【中华神外】2016年第三期“临床论著”| 后交通动脉主干动脉瘤的血流动力学特点分析
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今天刊登的是张莹、荆林凯、刘健、范吉星、张义森、穆士卿、杨新健在《中华神经外科杂志》2016年第三期上发表的《后交通动脉主干动脉瘤的血流动力学特点分析》，欢迎阅读。
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后交通动脉（posterior communicating artery，PCoA）动脉瘤的发生率占颅内动脉瘤的15％～25％，是最常见的颅内动脉瘤之一[1-2]。对颅内动脉瘤的自然史研究发现，PCoA动脉瘤具有更高的破裂率，然而其破裂机制仍不明确[3]。研究发现，血流动力学因素在颅内动脉瘤发生、生长等过程中具有重要作用[4-6]。其中破裂和未破裂PCoA动脉瘤的血流动力学因素存在很大差异[1，7]，低壁面切应力（wall shear stress，WSS）与破裂动脉瘤密切相关[1，8]，低WSS被认为与局部动脉瘤壁的炎性病理学改变--瘤壁持续退化变薄密切相关，其可以提示颅内动脉瘤的破裂风险[5-6]。PCoA主干动脉瘤是瘤颈完全位于PCoA上的颅内动脉瘤[2]，占PCoA动脉瘤的4.6％～10.9％。临床观察发现，PCoA主干动脉瘤与颈内动脉（internal carotid，ICA）PCoA动脉瘤相比，具有更高的破裂风险[2]。本文研究PCoA主干动脉瘤的血流动力学特点，并对比ICA-PCoA动脉瘤，寻找与其破裂相关的血流动力学机制。
资料与方法
1. 病例来源
回顾性分析首都医科大学附属北京天坛医院神经介入科2014年1月至2015年6月经治的PCoA主干动脉瘤患者15例（11例破裂，4例未破裂，简称PCoA主干组，图1A）。
入选标准：
①囊性颅内动脉瘤；
②数字减影血管造影（DSA）影像经3名神经影像科医生判定为动脉瘤颈独立位于PCoA上。
其中男4例，女11例；年龄为41～76岁，平均（58.9±11.6）岁。
选取同一时间段的大小近似、破裂状态相同的ICA-PCoA动脉瘤患者15例为配对对照组（简称对照组，图1B）。
入选标准：
①囊性颅内动脉瘤；
②瘤颈骑跨ICA-PCoA；
③大小、瘤颈宽度与PCoA主干组配对患者分别相差＜1mm；
④破裂状态与PCoA主干组配对患者一致。
其中男1例，女14例；年龄为48～77岁，平均（57.5±8.4）岁。两组的年龄、性别、吸烟史、饮酒史、高血压比较，差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。
PCoA主干组和对照组均排除夹层或者梭形动脉瘤及与动静脉畸形或瘘有关的动脉瘤。本研究已取得首都医科大学附属北京天坛医院伦理审查委员会的批准。
图1. 后交通动脉主干动脉瘤患者及与其配对的颈内动脉-后交通动脉动脉瘤患者的三维DSA影像。A. 后交通动脉主干动脉瘤（箭头示）；B. 颈内动脉-后交通动脉动脉瘤（箭头示）。
表1. 两组动脉瘤患者基本临床资料比较。
2. 三维血流动力学数值模拟分析
①数值模拟的硬件及软件：计算机为特别配置的惠普Z820图形工作站。主要软件有：Matlab、Geomagic、Ansys、Photoshop等。
②假设前提：采用三维数值模拟，不考虑能量方程。同时假定重力不计，控制流动的基本方程是不可压缩流体连续性方程和Navier-Stokes方程。颅内动脉的雷诺数（Re）在层流范围内，不考虑血液的非牛顿特性，血液的黏性系数为常数，取为0.004Pa·s，密度为1060kg／m3。将血管壁和动脉瘤壁设为刚性壁，动脉瘤壁厚度一致。
③数值模拟和流体分析：行三维DSA获取动脉瘤三维数据，并运用Matlab、Geomagic进一步处理，去掉不重要的小分支。运用ANSYS ICEM软件进行三维体网格划分。为兼顾计算的精度和效率，本研究划分的网格数量＞1百万个。运用ANSYS CFX软件进行流体分析计算，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并迭合Womersley脉动流速度廓线，出口条件设定为自由流动出口。初始速度和压力设为0，每个心动周期被划分为800步，每步的时间为0.001s。计算2个心动周期后，取第2个心动周期计算所得的数值进行分析。
④相关参数数据采集：运用ANSYS CFX软件结合Matlab进行图像显示和数据采集。采集并计算的血流动力学相关因素为：
WSS：对心动周期内WSS进行时间平均处理后，为获得不依赖于入口设置条件的值，以动脉瘤的WSS／ICA虹吸段载瘤动脉的WSS，最终获得比值作为归一化的WSS[10]；
壁面切应力震荡因子（oscillatory shear index，OSI）；
