血流动力学标志物：基于计算流体动力学的脑动脉瘤破裂风险预测

《Vascular Pharmacology》：Hemodynamic markers: CFD-based prediction of cerebral aneurysm rupture risk

基于MRA数据的血流动力学分析可有效预测颅内动脉瘤破裂风险，通过构建患者特异性计算模型，量化 wall shear stress (WSS)、time-averaged WSS (TAWSS)、oscillatory shear index (OSI)、relative residence time (RRT) 和 endothelial cell activation potential (ECAP) 等生物标志物，发现稳定型与破裂型动脉瘤在血流动力学特征上存在显著差异：稳定型具有较高剪切应力与较低的振荡性/驻留时间指标，而破裂型呈现低剪切环境、强振荡血流及内皮激活现象。

　　

Reza Bozorgpour

威斯康星大学密尔沃基分校生物医学工程系，美国威斯康星州密尔沃基市

摘要

预测哪些颅内动脉瘤会进展到破裂状态仍然是神经外科实践中的一个主要未满足需求。传统的成像技术对作用于动脉瘤壁的血流动力学的了解有限，然而这些力量在其长期稳定性中起着核心作用。为了解决这一限制，我们开发了一个针对患者的计算流程，能够将常规的MRA数据转换为详细的动脉瘤血流动力学图谱。该工具直接从成像数据中重建血管几何结构，并量化与破裂风险相关的血流动力学生物标志物，使临床医生能够获取仅通过结构成像无法看到的生理学上有意义的信息。

利用这一框架，我们分析了六个具有已知纵向结果的动脉瘤病例，以确定后来破裂的病变与保持稳定的病变之间的基线血流条件是否存在差异。高分辨率的CFD模拟用于计算壁面剪切应力（WSS）、时间平均壁面剪切应力（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）和内皮细胞激活潜力（ECAP）。研究发现了不同的血流动力学模式：保持稳定的动脉瘤表现出较高的WSS/TAWSS和较低的OSI/RRT，而最终破裂的动脉瘤则表现出较低的剪切环境、较强的振荡流动和更高的内皮细胞激活。OSI和RRT升高的区域通常与涡旋核心重合，这表明可能存在局部血流扰动，这些扰动可能是动脉瘤壁脆弱性的早期指标。

这些结果表明，临床获取的MRA数据结合专用的计算工具，可以揭示预测未来动脉瘤行为的基线血流动力学特征。这种方法提供了一种非侵入性的、基于成像的技术，以支持临床决策、优化监测策略，并改善颅内动脉瘤患者的个性化管理。

引言

当颅内动脉壁的部分区域变弱并向外膨胀时，就会形成脑动脉瘤，这些病变具有较高的破裂风险。这些病变最常见于主要动脉的分叉处，尤其是在Willis环区域，该区域以复杂的血流模式和血管壁上的高应力为特征[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。

脑动脉瘤对公共卫生构成了严重挑战，因为它们的存在会严重扰乱患者的身体健康和心理稳定。主要问题在于它们有破裂的潜在风险；这种后果与较高的死亡率和长期残疾率相关[[9], [10], [11], [12], [13]]。动脉瘤破裂会导致蛛网膜下腔出血，这是一种急性神经系统急症，常常会引发脑积水、血管痉挛、再次出血或缺血性损伤等并发症。这些继发性状况可能导致严重的神经功能缺损、认知能力下降，甚至不可逆的残疾或死亡，因此迫切需要有效的临床评估和管理策略[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。

颅内动脉瘤破裂的风险源于内在的生物学特性和外部或行为因素的综合作用。一些不可改变的因素，如年龄增长、女性性别和遗传倾向，已被广泛认为是动脉瘤发生的促成因素；老年人、女性或有家族病史的人更容易受到影响。相比之下，一些风险决定因素源于可改变的健康行为和医疗状况。高血压会增加血管壁的机械负荷，而吸烟和过量饮酒则会促进血管损伤和炎症反应。这些可改变的因素共同增加了动脉瘤形成、扩大和破裂的易感性[2,[21], [22], [23]]。

识别出更有可能发生动脉瘤破裂的个体至关重要，因为早期识别可以使临床医生在出现危及生命的并发症之前进行干预。尽管颅内动脉瘤可以发生在所有人群中，但某些特征显著增加了这种风险。年龄增长、女性性别、阳性家族病史以及高血压或动脉硬化等合并症都与动脉瘤形成和破裂的风险增加有关[[24], [25], [26], [27]]。除了患者层面的因素外，动脉瘤本身的特征——包括其解剖位置、几何形状以及作用于血管壁的血流力——也是决定破裂风险的主要因素[[28], [29], [30], [31], [32]]。动脉瘤穹顶的壁通常由于失去了必要的弹性成分和平滑肌成分而结构完整性下降，使其在受到不利血流动力负荷时特别容易发生故障[2,23,30,[33], [34], [35], [36]]。

