陳曉琴 成志國 陳廣新 明照凱 鐘彥 沈文哲 周志尊

[摘要]腦梗死是大腦供血動脈的狹窄或閉塞，引起腦組織血液供應(yīng)障礙從而導(dǎo)致腦組織壞死及軟化。近年來，使用數(shù)值模擬技術(shù)分析腦梗死已逐漸成熟，可進(jìn)行定量定性的計算。本研究查閱相關(guān)數(shù)值模擬研究內(nèi)容，介紹相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，分析數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于血管分叉病變及腦梗死研究，得出高低值壁面切應(yīng)力的不同作用機(jī)制及高壁面壓力導(dǎo)致斑塊形成的可能機(jī)制，同時明確極低或較高壁面剪應(yīng)力及高振蕩剪切指數(shù)更易造成動脈粥樣硬化斑塊的形成，以及動脈血管改變（如狹窄或閉塞等）易發(fā)生不穩(wěn)定的血流動力學(xué)變化，使腦梗死發(fā)生概率增大，明確了數(shù)值模擬技術(shù)在腦梗死發(fā)生中的重要作用。

[關(guān)鍵詞]腦梗死;數(shù)值模擬技術(shù);動脈粥樣硬化;壁面切應(yīng)力;壁面壓力

[中圖分類號]R739.4;R273??? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A??? [文章編號]2095-0616（2022）05-0057-04

Research progress of the application of numerical simulation technology in cerebral infarction

CHEN Xiaoqin??? CHENG Zhiguo??? CHEN Guangxin??? MING Zhaokai??? ZHONG Yan??? SHEN Wenzhe??? ZHOU Zhizun

School of Medical Imaging，Mudanjiang Medical University，Heilongjiang，Mudanjiang 157011，China

[Abstract] Cerebral infarction is the stenosis or occlusion of cerebral blood supply arteries，which leads to the blood supply disorder in brain tissues，thus resulting in brain tissue necrosis and softening. In recent years，the application of numerical simulation technology to analyze cerebral infarction has gradually grown mature，which can be used for quantitative and qualitative calculation. This paper refers to relevant numerical simulation researches，introduces relevant parameters and indexes，analyzes the application of numerical simulation technology in the studies of vascular bifurcation lesions and cerebral infarction，and obtains different action mechanisms of high and low wall shear stress and the possible mechanism underlying plaque formation caused by high wall pressure. At the same time，the paper clarifies that very low or relatively high wall shear stress and high oscillatory shear index are more likely to incur the formation of atherosclerotic plaque，and that arterial changes （such as stenosis or occlusion）are prone to result in unstable hemodynamic changes，which increases the probability of cerebral infarction. This paper also specifies the important role of numerical simulation technology in the occurrence of cerebral infarction.

[Key words] Cerebral infarction;Numerical simulation technology;Atherosclerosis;Wall shear stress;Wall pressure

腦梗死指大腦供血動脈（如頸動脈和椎動脈）的狹窄或閉塞以及腦組織血液供應(yīng)障礙，一類由缺血、缺氧引起的局部腦組織發(fā)生壞死或軟化，并引起相應(yīng)神經(jīng)功能缺損的臨床綜合征[1-2]。腦梗死嚴(yán)重危害著全球人類的生命健康，因此預(yù)先確定引起腦梗死的危險因素對預(yù)防疾病具有關(guān)鍵意義[3]。

目前對于腦梗死的臨床病因已有較多研究，但相關(guān)研究表明，血流動力學(xué)參數(shù)中壁面切應(yīng)力等作用于血管壁與血流速度改變相關(guān)的參數(shù)，可影響動脈粥樣硬化的形成[4]。三維重建可使圖像可視化，具有準(zhǔn)確測量和處理工具，將醫(yī)學(xué)影像圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)模型，用于后續(xù)數(shù)據(jù)研究，處理后的圖像為STL文件保存，進(jìn)行網(wǎng)格操作和血流動力學(xué)參數(shù)計算。應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對血管進(jìn)行模擬計算已非常成熟，有較多可供參考的技術(shù)路線，故可行性較高，以CT掃描圖像為基礎(chǔ)，獲取CTA等數(shù)據(jù)，計算機(jī)程序自動生成冠/矢/橫斷面的圖像，可構(gòu)建真實患者的個體化局部血管模型，基本上可與病變血管形態(tài)學(xué)表現(xiàn)一致，在最大程度上保存了原始病例信息。使用數(shù)值模擬可以對腦梗死相關(guān)信息進(jìn)行定量定性的計算，并且較其他實驗方法具有無創(chuàng)性、真實性及有效性[5]。

