顱內動脈瘤形態與血流動力學的關系

裘天侖 金國良 邢海燕

近年來研究表明，動脈瘤的血流動力學是顱內動脈瘤病理改變的主要原因[1－6]。計算流體力學、統計分析均揭示動脈瘤的血流特征與動脈瘤的生長、破裂有關[2，6]。在相同的血流動力學模型下，血流動力學不僅與動脈瘤的形狀、大小、位置、動脈瘤頸口大小等有關，也與載瘤動脈的直徑、彎曲度、動脈瘤角度等有關。因此，本研究就顱內動脈瘤血流動力學特征與動脈瘤、載瘤動脈的形態學指標間的關系作一探討。

1 對象和方法

1.1 對象 選擇2016年1至6月紹興市人民醫院收治的22例顱內動脈瘤患者的22個動脈瘤為研究對象。病例排除標準：（1）惡性腫瘤，（2）惡性高血壓，（3）嚴重的全身性疾病如糖尿病、風濕性疾病等。動脈瘤排除標準：（1）假性動脈瘤，（2）炎癥性動脈瘤，（3）外傷性動脈瘤，（4）解離性動脈瘤，（5）伴發動靜脈畸形的動脈瘤。

1.2 方法

1.2.1 動脈瘤形態分析 動脈瘤結構通過血管造影并由荷蘭Philips公司數字剪影三維（DSA）成像。血管造影劑持續注射6s，旋轉180°以15幀/s拍攝并獲取數據，傳入Philips工作站重建DSA圖像，剔除沒有完整動脈瘤和載瘤動脈的圖像，并記錄動脈瘤的位置、瘤頸寬度、瘤體高度、動脈瘤橫徑等影像學指標。在DSA上測量動脈瘤的二維參數：最大瘤頸、最小瘤頸、動脈瘤高度（瘤頸中心到瘤頂的最大距離）、動脈瘤橫徑（垂直于瘤高的動脈瘤最大橫徑）、載瘤動脈直徑、最大瘤頸/載瘤動脈直徑、最小瘤頸/載瘤動脈直徑、動脈瘤角度（動脈瘤與載瘤動脈的夾角），見圖1。

圖1 動脈瘤的形態學參數測量（載瘤動脈直徑是D1+D2+D3的平均值；動脈瘤頸寬需測量最小瘤頸和最大瘤頸）

1.2.2 血流動力學分析 在Geomagic Studio（美國Geomegic公司）里面將三維模型表面的孔洞進行修補，將三維模型導入ICEM里面劃分網格。再將網格導入美國ANSYS軟件的Fluent15分析動脈瘤三維模型。血液的非牛頓性對分析結果影響不明顯。因此，血流設定為不可壓縮的牛頓流體（ρ=1 060kg/m3，黏度0.04kg·s/m）?？刂品匠虨椴环€定的Navier－Stokes方程和連續性方程。瘤壁的邊界條件是無滑動的剛性壁。出口邊界條件設為壓力出口，入口流速分布公式：一個周期內速度入口分布見圖2。壁面剪應力（WSS）是指血流與動脈壁單位面積的切線摩擦力。因為血流是脈動流，所以WSS是整個心動周期在一個節點上的集合，計算公式dt，其中平均WSS（MWSS）為整個動脈瘤內壁所有節點的平均值，WSS比值=MWSS動脈瘤/MWSS載瘤動脈。剪應力集中指數（SCI）的計算公式，其中Ah是高于載瘤動脈WSS的動脈瘤囊壁面積，Aa是動脈瘤的總面積，Fh是Ah中總剪應力，Fa是動脈瘤囊的總剪應力。

