兔动脉瘤模型模拟动脉瘤不全夹闭前后血流动力学的改变

费邵阳 王宏磊 徐 宁 陈 儇 徐 波(吉林大学第一医院神经外科，吉林 长春 3002)

兔动脉瘤模型模拟动脉瘤不全夹闭前后血流动力学的改变

费邵阳 王宏磊 徐 宁 陈 儇 徐 波1(吉林大学第一医院神经外科，吉林 长春 130021)

目的 利用计算机模拟不全夹闭并分析不全夹闭前后动脉瘤内血流动力学改变及手术中动脉瘤夹闭方向的选择。方法 利用静脉移植法制作兔颈总动脉侧壁动脉瘤模型。利用计算机模拟软件对动脉瘤进行不全夹闭的模拟并对不全夹闭前后瘤内血流动力学改变进行比较。研究不全夹闭对动脉瘤内血流动力学改变的影响并探讨不同方向不全夹闭对动脉瘤内血流动力学的影响。结果 动物模型制作成功11例。经过CFD软件运算分析及统计学检验，动脉瘤不全夹闭前后最大剪切力的改变具有统计学意义，瘤内湍流明显改变。结论 ①采用静脉移植法制做动脉瘤模型是一种操控性及重复性强的实验方法，可以建立形态、大小稳定的兔动脉瘤模型。动物存活率高，周期短。②动脉瘤不全夹闭减小了湍流对动脉瘤发展的不利影响，减小了动脉瘤颈所受的最大剪切力。在动脉瘤夹闭手术中应尽可能逆血流方向平行夹闭动脉瘤颈，加强动脉瘤颈受力最大方向，防止动脉瘤颈继续生长。

动脉瘤模型;计算机模拟分析;不全夹闭;血流动力学

颅内囊状动脉瘤(SA)是造成自发性蛛网膜下腔出血的主要病变，占颅内出血的25%，具有很高的致死和致残率。由于在人体上研究动脉瘤受到极大的限制〔1〕，动物就成为研究SA较理想的载体。由于受动脉瘤形态、生长位置及手术水平的限制，部分动脉瘤无法完全夹闭或夹闭后动脉瘤夹脱落，造成了动脉瘤的部分夹闭。本文应用计算机流体力学软件(CFD)进行计算机模拟分析，研究动脉瘤在不全夹闭状态下瘤体内血流动力学的改变，并探讨动脉瘤夹闭方向的选择。

1 材料与方法

1.1 取材及模型制作 采用雌雄不限的成年中国大耳白兔13只，编号1～13号。体重2.5～3.0 kg，麻醉前给予青霉素钠注射液30万U肌注，麻醉完全生效后取颈部正中矢状切口，游离左侧颈总动脉长约5 cm，取同侧颈外静脉段约3.0 mm，颈外静脉断端结扎。阻断同侧已暴露的颈总动脉内血流，于颈总动脉中部偏上位置在显微镜下做一纵行椭圆形切口，长约3～5 mm，将颈静脉囊与颈总动脉切口行端侧吻合，排除近心端血管腔内空气后缝合结扎静脉囊顶端。可见颈总动脉通畅，静脉囊充盈成球形或椭球型。分层缝合肌肉及皮肤。动脉瘤模型制作完成。

1.2 方法

1.2.1 实验动物的术后处理 术后实验动物禁食水12 h。术后第一日开始给予青霉素钠注射液30万U及肝素钠注射液100 U/kg肌注，1次/d，连续3 d，预防感染及动脉瘤内血栓形成。动物饲养2 w。

1.2.2 实验数据的采集

1.2.2.1 彩超检查 术后2 w，应用经颅多普勒(TCD)检查采集载瘤动脉内血流速度数值。在一个心动周期内载瘤动脉血流最大速度14～88 cm/s，最小5～29 cm/s。载瘤动脉内平均血流速度在8～49 cm/s。

