串聯型頸動脈狹窄的血流動力學模擬分析

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方式為頸動脈支架植入術（carotid artery stenting，CAS） 和頸動脈內膜剝脫術（carotid endarterectomy，CEA），CEA 已被認為是治療頸動脈狹窄的金標準［5-6］。

串聯型頸動脈狹窄（tandem carotid artery stenosis，TCAS）是指在頸動脈不同水平的同時狹窄，發生率為2.1%～5.0%［7-8］。雖然發生率相對較低，但形態學表現復雜，且多伴隨復雜的血流動力學狀態，既往治療頸動脈狹窄適用的單純CEA 或CAS 術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。

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

1 材料與方法

1.1 數據采集

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

1.2 模型構建

將DICOM 格式CT 數據導入MIMICS 軟件（MATERIALISE 公司，比利時）中，使用閾值分割、區域增長、 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構見圖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膜剝脫術中的方法進行計算。 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 頸動脈模型構建

1.3 CFD 計算

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

圖2 網格化

參數設置：根據相關文獻，血液被設定為絕熱、均勻、不可壓縮的牛頓力學流體，密度設定為1 060 kg/m3、粘度系數設定為0.003 5 Pa·s［13］。 由于血管內壓力較小，計算雷諾數均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置為10-4。迭代次數設置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果數據用于后處理及分析。

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

2 結果

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生改變時， 分配到ICA 和ECA 的血流質量流率在各模型之間是不同的。 4 個模型中心動周期內從ICA 及ECA 流出的血液質量流率曲線，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， 可能導致動脈粥樣硬化發生；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，血液流動也發生了變化。 流動行為的復雜性導致了后續血管內狹窄的形成與發展。 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致血液湍流的產生。 此外，CCA 狹窄會導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，串聯狹窄的真實模型比其他假定模型具有更為復雜的血流行為改變。

圖6 心動周期內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。4 個模型心動周期不同時刻WSS 的情況見圖7。 可見串聯狹窄的模型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 相應位置WSS 明顯較低。結果表明，隨著無狹窄到CCA 狹窄再發展為串聯狹窄，分叉部位WSS 逐步增大。 此外， 還發現ICA 狹窄對分叉處WSS 值的影響較CCA 狹窄所產生的影響小，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，對分叉處血流狀態影響有限。

圖7 心動周期內各模型剪切應力(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，隨著局部狹窄的形成，相對應位置WSS 隨之升高；當形成串聯狹窄時，WSS 的高值范圍（＞10 Pa）部分明顯擴大，這可能更易導致斑塊的脫落。

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，串聯狹窄模型在ICA 及CCA狹窄部位顯示了更多的高TaWSS 值（＞10 Pa）區域。而在ICA 狹窄中的突起處可見TaWSS 異常減低的區域，此處可能會導致動脈粥樣硬化的發生發展。

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區域出現在ECA 及ICA 外側壁， 其中ICA 部分正是在串聯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， 并導致了ICA 狹窄的發生。

3 討論

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

TCAS 發病率低，但治療風險高、處理難度大。關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，在近期公布的相關治療指南及共識中也無針對串聯狹窄的具體處理意見。自1953 年CEA 術首次在臨床應用以來，現已成為治療頸動脈狹窄、預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，致使手術失??；②對累及CCA 近端及無名動脈的病變，CEA 需術中開胸，創傷大、風險高［9］。 而CAS 因其創傷小、恢復快，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、手術失敗率高；②對于TCAS 病變， 置入多個支架過程中易導致腦保護裝置或支架的剮蹭、移位；③手術費用高［25］。 因此， 通過CFD 技術探索TCAS 的發生發展機制，分析其血流動力學特征， 簡化甚至優化TCAS 的手術方案是臨床關注的問題。

本研究通過患者CTA 圖像成功建立了串聯狹窄真實模型， 并通過分別去除CCA 狹窄、ICA 狹窄和兩處狹窄均去除共創建了3 個假定模型以模擬不同的手術方案。 通過將假定模型與真實模型的CFD 結果進行對比研究，最終證實：①TCAS 中狹窄病變先發生于血流上游的CCA 區域，而后影響下游的ICA 區域；②串聯狹窄比單個狹窄更易引起復雜的血液流動，導致異常高/低的WSS 區域，這也進一步加劇了內皮損傷、促進動脈硬化［26］；③CCA 狹窄后高速血流通過頸動脈分叉時產生的渦流及流動分離，也有助于串聯狹窄的形成及缺血性腦卒中的發生。對4 個模型心動周期內WSS 衍生參數的計算發現：CCA 狹窄會影響ICA 區域， 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，這易導致繼發性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的25%［28］。 若TCAS 首先在ICA形成狹窄繼而導致CCA 狹窄，則串聯狹窄的發生率不應低至所報道的2.1%～5%［7-8］。 該結論提示對于TCAS 病變，若手術僅解除了ICA 狹窄而未處理CCA 狹窄， 則CCA 的狹窄會影響ICA 血流導致狹窄復發； 而若手術僅解除CCA 斑塊未處理ICA狹窄，則ICA 狹窄不會對CCA 血流產生影響。 因此，臨床醫生在規劃串聯狹窄患者的手術方案時，需考慮手術前后的血流變化， 必要時行假定模型的CFD 模擬，以指導手術方案的選擇，避免狹窄復發。

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，可能使結論缺乏普遍性；②由于TCAS 的低發病率，僅選取了1 例患者，可能使結論缺乏可靠性；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， 可能與現實情況并不完全相符。下一步將針對上述不足，進行多形態、大樣本、高精度的CFD 研究，以證實上述結論。