圖2 一個周期內速度入口分布

1.3 統計學處理 應用SPSS 16.0統計軟件。計量資料符合正態分布，用表示，多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD－t檢驗；兩組比較采用兩獨立樣本t檢驗。動脈瘤形態學指標與血流動力學指標的相關性采用Pearson相關分析，|r|值≥0.8為強相關；0.5～＜0.8為明顯相關，0.3～＜0.5為中等相關，＜0.3為弱相關；其中P＜0.05的動脈瘤形態學指標與動脈瘤WSS、WSS比值、SCI分別作線性逐步回歸分析。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 動脈瘤形態學指標與血流動力學指標的相關性分析 最大瘤頸/載瘤動脈直徑、最小瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS、WSS比值均呈正相關（均P＜0.05），動脈 瘤角度與SCI呈正相關（P＜0.05），見表1。

表1 動脈瘤形態學指標與血流動力學指標的相關分析結果（r值）

2.2 線性逐步回歸方程 血流動力學指標的逐步回歸方程：動脈瘤 WSS=－55.99+88.99 ratio1（P=0.006），WSS比值=0.048+0.264 ratio1（P=0.031），SCI=－0.691+0.097 angle（P=0.035）；式中ratio1為最大瘤頸/載瘤動脈直徑，angle為動脈瘤角度。

2.3 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS、WSS比值的關系 按最大瘤頸/載瘤動脈直徑分為＜1組（9例）、1～2組（9例）、＞2組（4例），其動脈瘤WSS分別為（46.84±54.11）、（42.12±48.82）、（194.20±99.45）Pa，3 組間差異有統計學意義（F=4.330，P＜0.05），經兩兩比較，＞2組動脈瘤 WSS明顯高于＜1組、1～2組（均P＜0.05），見圖2。＜1組、1～2組、＞2組 WSS比值分別為 0.382±0.404、0.308±0.235、0.794±0.468，3 組差異有統計學意義（F=3.694，P＜0.05）。經兩兩比較，＞2組WSS比值明顯高于＜1 組、1～2 組（均 P＜0.05），見圖 3。瘤頸/載瘤動脈直徑較大的動脈瘤，其WSS較高，反之較低，見圖4－5。

圖2 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與動脈瘤WSS的關系

圖3 最大瘤頸/載瘤動脈直徑與WSS比值的關系

圖4 瘤頸/載瘤動脈直徑較大的動脈瘤WSS分布

圖5 瘤頸/載瘤動脈直徑較小的動脈瘤WSS分布

2.4 動脈瘤角度與SCI的關系 按載瘤動脈角度分為＜135°組（10例）、≥135°組（12例），SCI分別為 3.39±2.32、9.46±7.66，兩組比較差異有統計學意義（t=－2.608，P＜0.05），見圖 6。

3 討論

近年來研究表明，顱內動脈瘤的生長與破裂是由動脈瘤血流動力學推動的。當動脈瘤的血流沖擊動脈瘤壁時，動脈瘤壁受到刺激后會發出生物化學信號，因此發生病理改變，最終促成動脈瘤的發展[7]。當動脈瘤的病理改變無法耐受動脈瘤內的血流沖擊時，動脈瘤發生破裂[8]。其中WSS是判斷動脈瘤生長和破裂的重要血流動力學依據。研究表明高WSS或低WSS都與動脈瘤的生長和破裂有關[9-13]。近年來，動物實驗結果發現血流沖擊點附近的高WSS和正向WSS梯度通過血管內皮細胞的生物化學信號的傳導，引起內彈力膜的喪失和中間層變薄，從而形成動脈瘤[1，14-20]。動脈瘤在血流沖擊下有2種同時存在的病理變化：（1）平滑肌細胞和膠原蛋白的增生等修復過程，（2）平滑肌細胞及其他細胞的凋亡過程。當2種進程平衡時，動脈瘤是穩定的，當不平衡時則動脈瘤擴展和破裂。因此，高WSS的動脈瘤壁常因廣泛的細胞凋亡而呈現菲薄的瘤壁，俗稱“血泡樣動脈瘤”。動脈瘤內的低WSS會促使內皮細胞的炎癥反應，使得管腔的滲透性增加，稀疏的血管內皮細胞和血液停留時間延長，可使白細胞侵入血管內，這種炎癥反應產生大量基質金屬蛋白酶來降解平滑肌細胞，并導致動脈瘤壁粥樣硬化，打破動脈瘤壁修復與損害的平衡，最終導致動脈瘤破裂[21-23]。WSS是促進動脈瘤病理改變的基礎因素，正是這些病理改變影響了動脈瘤的形態。所以，動脈瘤本身的高度、高寬比、瘤高/瘤頸、瘤高/載瘤動脈直徑并不能影響動脈瘤WSS的數值。本研究的回歸方程表明，最大瘤頸/載瘤動脈直徑決定了動脈瘤WSS。筆者進一步按最大瘤頸/載瘤動脈直徑分成3組，發現比值≤2時動脈瘤WSS無明顯變化，而＞2時動脈瘤WSS明顯增加并伴隨著菲薄的動脈瘤壁的“血泡樣動脈瘤”，臨床上常見于前交通寬頸動脈瘤。