低壁面切应力面积百分比（low wall shear stress area，LSA）[9]。
3. 统计学方法
结果
1. PCoA主干组和对照组动脉瘤血流流动模式对比
PCoA主干组动脉瘤符合侧方动脉瘤的血流流动模式（图2A）：血流从瘤颈口一侧进入瘤内，沿着瘤周壁形成一个涡流，再从对侧瘤颈口回流至远端PCoA中；而对照组ICA-PCoA动脉瘤符合分叉处动脉瘤的血流流动模式（图2B）：血流从ICA直接冲击入瘤内，沿瘤周壁形成多个涡流，后同时回流至远端ICA和PCoA中。
图2. 应用三维血流动力学数值模拟分析颅内动脉瘤的血流流动模式（不同颜色代表收缩期峰值从颈内动脉入口发出的血流流线轨迹和流速大小）。A. 为后交通动脉主干动脉瘤组，血流从瘤颈口一侧进入瘤内，沿着瘤周壁形成一个涡流，再从对侧瘤颈口回流至远端后交通动脉（箭头示）；B. 为颈内动脉-后交通动脉动脉瘤（对照组），血流从颈内动脉直接冲击入瘤内，沿瘤周壁形成多个涡流。后同时回流至远端颈内动脉（长箭头示）和后交通动脉（单箭头示）。
2. PCoA主干组和对照组动脉瘤血流动力学参数对比（表2，图3）
PCoA主干组WSS低于对照组，LSA高于对照组，差异有统计学意义（P＝0.022，P＝0.008）。两组平均OSI差异无统计学意义（P＝0.411）。
表2. PCoA主干组和对照组患者动脉瘤的血流动力学参数比较（`X±s）。
图3. 应用三维血流动脉力学数值模拟分析颅内动脉瘤壁面切应力（WSS）（不同颜色代表各部位心动周期内时间平均WSS值）。A. 后交通动脉主干动脉瘤上具有较多面积的深蓝色低WSS区（箭头示）；B. 颈内动脉-后交通动脉动脉瘤上为大面积黄绿色偏高WSS区（箭头示）。
3. 破裂组和未破裂组动脉瘤的血流动力学参数对比（表3）
与未破裂组比较，破裂组动脉瘤的平均WSS降低，LSA升高，差异有统计学意义（P＜0.001和P＝0.006）。两组平均OSI分别为（0.0234 ±0.0054）和（0.0091±0.0027），差异无统计学意义（P＝0.132）。
表3. 破裂组和未破裂组动脉瘤的血流动力学参数对比（`X±s）。
讨论
PCoA动脉瘤被临床医生认为具有高破裂风险，然而各研究中心报道的与其破裂的相关因素（包括年龄、性别、动脉瘤的大小和形状等）结果不甚一致[1]。已有研究发现，颅内动脉瘤破裂与血流动力学因素密切相关[1,5-6,10]。Zhang等[1]回顾性收集了173例单发PCoA动脉瘤患者（108例破裂，65例未破裂），并进行了血流动力学数值模拟分析，其多元Logistic回归分析结果显示，低WSS是PCoA动脉瘤破裂相关的独立风险因子之一。Takao等[10]前瞻性随访观察50例未破裂PCoA动脉瘤患者，最终发现有6例发生了蛛网膜下腔出血。他们将最终破裂组和未破裂组入组时的血流动力学因素进行对比分析，发现最初具有较低的WSS的未破裂动脉瘤容易发生破裂，而且破裂后WSS变得更低。
PCoA主干动脉瘤与ICA-PCoA动脉瘤相比具有更高的破裂风险，为解释该临床现象，本研究对PCoA主干动脉瘤进行了血流动力学数值模拟分析，并选择大小相同的ICA-PCoA动脉瘤作为配对对照组进行对比分析。结果发现，低WSS和高LSA是PCoA主干动脉瘤区别于ICA-PCoA动脉瘤的显著特征。而对其中破裂组和未破裂组的进一步对比分析发现，破裂动脉瘤具有更低的WSS和更高的LSA。
低WSS由血液流动缓滞状态造成。ICA-PCoA动脉瘤符合分叉处动脉瘤的血流流动模式[11]，其入瘤血流直接来自于直径粗大的ICA；而PCoA主干动脉瘤则符合侧方动脉瘤的血流流动模式[4]，其入瘤血流单独来自于直径已大大减小 50 30670 50 15535 0 0 2410 0 0:00:12 0:00:06 0:00:06 3183PCoA，导致瘤内血流流动相对缓慢，动脉瘤壁上WSS明显减小。过低的WSS会使动脉瘤壁内皮细胞间隙破坏[1,6]，抗氧化和抗炎性介质调节失常，内皮细胞发生重塑，甚至细胞变性、凋亡；同时一氧化氮释放不足，血管内膜表面红细胞、血小板和粒细胞聚集和黏附，引发内膜损伤、小血栓形成、白细胞和纤维蛋白浸润等血管壁炎性效应，导致局部动脉瘤壁处于持续退化变薄的病理学改变中，最终将造成动脉瘤破裂[1,6]。
血流动力学模拟分析的一些条件设定比如刚性壁、牛顿流体等尚不能做到与真实的颅内血管特征完全一致。但由于具有无创性、直观性、有效性等显著优点，仍被认为是研究颅内动脉瘤的一项重要工具。本研究有助于协助神经外科医生更好地认识和了解PCoA主干动脉瘤及其破裂机制，由于该类型动脉瘤的特殊血流动力学特点，建议临床医生积极行外科手术干预。
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