支架誘導動脈瘤變形的血流動力學響應：基于患者特異性頸內動脈模型的計算研究

《Scientific Reports》：Hemodynamic response to stent-induced aneurysm deformation in patient-specific internal carotid artery cases: A computational study

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Scientific Reports 3.9

　　

在大腦的深處，頸內動脈如同精密的生命管道，為大腦輸送著必需的氧氣和養分。然而，這條通道上有時會出現脆弱的氣球狀突起——顱內動脈瘤，它們如同隱藏在腦血管中的"不定時炸彈"，一旦破裂就會導致致命的蛛網膜下腔出血。盡管血管內支架植入術已成為治療這類動脈瘤的常用方法，但支架在撐開血管的同時也會引起血管幾何形態的改變，這種"支架誘導的變形"如何影響動脈瘤內的血流環境，一直是臨床醫生和研究人員關注的焦點。

傳統的醫學影像技術難以捕捉到動脈瘤內部復雜的血流變化，而計算流體動力學(CFD)技術為此提供了全新的視角。正如發表在《Scientific Reports》上的這項研究所示，科學家們通過計算機模擬，成功揭示了支架治療背后隱藏的血流動力學奧秘。

研究團隊采用了五種真實的患者頸內動脈瘤模型，通過高精度的幾何重建和CFD模擬，系統分析了血管變形對動脈瘤內血流環境的影響。他們發現，不同的動脈瘤形態對支架植入的血流動力學響應存在顯著差異：有些動脈瘤在支架植入后血流變得更加穩定，而有些則可能出現血流動力學的惡化。這一發現打破了"一刀切"的治療觀念，強調了個性化治療的重要性。

為了開展這項研究，研究人員主要采用了以下幾項關鍵技術：基于患者醫學影像數據的血管幾何重建技術、計算流體動力學(CFD)模擬方法（使用OpenFOAM軟件）、非牛頓血液流變學模型（Casson模型）、網格獨立性驗證以及多種血流動力學參數（如WSS、OSI）的定量分析。所有動脈瘤模型均來自Aneurisk網絡項目的臨床數據集。

模型選擇與幾何重建

研究選取了五個具有不同形態特征的頸內動脈瘤病例，患者年齡分布在47-89歲之間。通過三維旋轉血管造影圖像重建出真實的血管幾何模型，并模擬了支架植入可能引起的血管彎曲變形。每個病例都設置了三種不同的血管彎曲角度，以模擬不同程度的支架誘導變形。

計算模型與控制方程

血液被模擬為不可壓縮的非牛頓流體，采用Casson模型描述血液的流變特性。血管壁假設為剛性，忽略了流固耦合效應，以便專注于幾何變形對血流的影響。模擬使用Navier-Stokes方程描述血流運動，并采用合適的數值方法進行求解。

網格生成與獨立性驗證

計算網格采用四面體或多面體單元，在動脈瘤囊和開口等關鍵區域進行局部加密。通過網格獨立性驗證，確定了合適的網格密度，確保計算結果的準確性。

壁面剪應力(WSS)的變化

研究結果顯示，支架誘導的血管變形顯著影響了動脈瘤壁面的剪應力分布。模型A和模型C在血管變形后WSS明顯增加，而模型D則出現下降趨勢。特別值得注意的是模型C，其初始WSS值最高（約7.47 Pa），在第一次變形后進一步增加至8.30 Pa，表明該模型對幾何變化最為敏感。

壓力分布的影響

與WSS相比，壓力分布在血管變形過程中變化相對較小。模型A和模型B的壓力值基本保持穩定，而模型C則顯示出一定的下降趨勢。這表明支架誘導的變形對動脈瘤內的壓力環境影響有限，主要的血流動力學變化體現在剪應力方面。

振蕩剪切指數(OSI)的響應

OSI是評估血流不穩定性的重要指標，高OSI值通常與病理性的血流環境相關。研究發現，模型A在血管變形后OSI顯著增加（從0.355升至0.468），表明血流不穩定性增強；而模型C則出現明顯下降（從0.059降至0.017），提示血流環境趨于穩定。

血流結構的變化

通過等值面可視化可以清晰觀察到血管變形對血流結構的顯著影響。在模型C中，隨著血管彎曲度的增加，動脈瘤內的渦流結構發生明顯改變，血流沖擊區域發生轉移，這直接影響了WSS的分布模式。

速度場重新分布

血管變形對血流速度的影響具有模型特異性。模型A的速度值雖然絕對值較小，但相對增加了145.75%；而模型D和模型E則出現顯著下降，最大降幅分別達到78.59%和24.42%。這種差異反映了不同動脈瘤幾何形態對血流重定向的不同響應。

模型特定的血流動力學響應進一步揭示了幾何形態的重要性。模型D隨著血管彎曲度的增加，軸向速度逐漸降低，血流沖擊區域從動脈瘤頂部轉移；而模型E則表現出流入射流的明顯重定向和不對稱速度場的形成。

研究的結論部分明確指出，動脈瘤的幾何形態在決定支架治療的血流動力學效果方面起著關鍵作用。不同模型對支架誘導變形的響應差異顯著：模型A出現WSS和OSI的增加，表明血流不穩定性增強；模型B保持相對穩定，對變形不敏感；模型C則顯示出OSI和速度的降低，提示血流環境趨于穩定；模型D和模型E都表現出血流重分布和速度衰減的特征。

這些發現具有重要的臨床意義。首先，它們強調了基于患者特異性幾何形態進行治療前模擬的必要性，這有助于預測支架植入后可能出現的血流動力學變化。其次，研究結果為個性化支架設計和植入策略的優化提供了理論依據，有望提高治療效果并降低并發癥風險。最后，該研究建立的計算框架為后續更復雜的血流-結構相互作用研究奠定了基礎。

盡管該研究存在一些局限性，如樣本量有限、忽略血管壁順應性等，但其揭示的幾何形態與血流動力學響應之間的關系為顱內動脈瘤的個性化治療提供了新的視角。隨著計算模型的不斷完善和臨床數據的積累，這種基于患者特異性的模擬方法有望成為神經介入治療規劃的標準工具，最終實現"量體裁衣"式的精準醫療。