动脉瘤研究的一个新趋势是将血流动力学置于讨论的中心，探讨脑动脉瘤为何形成、扩大并最终破裂。最近的研究不再仅仅从解剖学或临床角度来研究这些病变，而是越来越强调脑血管内血流所创造的机械环境[30,[37], [38], [39]]。血流动力学力量，即血液流经动脉时产生的应力和流动行为，现在被认为是疾病过程的基本促成因素。

在众多研究的血流动力学指标中，WSS（壁面剪切应力）受到了最多的关注。WSS代表沿血管壁施加的摩擦力，异常水平的WSS似乎以多种方式影响动脉瘤的生物学特性。高水平的WSS与内皮损伤和随后的炎症活动有关，这可能引发血管壁的初始弱化，而长期低水平的WSS则与结构疲劳和渐进性壁退化相关，为动脉瘤的扩大和破裂创造了条件[37,[40], [41], [42]]。除了WSS之外，研究人员还研究了包括局部压力分布、动脉瘤内的流速和特征性流动模式在内的各种与流动相关的变量，以确定它们在动脉瘤行为中的作用[[43], [44], [45]]。计算流体动力学在这一领域发挥了特别重要的作用，提供了详细的数值重建，揭示了动脉瘤几何结构如何与动态血流力量相互作用[46,47]。

尽管在识别与动脉瘤不稳定性相关的因素方面取得了显著进展，但可靠地确定哪些脑动脉瘤可能会破裂仍然是一个重大的临床挑战。目前的评估仍然主要依赖于动脉瘤的直径，假设较大的病变具有更高的破裂风险。此外，还考虑了动脉瘤的位置、其几何形状以及患者的医疗背景等因素，但这些因素的预测能力各不相同，且往往不确定。

鉴于目前仍无法确定哪些动脉瘤最有可能破裂，迫切需要工具能够在临床干预之前将患者的成像数据转化为有意义的血流动力学信息。考虑到这些限制，本研究介绍了一个针对患者的计算框架，旨在直接从常规获取的血管图像中量化关键的血流相关生物标志物。通过将高保真的CFD分析与WSS、TAWSS、OSI、RRT和ECAP等临床相关指标相结合，本研究旨在区分稳定和不稳定动脉瘤状态的血流动力学差异，并识别可能预示即将破裂的流动特征。这项研究的总体目标是提供一种非侵入性的、基于成像的决策支持工具，以增强对脑动脉瘤患者的破裂风险评估，并指导个性化治疗计划。

方法与材料

本研究使用了六个真实的患者特异性颅内动脉瘤病例；所有病例均来自德黑兰医科大学，并以完全去标识化的格式提供。每个血管几何结构都是从磁共振血管造影（MRA）数据集中重建的。在这些患者中，有三个动脉瘤保持稳定，而另外三个在大约12个月的第二次临床随访期间发生了破裂。由于成像数据集在之前已经完全匿名化

结果

在本节中，我们分析了关键的血流动力学参数，包括流线、流速大小、WSS、TAWSS和OSI。如前所述，我们的研究关注六个具有已知动脉瘤破裂状态的患者特异性血管几何结构。为了清晰起见，我们使用U表示未破裂的动脉瘤，R表示破裂的动脉瘤。例如，45U指的是45岁的未破裂动脉瘤患者，而64R表示64岁的破裂动脉瘤患者。

讨论

在本研究中，我们使用WSS、TAWSS、OSI、RRT和ECAP等关键生物标志物来检测未破裂和破裂的颅内动脉瘤之间的血流动力学差异。我们的目标是评估这些由流动派生的参数如何区分稳定的动脉瘤和最终破裂的动脉瘤，并在临床背景下解释这些发现。

前三例（图7、图8、图9）代表未破裂的动脉瘤，这些病例一致表现出较高的WSS和TAWSS值。

结论

本研究提出了一个针对患者的数值工具，旨在将常规临床MRA数据转换为定量血流动力学生物标志物，以帮助预测动脉瘤在未来随访中是否可能破裂。通过分析仅通过纵向观察得知结果的病例，我们发现初次成像时存在的流动模式已经包含了未来不稳定性的独特特征。后来破裂的动脉瘤表现出较低的WSS和TAWSS

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提高内容的可读性和语言清晰度（例如语法、简洁性、风格）。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Reza Bozorgpour：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，验证，监督，软件开发，资源管理，项目管理，方法论，研究设计，数据分析，概念化。

伦理声明

由于本研究基于公开可用的数据，因此不需要伦理批准和同意。

资金来源

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

无。