1.2.2.2 数字减影血管造影 (DSA)检查 操作过程:(1)经耳缘静脉造影:实验动物麻醉后经耳缘静脉套管针注入肝素钠注射液100 U/kg，然后经造影连接管接高压注射器。给予经耳缘静脉造影。观察左侧颈总动脉侧壁动脉瘤形成情况。(2)经颈总动脉造影:取动脉瘤模型制作成功的动物，沿颈部原手术切口切开，游离左侧颈总动脉及侧壁动脉瘤。用数码相机对动脉瘤及载瘤动脉进行拍照。用动脉留置针穿刺颈总动脉近端，插入导丝拔出动脉留置针导入4F导管鞘并用丝线固定，插入4F造影管。连接管接高压注射器进行动脉血管造影。并对动脉瘤及载瘤动脉进行尺寸测量。(3)进行3DDSA造影:上述操作后进行三维旋转动脉血管造影。所得图像进行三维重建，的到三维重建后的动态旋转影像。

1.2.3 动脉瘤模型不全夹闭的数字化模拟

1.2.3.1 影响三维模拟的因素 动脉瘤大小形状参数:动脉瘤大小、直径、内部形状、载瘤动脉直径、入口前长度、弯曲度等各种参数都对血流动力学有较大的影响。血液流体的设定:通常情况下血液为非牛顿流体。但在实际运算中，以牛顿流体和非牛顿流体为条件计算得出的结果相差微乎其微，不具备统计学差异，但运算量却相差巨大。因此多数学者将运算分析中的血液设定为不可压缩的牛顿流体〔2～4〕。血液的黏滞度:虽然多种因素影响血液的黏滞度，但由于多数此类分析将血液假设为牛顿流体〔2～5〕，因此一般血液的黏滞性设定为一常数。动脉和动脉瘤壁弹性:动脉壁和动脉瘤壁具有较大的弹性，血管的搏动对血流有明显的影响。但由于在实际运算过程中动脉壁和动脉瘤壁的准确弹性参数无法准确知道，而且数据处理相当困难，所以大部分研究〔6～8〕将血管壁设定为刚性边界。血液的流速与流量:由于个体存在差异性，载瘤动脉内血流速度不一样，通常采用平均的动脉流速进行分析〔5，9〕。其他因素的影响及采取对策:分析过程中不考虑血液能量及重力变化〔2～5，9〕。

1.2.3.2 数字化模型的建立 利用CAD软件进行图形绘制，制成动脉瘤模型。并根据动脉瘤图形模拟绘制不全夹闭后的图形，夹闭程度为50%，分别采用平行于载瘤动脉逆血流方向和垂直载瘤动脉侧方夹闭的方法。然后进行网格划分，带入运算。具体方法如下:

(1)离散化方法:CFD软件中广泛采用的求解方法是耦合式的解法。本文采用的SIMPLE算法是用有限体积法将控制方程离散化后，对各个体积单元上的离散方程组进行求解计算。

(2)网格划分:网格划分的质量对流动数值仿真有决定性影响，在建模时一般要尽可能地保证计算区域与实际流动区域的一致，划分的网格越小，贴体性越好。

本文在网格划分的过程中，采用的是FAME的混合分网功能(Hybrid Assistant)。针对研究的动脉血管直径平均在4 mm左右，因此，选择网格单元最小尺寸为0.3 mm，主体为结构化六面体网格，提高计算精度，加快收敛速度;壁面处采用四面体单元，提高网格适应不规则形状的能力，在四面体单元与六面体单元过渡区，利用棱柱和棱锥连接;本文单独划分了1层壁面边界层网格;同时对动脉瘤入口的瘤颈进行了局部细化，单元最小尺寸为0.018 75 mm，从壁面向内部的细化深度为0.1 mm。

(3)计算初始条件和边界条件:流体运动边界上控制方程选用的是默认设置;求解采用层流模型，壁面采用标准壁面函数处理。压力为血压值，动力黏度为0.004 Pa.s，血液密度为1 050 kg/m3。

(4)求解器设置:离散方程求解过程中设置的松弛因子如下:压力项为0.3、动量项为0.7。对于在一个完整心动周期0.3 s内的仿真计算，时间项采用一阶隐式格式离散，时间步长为0.007 5 s，每个心动周期计算40步，共迭代3个心动周期，获得收敛结果，仅采用最后一个心动周期的瞬态收敛数据进行分析。