圖6 動脈瘤角度與SCI的關系

傳統的WSS并未考慮到患者的個體差異，其實不同個體耐受的WSS不同。而WISS比值可能更好地體現動脈瘤在不同個體的WSS實際情況。本研究通過線性逐步回歸方程，發現最大瘤頸/載瘤動脈直徑決定了WSS比值。當最大瘤頸是載瘤動脈直徑的2倍以上時，WSS比值明顯增加。

Cebral等[3,24]認為血流集中度與動脈瘤的破裂亦相關，80%的破裂動脈瘤有更小的射入區域，集中血流的動脈瘤破裂機會是分散血流的6.3倍。SCI是判斷動脈瘤是否會破裂的重要指標，故筆者將SCI作為動脈瘤血流動力學的研究指標，分析動脈瘤和載瘤動脈的相對位置是否會影響SCI。線性逐步回歸方程發現，SCI僅與動脈瘤角度有關，角度越大則瘤頸的射入血流越集中于局部瘤壁，SCI值越大。其中動脈瘤角度＞135°時，SCI明顯升高。這可能為判斷動脈瘤的破裂幾率提供參考。

綜上所述，血流動力學是由動脈瘤形態以及其與載瘤動脈的關系所決定，WSS與最大瘤頸/載瘤動脈直徑有關，SCI與動脈瘤角度有關。

[1]Metaxa E,TremmelM,Natarajan SK,et al.Characterization of critical hemodynamics contributing to aneurysmal remodeling at the basilar terminus in a rabbit model[J].Stroke,2010,41(8):1774-1782.

[2]Xiang J,Natarajan SK,Tremmel M,et al.Hemodynamic-morphologic discriminants for intracranial aneurysm rupture[J].Stroke,2011,42(1):144-152.

[3]CebralJR,Mut F,Weir J,et al.Quantitative characterization of the hemodynamic environment in ruptured and unruptured brain aneurysms[J].AJNR Am J Neuroradiol2011,32(1):145-151.

[4]Jou LD,Lee DH,Morsi H,et al.Wall shear stress on ruptured and unruptured intracranialaneurysms at the internal carotid artery[J].Am J Neuroradiol,2008,29(9):1761-1767.

[5]Shojima M,Oshima M,Takagi K,et al.Magnitude and role of wall shear stress on cerebral aneurysm:computational fluid dynamic study of 20 middle cerebralartery aneurysms[J].Stroke,2004,35(11):2500-2505.

[6]Boussel L,Rayz V,McCulloch C,et al.Aneurysm growth occurs at region of low wall shear stress:patient-specific correlation of hemodynamics and growth in a longitudinal study[J].Stroke,2008,39(11):2997-3002.