1??? 數(shù)值模擬基本步驟

在臨床輔助工作中，影像學(xué)技術(shù)處于不斷發(fā)展中，通過CTA、DSA及MRA等可使病變血管更為準(zhǔn)確地顯示出來[6]。以真實患者掃描圖像為基礎(chǔ)獲取原始圖像數(shù)據(jù)，以DICOM通用格式存儲，采用MIMICS （比利時，Materialise）等通過閾值分割及區(qū)域增長等工具構(gòu)建個體化局部血管幾何模型，在最大程度上保存了基本病例信息。將幾何模型導(dǎo)入圖像處理軟件，可進(jìn)行光滑三角面片網(wǎng)格、網(wǎng)格化分計算和提高、血流動力學(xué)參數(shù)指標(biāo)分析等[6]。默認(rèn)實際全血數(shù)值屬性設(shè)定為層狀血流、牛頓液體，血管壁材料屬性設(shè)置為光滑、無滑移無滲透的剛性管壁[7]。

2??? 數(shù)值模擬分析參數(shù)與動脈粥樣硬化進(jìn)展的關(guān)聯(lián)

動脈血液流動過程中，會對血管壁產(chǎn)生兩個作用力，一個是血液流動時與血管壁平行的摩擦力，即壁面切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）;另一個是與血管壁垂直即使血管壁得以拉伸的作用力，即壁面壓力（wall pressure，WP）[8]。

2.1??? 壁面切應(yīng)力

WSS是血流流動時與管壁內(nèi)腔不斷摩擦所產(chǎn)生的一種作用力[9]。低WSS能導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂致使內(nèi)皮細(xì)胞損傷，主要是通過活性保護(hù)因子分泌減少及分泌血管損傷因子增多[10]。低WSS時，內(nèi)皮細(xì)胞功能失調(diào)同時血液淤滯，導(dǎo)致周邊細(xì)胞吸收致動脈粥樣硬化因子增多，易形成斑塊等病變[11]。高WSS與低WSS引起動脈粥樣硬化的發(fā)生機(jī)制不一樣，有學(xué)者認(rèn)為在低WSS范圍時，部分內(nèi)皮細(xì)胞功能性的障礙和局部炎癥，若伴隨高膽固醇血癥，在低WSS導(dǎo)致動脈重構(gòu)基礎(chǔ)上會使斑塊附近發(fā)生明顯的力學(xué)變化，即臨近斑塊區(qū)域的內(nèi)皮細(xì)胞較正常血管壁上表達(dá)出高水平的WSS，當(dāng)WSS超過一定范圍時，血管內(nèi)皮細(xì)胞更易形成動脈粥樣硬化斑塊[12]。

2.2??? 壁面壓力

WP為血液在流動過程中對血管壁的垂直作用力[13]。WP在正常血管內(nèi)表現(xiàn)為沿血液流動方向降低趨勢;但當(dāng)動脈出現(xiàn)分叉時，在分叉內(nèi)側(cè)會呈現(xiàn)出高范圍的WP。血管分叉處使血液行進(jìn)方向發(fā)生改變，此時血液會受到一個作用力進(jìn)而導(dǎo)致速度發(fā)生變化，WP即為該作用力的反作用力[14]。低范圍的WP與增厚的血管壁緊密聯(lián)系，此區(qū)域更易發(fā)生并促進(jìn)動脈粥樣硬化斑塊等病變的形成，但目前此機(jī)制尚不明確，推斷是因為全血中的促進(jìn)斑塊形成成分（如單核細(xì)胞和脂蛋白）在壓力差的作用下被動遷移至低WP區(qū)，即顯著聚集于壓力驟變部位;同時，不同范圍的WP對動脈內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生不同程度的影響，動脈壓力不穩(wěn)定時，導(dǎo)致斑塊成分再次分布，形成新的聚集區(qū)域[15]。

3??? 應(yīng)用數(shù)值模擬仿真技術(shù)對腦梗死的研究進(jìn)展

影響血管疾病的因素繁多，本研究探討使用數(shù)值模擬技術(shù)分析血管內(nèi)血流動力學(xué)改變情況和血管管壁承受的生物作用力變化，繼而對疾病提供可靠治療方案和達(dá)到有效預(yù)防。