1.3 统计学分析 采用SPSS软件。

2 结果

本组共13只实验动物全部存活，无切口感染，无肢体瘫痪。血管造影显示:共制作成功颈总动脉侧壁动脉瘤11个，其余2只动物1只载瘤动脉关闭，1只动脉瘤内形成血栓。动脉瘤宽径4.11～5.51 mm，动脉瘤长径4.02～5.57 mm，瘤颈宽度2.69～3.39 mm。形态满意。

稳态及瞬态条件下得出动脉瘤内血流动力学变化及动脉瘤颈处最大剪切力夹闭前后数值。见表1，图1～图3。动脉瘤内的血流湍流在夹闭前后在形式上有较明显改变，减小了湍流对动脉瘤发展的不利影响。再对模拟运算得出的动脉瘤模型夹闭前最大剪切力数据分别与平行于载瘤动脉方向和垂直于载瘤动脉在流动面方向夹闭所得到的最大剪切力数据在稳态和瞬态条件下进行比较，有统计学差异 (P＜0.05)。可见，采用平行于载瘤动脉方向和垂直于载瘤动脉方式不全夹闭后动脉瘤内最大剪切力的减小有统计学意义，且两种夹闭方式对动脉瘤内最大剪切力减小的影响有统计学差异，平行夹闭方法对最大剪切力的减小影响比垂直夹闭要大(P ＜0.05)。

图1 稳态流动下动脉瘤的血管内部速度及壁面剪切力分布及数值

图2 心动周期内瘤径内瞬态剪切力分析及分布图

图3 心动周期内瘤径壁面剪切力分布随时间的变化历程

表1 稳态流动下具有动脉瘤的血管内部速度及壁面剪切力

3 讨论

3.1 稳态流动分析 本文首先针对案例进行了动脉瘤内血液流动的三维分析，包括原始动脉瘤、平行夹闭和垂直夹闭情况。根据血液由右至左流入血管后内部的流场变化。可以清楚的地看出，三种形状瘤壁内的速度场均出现了涡流，其中，原始形状的涡流范围最宽，强度也最大，通过对动脉瘤颈进行顺夹和横夹，减小了瘤颈的入口尺寸，抑制了血液通常由瘤口向瘤内的流动，因此，流速和涡流都显著降低，改善了瘤内血液漩流对瘤壁剪切力的作用，缓解瘤壁继续膨出的趋势;此外，该平行夹闭和垂直夹闭方案并未完全消除瘤内的血液流速，尤其是在瘤底处仍保留了一定的流速，避免了血液在此处的沉积，破坏血管壁的生理结构。血管壁的剪切力分布显示，在动脉瘤颈处的剪切力达到峰值，尤其是相对血流流动下游处的区域，通过局部放大该区域的剪切力分布，三者呈现相似的分布，均在正对血液流动下游处达到最大值，随着血液向瘤内的扩散，切向流速的下降，剪切力变小，通过积分该区域的剪切力值，得到11个案例、3个方案下最大剪切力统计值，随着血流速度的快速上升，其动量的加大，撞击动脉瘤颈速度方向改变大幅上升;同时，在相近动脉血管流速，随着动脉直径的变小、动脉瘤颈和瘤体的显著膨出，瘤颈处的最大剪切力增加，并且瘤体内漩涡强度增加;平行夹闭方案出现的血管剪切力峰值最小，原始未夹方案剪切力峰值最大。由此可见，平行夹闭方案对血流进入动脉瘤起到了引导的作用，减少了血流对下游瘤颈的冲击，同时在瘤体内也保留了一定强度的漩涡，避免在瘤底内产生流动死区，形成对瘤壁良好的血液循环。

