支架诱导动脉瘤变形的血流动力学响应：基于患者特异性颈内动脉模型的计算研究

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

本研究针对颅内动脉瘤支架治疗后血管几何形态改变对血流动力学的影响，通过计算流体动力学(CFD)方法，对五种患者特异性颈内动脉(ICA)动脉瘤模型进行模拟分析。研究系统评估了支架诱导的血管变形对壁面剪应力(WSS)、振荡剪切指数(OSI)和血流速度等关键血流动力学参数的影响，揭示了不同动脉瘤形态对支架植入的血流响应存在显著差异，强调了患者特异性计算模型在指导个性化治疗方案中的重要意义。

　　

在大脑的深处，颈内动脉如同精密的生命管道，为大脑输送着必需的氧气和养分。然而，这条通道上有时会出现脆弱的气球状突起——颅内动脉瘤，它们如同隐藏在脑血管中的"不定时炸弹"，一旦破裂就会导致致命的蛛网膜下腔出血。尽管血管内支架植入术已成为治疗这类动脉瘤的常用方法，但支架在撑开血管的同时也会引起血管几何形态的改变，这种"支架诱导的变形"如何影响动脉瘤内的血流环境，一直是临床医生和研究人员关注的焦点。

传统的医学影像技术难以捕捉到动脉瘤内部复杂的血流变化，而计算流体动力学(CFD)技术为此提供了全新的视角。正如发表在《Scientific Reports》上的这项研究所示，科学家们通过计算机模拟，成功揭示了支架治疗背后隐藏的血流动力学奥秘。

研究团队采用了五种真实的患者颈内动脉瘤模型，通过高精度的几何重建和CFD模拟，系统分析了血管变形对动脉瘤内血流环境的影响。他们发现，不同的动脉瘤形态对支架植入的血流动力学响应存在显著差异：有些动脉瘤在支架植入后血流变得更加稳定，而有些则可能出现血流动力学的恶化。这一发现打破了"一刀切"的治疗观念，强调了个性化治疗的重要性。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术：基于患者医学影像数据的血管几何重建技术、计算流体动力学(CFD)模拟方法（使用OpenFOAM软件）、非牛顿血液流变学模型（Casson模型）、网格独立性验证以及多种血流动力学参数（如WSS、OSI）的定量分析。所有动脉瘤模型均来自Aneurisk网络项目的临床数据集。

模型选择与几何重建

研究选取了五个具有不同形态特征的颈内动脉瘤病例，患者年龄分布在47-89岁之间。通过三维旋转血管造影图像重建出真实的血管几何模型，并模拟了支架植入可能引起的血管弯曲变形。每个病例都设置了三种不同的血管弯曲角度，以模拟不同程度的支架诱导变形。

计算模型与控制方程

血液被模拟为不可压缩的非牛顿流体，采用Casson模型描述血液的流变特性。血管壁假设为刚性，忽略了流固耦合效应，以便专注于几何变形对血流的影响。模拟使用Navier-Stokes方程描述血流运动，并采用合适的数值方法进行求解。

网格生成与独立性验证

计算网格采用四面体或多面体单元，在动脉瘤囊和开口等关键区域进行局部加密。通过网格独立性验证，确定了合适的网格密度，确保计算结果的准确性。

壁面剪应力(WSS)的变化

研究结果显示，支架诱导的血管变形显著影响了动脉瘤壁面的剪应力分布。模型A和模型C在血管变形后WSS明显增加，而模型D则出现下降趋势。特别值得注意的是模型C，其初始WSS值最高（约7.47 Pa），在第一次变形后进一步增加至8.30 Pa，表明该模型对几何变化最为敏感。

压力分布的影响

与WSS相比，压力分布在血管变形过程中变化相对较小。模型A和模型B的压力值基本保持稳定，而模型C则显示出一定的下降趋势。这表明支架诱导的变形对动脉瘤内的压力环境影响有限，主要的血流动力学变化体现在剪应力方面。

振荡剪切指数(OSI)的响应

OSI是评估血流不稳定性的重要指标，高OSI值通常与病理性的血流环境相关。研究发现，模型A在血管变形后OSI显著增加（从0.355升至0.468），表明血流不稳定性增强；而模型C则出现明显下降（从0.059降至0.017），提示血流环境趋于稳定。

血流结构的变化

通过等值面可视化可以清晰观察到血管变形对血流结构的显著影响。在模型C中，随着血管弯曲度的增加，动脉瘤内的涡流结构发生明显改变，血流冲击区域发生转移，这直接影响了WSS的分布模式。

速度场重新分布

血管变形对血流速度的影响具有模型特异性。模型A的速度值虽然绝对值较小，但相对增加了145.75%；而模型D和模型E则出现显著下降，最大降幅分别达到78.59%和24.42%。这种差异反映了不同动脉瘤几何形态对血流重定向的不同响应。

模型特定的血流动力学响应进一步揭示了几何形态的重要性。模型D随着血管弯曲度的增加，轴向速度逐渐降低，血流冲击区域从动脉瘤顶部转移；而模型E则表现出流入射流的明显重定向和不对称速度场的形成。

研究的结论部分明确指出，动脉瘤的几何形态在决定支架治疗的血流动力学效果方面起着关键作用。不同模型对支架诱导变形的响应差异显著：模型A出现WSS和OSI的增加，表明血流不稳定性增强；模型B保持相对稳定，对变形不敏感；模型C则显示出OSI和速度的降低，提示血流环境趋于稳定；模型D和模型E都表现出血流重分布和速度衰减的特征。

这些发现具有重要的临床意义。首先，它们强调了基于患者特异性几何形态进行治疗前模拟的必要性，这有助于预测支架植入后可能出现的血流动力学变化。其次，研究结果为个性化支架设计和植入策略的优化提供了理论依据，有望提高治疗效果并降低并发症风险。最后，该研究建立的计算框架为后续更复杂的血流-结构相互作用研究奠定了基础。

尽管该研究存在一些局限性，如样本量有限、忽略血管壁顺应性等，但其揭示的几何形态与血流动力学响应之间的关系为颅内动脉瘤的个性化治疗提供了新的视角。随着计算模型的不断完善和临床数据的积累，这种基于患者特异性的模拟方法有望成为神经介入治疗规划的标准工具，最终实现"量体裁衣"式的精准医疗。