRT區(qū)域出現(xiàn)在ECA 及ICA 外側(cè)壁， 其中ICA 部分正是在串聯(lián)狹窄模型中狹窄形成的位置。 然而，在僅ICA 狹窄的模型2 中，CCA 的OSI 和RRT 與無狹窄模型幾乎沒有差異。 證實在此患者特異性頸動脈分叉模型中，CCA 的狹窄更可能首先形成， 并導(dǎo)致了ICA 狹窄的發(fā)生。

3 討論

血流動力學(xué)因素所致內(nèi)膜損傷在動脈粥樣硬化及斑塊發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用［21］。 目前，國內(nèi)外關(guān)于頸動脈狹窄的血流動力學(xué)研究多為單一CCA 或ICA 狹窄，著重于術(shù)前與術(shù)后的對比以突出手術(shù)的有效性［22-24］，鮮有涉及串聯(lián)狹窄并對術(shù)前不同方案進行模擬對比以指導(dǎo)手術(shù)的研究。

TCAS 發(fā)病率低，但治療風險高、處理難度大。關(guān)于其治療方案的選擇， 目前無大樣本的研究報道，也無可靠隨機對照試驗參考，在近期公布的相關(guān)治療指南及共識中也無針對串聯(lián)狹窄的具體處理意見。自1953 年CEA 術(shù)首次在臨床應(yīng)用以來，現(xiàn)已成為治療頸動脈狹窄、預(yù)防腦卒中的主要手段之一，但對于TCAS 病變尚存在以下局限性：①ICA 遠端病變范圍有時可超出CEA 所能暴露的最大視野，致使手術(shù)失敗；②對累及CCA 近端及無名動脈的病變，CEA 需術(shù)中開胸，創(chuàng)傷大、風險高［9］。 而CAS 因其創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，目前在頸動脈狹窄的治療中被認為也是安全有效的， 但其對于TCAS 病變的治療尚存在以下局限：①對于過迂曲的頸動脈及2 型、3型主動脈弓患者，CAS 操作難度大、手術(shù)失敗率高；②對于TCAS 病變， 置入多個支架過程中易導(dǎo)致腦保護裝置或支架的剮蹭、移位；③手術(shù)費用高［25］。 因此， 通過CFD 技術(shù)探索TCAS 的發(fā)生發(fā)展機制，分析其血流動力學(xué)特征， 簡化甚至優(yōu)化TCAS 的手術(shù)方案是臨床關(guān)注的問題。

本研究通過患者CTA 圖像成功建立了串聯(lián)狹窄真實模型， 并通過分別去除CCA 狹窄、ICA 狹窄和兩處狹窄均去除共創(chuàng)建了3 個假定模型以模擬不同的手術(shù)方案。 通過將假定模型與真實模型的CFD 結(jié)果進行對比研究，最終證實：①TCAS 中狹窄病變先發(fā)生于血流上游的CCA 區(qū)域，而后影響下游的ICA 區(qū)域；②串聯(lián)狹窄比單個狹窄更易引起復(fù)雜的血液流動，導(dǎo)致異常高/低的WSS 區(qū)域，這也進一步加劇了內(nèi)皮損傷、促進動脈硬化［26］；③CCA 狹窄后高速血流通過頸動脈分叉時產(chǎn)生的渦流及流動分離，也有助于串聯(lián)狹窄的形成及缺血性腦卒中的發(fā)生。對4 個模型心動周期內(nèi)WSS 衍生參數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)：CCA 狹窄會影響ICA 區(qū)域， 使其具有低TaWSS、 高OSI 和RRT， 而TaWSS 的低值及OSI、RRT 的高值被認為是動脈粥樣硬化斑塊形成的標志，這易導(dǎo)致繼發(fā)性ICA 狹窄［27］。 相反，ICA 狹窄對CCA 的影響較小。 研究報道，單純ICA 狹窄約占頸動脈狹窄患者總數(shù)的25%［28］。 若TCAS 首先在ICA形成狹窄繼而導(dǎo)致CCA 狹窄，則串聯(lián)狹窄的發(fā)生率不應(yīng)低至所報道的2.1%～5%［7-8］。 該結(jié)論提示對于TCAS 病變，若手術(shù)僅解除了ICA 狹窄而未處理CCA 狹窄， 則CCA 的狹窄會影響ICA 血流導(dǎo)致狹窄復(fù)發(fā)； 而若手術(shù)僅解除CCA 斑塊未處理ICA狹窄，則ICA 狹窄不會對CCA 血流產(chǎn)生影響。 因此，臨床醫(yī)生在規(guī)劃串聯(lián)狹窄患者的手術(shù)方案時，需考慮手術(shù)前后的血流變化， 必要時行假定模型的CFD 模擬，以指導(dǎo)手術(shù)方案的選擇，避免狹窄復(fù)發(fā)。

本研究存在以下缺陷：①TCAS 分型多種多樣，本研究僅選取了ICA 及CCA 狹窄進行個體化研究，可能使結(jié)論缺乏普遍性；②由于TCAS 的低發(fā)病率，僅選取了1 例患者，可能使結(jié)論缺乏可靠性；③在CFD 血流閾建模時，忽略了血管壁的彈性及血液的可壓縮性，可能產(chǎn)生一定誤差；④在進行CFD計算時， 對不同的模型均使用了同一速度入口、壓力出口邊界條件， 可能與現(xiàn)實情況并不完全相符。下一步將針對上述不足，進行多形態(tài)、大樣本、高精度的CFD 研究，以證實上述結(jié)論。