3.2 心动周期内瘤径内瞬态剪切力分析 心脏周期性的搏动驱动动脉血管内的血液流动，其血流速度并非恒定不变，而是呈现如图所示的周期性高低起伏变化。通过仿真计算得到在一个心动周期内每隔0.037 5 s的动脉瘤颈处的剪切力分布。可以看出，其剪切力的分布与恒定流速下稳态流动呈现相同的分布规律，但其数值大小随血流速度的变化呈现相应变化，在0.07 5 s处达到最大值，可以说明，血流速度是决定瘤颈最大剪切力的主要因素，并随着其周期性的变化对下游瘤颈区形成周期性的冲击，极易对该处的血管生理组织形成疲劳损伤。以相同的血流速度变化历程边界条件，对上述案例取出每个心动周期内的最大剪切力，结果表明:当血液流速相同时，较大的血管直径携带较多的流体动量，而较小的瘤颈和瘤体增强了血流对下游瘤壁的冲击，剪切力变大，刺激了该处瘤壁组织的生长，使动脉瘤呈现逐渐变大的趋势;随着瘤颈和瘤体的增大，血液进入瘤体后膨胀减速，降低了下游瘤颈的剪切力，同时瘤体内的漩涡强度也迅速降低;上述所有案例在心动周期内的峰值剪切力也呈现顺夹最小、原始最大的特点。综上所述，平行夹闭方案是降低瘤颈处最大剪切力的最佳方案。

根据以上分析可以看出，动脉瘤内血流形式是:血流在动脉瘤颈血流下游的位置进入动脉瘤内，顺动脉瘤壁向动脉瘤顶流动，在此过程中由于摩擦产生了血流对动脉瘤内壁的剪切力，血流进入动脉瘤的血流下游弧形瘤颈位置所受的剪切力最大，动脉瘤即在此位置不断生长。血流与动脉瘤壁接触，产生湍流，速度迅速减小。在动脉瘤顶处血流速度最小。然后再由动脉瘤颈靠近血流上游的位置流出动脉瘤。由于动脉瘤顶处剪切力不足，直接导致血管内皮细胞出现变形，内皮细胞间隙增大，导致血液内有害物质侵入，影响内皮细胞的更新，导致内皮细胞的屏障功能丧失。随血管搏动的规律性血流进入动脉瘤内后长期冲击动脉瘤壁，能量转换到动脉瘤壁上，使之承受迅速不断变化的压力，产生共振。以上动脉瘤内剪切力、湍流、共振等因素是动脉瘤破裂的主要因素。

动脉瘤的不全夹闭使动脉瘤瘤颈直径改变，同时动脉瘤形状也有改变，从而导致剪切力及血流动力学的改变。而在应用FLUENT软件运算过程中，结合图表可以看出，在动脉瘤瘤颈直径和形状改变后动脉瘤内的血流湍流程度和形式有较明显改变。根据计算出的瘤颈所受最大剪切力分析，无论是平行载瘤动脉方向不全夹闭还是垂直载瘤动脉侧方夹闭，无论是以血管内平均血流速度还是以心动周期内最大血流速度计算的结果，与未夹闭的结果进行比较，均有统计学意义。通过比较动脉瘤夹方向与载瘤动脉平行和垂直两种方法夹闭结果显示:平行夹闭方法比垂直夹闭对最大剪切力的影响要大，平行部分夹闭要优于垂直部分夹闭。高剪切力是瘤生长的原因之一，对于处于生长期的动脉瘤，远端的高剪切力促进了瘤在此处的生长，从而导致瘤深的增大，而瘤深的增大又使得远端的最大剪切力提高，这样便形成了一个正反馈的恶性循环，从而使得动脉瘤迅速增大。说明在不全夹闭后瘤颈所遭受的最大剪切力均有改变。手术可以减缓动脉瘤的生长。

在动脉瘤夹闭过程中推荐动脉瘤夹闭的方向是由血流下游向上游平行于载瘤动脉夹闭。此种方法的优点是:部分动脉瘤由于受形态、生长位置及手术水平的限制，出现无法完全夹闭或术后动脉瘤夹部分脱落的情况，即使不能完全夹闭动脉瘤或术后出现部分脱落的情况，动脉瘤夹也能起到最大限度加固瘤颈受力最大位置的作用，能阻止或减缓动脉瘤的生长。

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R654

A

1005-9202(2011)12-2276-04

1 吉林省职业病防治院

徐 宁(1973-)，男，主治医师，主要从事脑血管病外科治疗研究。

费邵阳(1977-)，男，主治医师，医学硕士，主要从事脑血管病外科治疗研究。

〔2010-11-03收稿 2011-03-10修回〕

(编辑 袁左鸣/徐 杰)