大型未破裂颅内动脉瘤的血流动力学特点分析

李 良，张 莹，杨新健，陈家亮，王盛章，李海云，于红玉，汪 阳，李传辉

(1北京大学第一医院，北京 100050;2北京市神经外科研究所;3复旦大学力学与工程科学系;4首都医科大学生物医学工程学院)

研究发现，动脉瘤的直径是动脉瘤破裂最重要的独立危险因子，即大动脉瘤存在更高的自然破裂风险［1～5］。血流动力学作用力被认为在动脉瘤的形成、发展和破裂的自然病程中具有极其重要的作用［6，7］。2010 年7 月 ～2011 年6月，我们对12 例直径≥15 mm 的未破裂颅内动脉瘤进行了血流动力学数值模拟，对其流速、流动模式、壁面切应力(WSS)、切应力震荡因子(OSI)等进行了分析，并将动脉瘤和其载瘤动脉的参数比较。现报告如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 12例未发生破裂出血的直径≥15 mm颅内囊性动脉瘤患者，其中男3例，女9例;年龄39～67岁。首发临床表现为头痛伴眼睑下垂和(或)复视、视物模糊4例，单侧肢体无力伴言语不清4例，头痛头晕伴有耳鸣2例，头痛伴单眼失明及单纯头痛头晕各1例。动脉瘤部位:颈内动脉后交通段4例，前交通段3例，颈内动脉眼动脉段2例，颈内动脉C2段、海绵窦段及大脑中动脉分叉各1例。形状分型:侧方型和顶端(分叉处)型各6例。

1.2 血流动力学数值模拟方法 本研究所采用的模拟方法详见我们的前期研究［8，9］。

1.2.1 数值模拟的硬件及软件 本研究所应用的计算机为特别配置的惠普工作站，主频为Intel Xeon 3.0 G，内存为8.0 G，硬盘为160 G。主要软件有:本课题组自编程序及Matlab 7.0、Ansys ICEM，Ansys CFX，Photoshop7.0 等。

1.2.2 数值模拟和流体分析 对12例患者调整重建后的三维DSA图像，去掉不重要的分支，重点分析动脉瘤及其载瘤动脉。采用本课题组自编写的程序，及Matlab7.0计算，合成STL格式的三维图像。采用ANSYS ICEM软件进行三维体网格划分。为兼顾计算的精度和计效率，本研究划分的网格数量为1500000～1800000个。采用ANSYS CFX 11.0软件行流体分析计算。血管入口条件设定为通过经颅多普勒超声获得的搏动性血流，出口条件设定为自由流动出口。每个心动周期被划分为800步，每步时间为0.001 s。计算两个心动周期后取第二个心动周期计算所得的数值进行分析。在每个心动周期内部，动脉瘤的血流动力学参数的分布一致，只是随着血压的波动，发生了数值上的变化，最大的时刻出现在血压最高峰的收缩期末。

1.2.3 图像显示和数据分析 采用ANSYS CFX 11.0软件结合自编程序行图像显示和数据采集。取动脉瘤上的数据和其载瘤动脉(取动脉瘤颈部为中心1 cm长度的载瘤动脉)上的数据相对比。用SPSS11.5统计学专用软件包进行统计学分析。所得计量数据以表示，比较采用配对t检验。P≤0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 血流流动模式及流速 侧方动脉瘤血流流动模式为入瘤血流从瘤颈口下游侧流向动脉瘤内，并沿着瘤周壁回流至载瘤动脉中，再从瘤颈口上游流出，形成一个主要的涡流。顶端(分叉处)动脉瘤血流流动模式为血流从入流动脉直接冲击入动脉瘤，后沿瘤周壁回流至两出流动脉，形成两侧两个主要涡流。所有的大型动脉瘤皆发现瘤内部涡流形态复杂，在主要涡流内部有大面积紊乱的低速流动。动脉瘤瘤颈附近速度最大，瘤顶附近流速最低，顶部存在一个面积较大的低速区，最小速度接近于0。

2.2 颅内动脉瘤与其载瘤动脉内的血流动力学参数 见表1。瘤壁平均低WSS区域占动脉瘤总表面积的百分数平均为24.74%。

表1 大型动脉瘤与其载瘤动脉血流动力学参数比较()