3.1??? 應(yīng)用數(shù)值模擬對動脈血管分叉處病變的研究

年齡、吸煙、高血壓是動脈粥樣硬化等病變形成的高危險因素，但是血管粥樣硬化的發(fā)生仍具有明顯的生物幾何傾向，如血管分支處。相關(guān)研究證實，頸部血管最易發(fā)生粥樣硬化為頸總動脈分叉處，在此區(qū)域表現(xiàn)為較低的WSS與振蕩剪切指數(shù)（oscillation shear index，OSI）[16]。Morbiducci等研究證實，測量頸內(nèi)外動脈分叉處的面積較研究頸動脈球內(nèi)部的復(fù)雜血流作用更能及時可靠地預(yù)測WSS在頸動脈球部的表現(xiàn)情況，離體實驗也表明頸動脈粥樣硬化發(fā)生階段與低范圍內(nèi)的WSS和OSI有緊密關(guān)系[17]。Jia等的研究中，以磁共振MRA真實患者掃描圖像為基礎(chǔ)，構(gòu)建幾何流體模型并分析相關(guān)力學(xué)指標(biāo)參數(shù)得出粥樣硬化區(qū)域伴有紊亂血流與低范圍的WSS[17]。姜宗來等[18]研究提及血流流動形態(tài)特征：當(dāng)動脈管壁處斑塊發(fā)生破裂時，血液流速局部提高出現(xiàn)高范圍WSS。Gijsen等[19]實驗中發(fā)現(xiàn)，冠狀動脈左側(cè)主干分叉處斑塊的形成與高范圍的WSS存在聯(lián)系，這也可能是導(dǎo)致左側(cè)主干處外側(cè)壁頻發(fā)硬化伴斑塊的原因之一。劉玉倩等[21]納入冠狀動脈分叉病變的患者CTA圖像，構(gòu)建出植入虛擬支架前后冠狀動脈流體模型，得出植入支架后，冠狀動脈整體的血液流速降低、壁面剪切應(yīng)力降低[20]。鹿曄等[21]提取動脈粥樣硬化患者CT掃描圖像，得出血管的分叉處血流動力學(xué)參數(shù)具有較大波動變化，在分叉部位會存在極低的切應(yīng)力即極易形成動脈粥樣硬化等病變，在此病變形成后導(dǎo)致分叉遠(yuǎn)心端的力學(xué)環(huán)境發(fā)生較大變化，呈現(xiàn)出極低的切應(yīng)力，形成血管壁的進(jìn)一步惡化。

3.2??? 數(shù)值模擬對腦梗死的研究

李華文等[22]探討早期急性腦梗死患者腦血管血流動力學(xué)改變情況，得出腦血管血流動力學(xué)改變對早期急性腦梗死患者的診斷及病情評估具有重要臨床意義。譚乃杰等[23]得出一旦某支顱內(nèi)外動脈重度狹窄或閉塞時就會發(fā)生血流動力學(xué)障礙，即病變血管內(nèi)血液壓力差明顯增大，血管性側(cè)支通路和吻合血管增粗開放，使病變血管供應(yīng)的腦組織的缺血狀態(tài)得到不同程度的代償，保證大腦的血供。Qiao等[24]進(jìn)行腦梗死組血流動力學(xué)的研究，表明腦梗死組別血管病變處WP明顯增高且血流狀態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)律改變。

4??? 小結(jié)

目前數(shù)值模擬參數(shù)方面的研究，多集中在WSS及WP兩項主流指標(biāo)參數(shù)上，本文分析了高低值WSS的不同作用機(jī)制及高WP導(dǎo)致斑塊形成的可能機(jī)制;在采用數(shù)值模擬技術(shù)分析血管分叉病變上，總結(jié)出極低或較高WSS及高振蕩OSI更易造成該區(qū)域的動脈粥樣硬化斑塊的形成;在腦梗死研究上，表明動脈血管改變（如狹窄或閉塞等）易發(fā)生不穩(wěn)定的血流動力學(xué)變化，從而使腦組織缺血發(fā)生概率增大，與腦梗死形成密切相關(guān)。

數(shù)值模擬分析正在成為研究腦梗死疾病發(fā)生發(fā)展的主要方向，在真實數(shù)據(jù)下進(jìn)行WSS、WP及OSI等血流動力學(xué)參數(shù)指標(biāo)分析，對動脈粥樣硬化及斑塊的形成進(jìn)展有更深一步的認(rèn)識，同時可以結(jié)合臨床檢查與既往病例，對高危險人群提供更進(jìn)一步有效預(yù)防，為延緩及阻止腦梗死相關(guān)疾病的發(fā)展提供新思路。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Luscher TF.Coronary artery disease：risk factors，haemodynamic significance，anatomic complexity，and platelet lipidome[J].Eur Heart J，2017，38（25）：1939-1942.

[2] Younis HF，Kaazempur-Mofrad MR，Chung C，et al. Computational analysis of the effects of exercise on hemodynamics in the carotid bifurcation[J]. Annals of biomed-ical engineering，2003，31（8）：995-1006.

[3] Hohri Yu，Numata Satoshi，Itatani Keiichi，et al. Determination of the dominant arch by computational fluid dynamics analysis using computed tomography images in double aortic arch[J].The International Journal of Cardiovascular Imaging，2021，37（8）：2573-2575.