[7]Satoh T,OmiM,Ohsako C,et al.Influence of perianeurysmalenvironment on the deformation and bleb formation of the unruptured cerebral aneurysm:assessment with fusion imaging of 3D MR cisternography and 3D MR angiography[J].Am J Neuroradiol,2005,26(8):2010-2018.

[8]Susanne S,PhDSameer AA,Parmede V,et al.Three-dimensional hemodynamics in intracranial aneurysms:influence of size and morphology[J].Journalof Magnetic Resonance Imaging,2014,39(1):120-131.

[9]Cebral JR,Meng H.Counterpoint:realizing the clinical utility of computational fluid dynamics-closing the gap[J].Am J Neuroradiol,2012,33(3):396-398.

[10]Jou LD,Wong G,Dispensa B,et al.Correlation between luminal geometry changes and hemodynamics in fusiform intracranial aneurysms[J].Am J Neuroradiol,2005,26(9):2357-2363.

[11]Acevedo-Bolton G,Jou LD,Dispensa BP,et al.Estimating the hemodynamic impact of interventionaltreatments of aneurysms:numerical simulation with experimental validation:technical case report[J].Neurosurgery,2006,59(2):E429-430.

[12]Sugiyama SI,Meng H,Funamoto K,et al.Hemodynamic analysis ofgrowing intracranialaneurysms arising from a posterior inferior cerebellar artery[J].World Neurosurg,2012,78(5):462-468.

[13]Xiang J,Tutino VM,Snyder KV,et al.CFD:computational fluid dynamics or confounding factor dissemination?[J].The role of hem odynamics in intracranial aneurysm rupture risk assessment,2014,35(10):1849-1857.

[14]Kolega J,Gao L,Mandelbaum M,et al.Cellular and molecular responses of the basilar terminus to hemodynamics during intracranial aneurysm initiation in a rabbit model[J].J Vasc Res 2011,48(5):429-442.

[15]Aoki T,Kataoka H,Morimoto M,et al.Macrophage-derived matrix metalloproteinase-2 and-9 promote the progression of cerebralaneurysms in rats[J].Stroke,2007,38(1):162-169.

[16]Hashimoto N,Handa H,Nagata I,et al.Animalmodelof cerebral aneurysms:Pathology and pathogenesis of induced cerebral aneurysms in rats[J].NeurolRes,1984,6(1-2):33-40.

[17]Meng H,Metaxa E,Gao L,et al.Progressive aneurysm development following hemodynamic insult[J].J Neurosurg,2011,114(4):1095-1103.

[18]Meng H,Wang Z,Hoi Y,et al.Complex hemodynamics at the apex of an arterial bifurcation induces vascular remodeling resembling cerebral aneurysm initiation[J].Stroke,2007,38(6):1924-1931.

[19]Cai J,He C,Yuan FL,et al.A novel haemodynamic cerebral aneurysm model of rats with normal blood pressure[J].J Clin Neurosci,2012,19(1):135-138.

[20]Meng H,Xiang J,Liaw N.The role of hemodynamics in intracranialaneurysm initiation[J].Int Rev Thromb,2012,7(1):40-57.

[21]Bian C,Xu G,Wang JA,et al.Hypercholesterolaemic serum increases the permeability of endothelial cells through zonula occludens-1 with phosphatidylinositol 3-kinase signaling pathway[J].J Biomed Biotechnol,2010,2009(3):814979-814979.

[22]Ross R,Glomset JA.The pathogenesis of atherosclerosis(first of two parts)[J].N EnglJ Med,1976,295(7):369-377.

[23]Galis ZS,Sukhova GK,Lark MW,et al.Increased expression of matrix metalloproteinases and matrix degrading activity in vulnerable regions of human atherosclerotic plaques[J].J Clin Invest,1994,94(6):2493-2503.

[24]Cebral JR,Castro MA,Burgess JE,et al.Characterization of cer-ebralaneurysms for assessing risk of rupture by using patient-specific computational hemodynamics models[J].Am J Neuroradiol,2005,26(10):2550-2559.