表1 大型动脉瘤与其载瘤动脉血流动力学参数比较()

注:与载瘤动脉比较，*P ＜0.01

动脉 WSS(Pa)OSI动脉瘤 4.990 ±1.565* 0.0690 ±0.0274*载瘤动脉13.850 ±4.092 0.0040 ±0.0022

3 讨论

临床上大约75%的巨大动脉瘤发现时均未破裂，因此临床存在大动脉瘤不容易破裂的误解。本研究12例首发症状均为占位压迫和缺血表现等动脉瘤破裂前的先兆症状，亦印证了上述临床事实。大量研究结果表明，动脉瘤直径是动脉瘤破裂的最重要的独立危险因子。2003年国际未破裂动脉瘤研究协作组发表大样本多中心研究结果，认为动脉瘤瘤体越大，发生破裂引起SAH机会越大［1］。

为了验证动脉瘤越大越容易破裂的内在原因，本研究应用计算机流体动力学方法对大型未破裂动脉瘤的内在血流动力学因素进行了研究，并与其各自的载瘤动脉的血流动力学参数作对比。研究结果发现，所有的大型动脉瘤皆发现瘤内部涡流形态复杂，在主要涡流内部有大面积紊乱的低速流动。大型动脉瘤壁与其载瘤动脉相比具有明显的低WSS和高 OSI。

Cebral等［6］对62例破裂和未破裂动脉瘤内血流流动模式的研究证明，未破裂动脉瘤大部分具有简单稳定的血流模式，破裂动脉瘤大都具有复杂紊乱的血流模式。提示复杂紊乱的血流模式与动脉瘤破裂高风险相关。本研究中大型动脉瘤皆发现瘤内部涡流紊乱，提示破裂风险，且瘤顶部存在大面积低速血流，流速甚至接近0。局部血流停滞会导致红细胞集聚、血小板和白细胞在瘤壁内侧的集合和黏附，导致附壁小血栓的形成以及血小板和血浆纤维蛋白单体进一步浸润动脉瘤壁，增加动脉瘤破裂风险［10］。

目前的观点认为动脉瘤的破裂与WSS不足密切相关［7，11～13］，维持正常动脉瘤壁形态需要的 WSS约为2 Pa，WSS低于1.5 Pa时会导致内皮细胞的变性与凋亡，促进动脉瘤的生长以及最后的破裂［14］。WSS不足直接导致血管内皮细胞出现形变，内皮细胞间隙加大，屏障功能丧失，血液内的有害物质侵入，使瘤壁弹性纤维及胶原纤维断裂、缺失，从而形成了动脉瘤壁的特有病理学形态。随着动脉瘤生长，WSS进一步降低，形成恶性循环直至破裂。本研究发现大型动脉瘤壁上的WSS与载瘤动脉相比显著偏低，且低WSS区域平均占24.74%，此提示大型动脉瘤壁的内皮细胞更容易变性、凋亡而引起破裂。OSI作为评价脉动血流的一个重要参数，可反映收缩期和舒张期动脉瘤内血流方向快速变化引起WSS的振荡大小，大的OSI表示WSS的方向变化较大。变化着方向的WSS不断作用于瘤壁内膜上，达到一定阈值时造成内膜上内皮细胞损伤、脱落，胶原纤维暴露，血小板在颈部、顶部受损的内膜表面聚集，附着于胶原纤维上，导致内膜增厚。反复内膜损伤造成内膜进行性增厚，血栓形成，最终由纤维蛋白溶解反应导致瘤的破裂。本研究发现与载瘤动脉相比，大型动脉瘤具有显著偏高的OSI值，说明大型动脉瘤壁WSS震荡明显大于载瘤动脉。因为动脉瘤壁比载瘤动脉更薄，故能耐受的WSS震荡更小、破裂风险更高。

本研究对动脉瘤模拟分析的结果很好的诠释了大动脉瘤破裂风险更高的深层次血流动力学原因。鉴于大动脉瘤较之小动脉瘤更容易因为头痛、占位压迫、缺血性发作等破裂前先兆症状而被提早发现，以及大动脉瘤自身存在的更大的治疗难度和破裂风险，我们认为，针对未破裂大型动脉瘤的血流动力学特点采取相关治疗策略可避免动脉瘤破裂出血后导致更高的治疗风险和更差的预后。

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