[4] Gijsen FJ，Wentzel JJ，Thury A，et al.Strain distribution over plaques in human coronary arteries relates to shear stress[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol，2008，295（4）：H1608-1614.

[5] Ismail Bouhout，Walid Ben-Ali，Dori Khalaf，et al. Effect of Fenestration on Fontan Procedure Outcomes：A Meta-Analysis and Review[J].The Annals of Thoracic Surgery，2020，109（5）：1467-1474.

[6] Wang Xinggang，Ge Junbo.Haemodynamics of atherosclerosis：a matter of higher hydrostatic pressure or lower shear stress？[J].Cardiovascular research，2021，117（4）：e57-e59.

[7] Brzegowy Pawel，Kucybala Iwona，Krupa Kamil，et al. Angiographic and clinical results of anterior communicating artery aneurysm endovascular treatment[J]. Wideochirurgia i Inne Techniki Maloinwazyjne Videosurgery and Other Miniinvasive Techniques，2019，14（3）：230-236.

[8] Singh Jaykrishna，Brunner Gerd，Morrisett Joel D，et al. Patient-Specific Flow Descriptors and Normalized wall index in Peripheral Artery Disease：a Preliminary Study[J]. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering.Imaging &visualization，2018，6（2）：188-189.

[9] Boersen JT，Groot JE，Versluis M，et al.Flow and wall shear stress characterization after endovascular aneurysm repair and endovascular aneurysm sealing in an infrarenal aneurysm model[J].J Vasc Surg，2017，66（6）：44-53.

[10] Zhong HuaSun，Lei Xu.Computational fluid dynamics in coronary artery disease[J].Computerized Medical Imaging and Graphics，2014，38（8）：651-663.

[11] S. Lehoux. Molecular mechanisms of the vascular repsonses to haemodynamic forces[J]Artery Research，2019，5（4）：381-392.

[12] Cicha Iwona，Beronov Kamen，Ramirez Efrain Lopez，et al. Shear stress preconditioning modulates endothelial susceptibility to circulating TNF-alpha and monocytic cell recruitment in a simplified model of arterial bifurcations[J]. Atherosclerosis，2009，207（1）：93-102.

[13]趙雪梅，徼紅陽，張曉瑋，等.冠狀動脈CT血管造影結(jié)合計算流體力學(xué)方法評估冠狀動脈血流動力學(xué)變化的價值[J].實用老年醫(yī)學(xué)，2019，33（3）：245-248，252.

[14] Guruchandrasekar Sanchitha H，Dakin Hannah， Kadochi Musunkumuki，et al.Pre-Fontan Carc Catheterization Data as a Predictor of Prolonged Hospital Stay and Post-Discharge Adverse Outcomes Following the Fontan Procedure：A Single-Center Study[J].Pediatric cardiology，2020，41（8）：1697-1703.

[15]姚文瑛，許松林，吳云，等.基于計算流體力學(xué)的血液和血栓通過靜脈瓣時流動分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2020，60（4）：339-348.

[16] Morbiducci U，Kok AM，Kwak BR，et al.Atherosclerosis at arterial bifurcations：evidence for the role of haemodynamics and geometry[J].Thromb Haemost，2016，115（3）：484-492.

[17] Jia Q，Liu H，Li Y，et al.Combination of magnetic resonance angiography and computational fluid dynamics may predict the risk of stroke in patients with asymptomatic carotid plaques[J].Med Sci Monit，2017，23：479-488.

[18]姜宗來，鄧小燕.心血管系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].透析與人工器官，2011，22（3）：32-46.

[19] Gijsen FJ，Schuurbiers JC，van de Giessen AG，et al. 3D reconstruction techniques of human coronary bifurcations for shear stress computations[J]. J Biomech，2014，47（1）：39-43.

[20]劉玉倩，伍珩，李萌，等.冠狀動脈分叉病變單支架植入術(shù)后血流動力學(xué)分析[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2019，38（6）：583-589.

[21]鹿曄，張樹生.基于CFD的血管病變部位血流流變特性分析[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，41 ⑴：148-152.

[22]李華文，廖洪通，鄒達(dá)良，等.早期急性腦梗死患者腦血管造影血流動力學(xué)改變的臨床研究[J].臨床醫(yī)學(xué)工程，2021，28（8）：1051-1052.

[23]譚乃杰，孫天蛟.TCD評估腦動脈狹窄血流動力學(xué)的研究進(jìn)展[J].中國城鄉(xiāng)企業(yè)衛(wèi)生，2019，34（6）：69-72.

[24] Qiao Yonghui，Mao Le，Ding Ying，et al. Hemodynamic consequences of TEVAR with in situ double fenestrations of left carotid artery and left subclavian artery[J].Medical engineering &Physics，2020，76：32-39.