基于CTA的计算流体动力学研究中大脑中动脉动脉瘤破裂点的血流动力学特征与术中相关性分析

《Frontiers in Neurology》：Hemodynamic characteristics at rupture sites of middle cerebral artery aneurysms: a CFD study with intraoperative correlation

　　

专业术语翻译摘要 目的： 利用CT血管造影（CTA）为基础的计算流体动力学（CFD），在大脑中动脉动脉瘤（MCAAs）中，表征经术中确认的破裂点相对于动脉瘤囊和载瘤动脉的血流动力学环境。 材料与方法： 对15例破裂MCAAs患者的术前CTA数据进行三维重建。研究人员在刚性壁和牛顿流体假设下进行瞬态CFD模拟，计算时间平均壁面剪切应力（TAWSS）、振荡剪切指数（OSI）、压力和流线。破裂区域由术中确认。术前CTA重建或手术中均未发现子囊、泡状突起或次级分叶。采用Friedman检验和Bonferroni校正后的配对Wilcoxon符号秩检验（p < 0.0167）比较三个位置的参数。 结果： TAWSS从载瘤动脉（中位数9.97 Pa）到动脉瘤囊（4.58 Pa）再到破裂点（2.14 Pa）呈单调递减（所有配对p ≤ 0.003）。破裂点的OSI显著高于动脉瘤囊和载瘤动脉（p = 0.0003 和 0.0002），而后两者之间无差异（p = 0.252）。破裂点和动脉瘤囊的压力均高于载瘤动脉（p = 0.005 和 0.009），但前两者之间无差异（p = 0.027）。所有三个参数的Friedman检验均显著（TAWSS: p < 0.0001; OSI: p = 0.0004; 压力: p = 0.0011）。破裂区域在空间上与动脉瘤囊的低TAWSS和高OSI区域重合：15例患者中有14例的破裂点TAWSS低于囊内TAWSS，15例中有13例的破裂点OSI超过囊内OSI。 结论： 基于CTA的CFD揭示了破裂区域、动脉瘤囊和载瘤动脉之间TAWSS和OSI的区域级差异。TAWSS和OSI（而非压力）在破裂点和动脉瘤囊之间存在差异，表明低TAWSS和高OSI（而非升高的压力）是破裂点的特征。

论文解读文章

1. 研究背景与目的

颅内动脉瘤（IAs）是脑动脉壁的局灶性扩张，其破裂导致蛛网膜下腔出血（SAH），死亡率高达33-50%。血流动力学力在动脉瘤的形成、生长和破裂中扮演核心角色。然而，以往的大多数研究将整个动脉瘤作为一个整体进行分析，导致血流动力学指标在囊内被平均化，这可能是研究结果不一致的原因之一。例如，一些研究报告破裂动脉瘤的壁面剪切应力（WSS）较低，而另一些则发现最大WSS较高。已有研究表明，低WSS和高振荡剪切指数（OSI）是囊体本身和中心区域的普遍特征，而非破裂的特异性标志。因此，若要揭示破裂的血流动力学特征，必须将其定位到破裂点本身。少数针对术中确认破裂点的研究结论不一，有的发现破裂点位于低WSS区，有的则认为位于压力最大值或冲击区。为此，本研究旨在通过同一患者内部的配对分析，在一个解剖学同质的亚组——破裂的大脑动脉动脉瘤（MCAAs）中，对比手术证实的破裂点、剩余动脉瘤囊和载瘤动脉的血流动力学环境，检验是否存在一致的局部血流动力学特征。

2. 研究方法

研究人员收集了2022年1月至2025年1月在青岛市中心医院神经外科接受急诊开颅手术的17例破裂颅内动脉瘤患者的临床数据，其中2例因图像质量差被排除，最终纳入15例患者（男6例，女9例，平均年龄57±9岁）。主要技术方法包括：

1. 1.
   三维重建： 将术前CTA数据导入MIMICS软件进行阈值分割提取动脉瘤和供血动脉，然后在3-Matic软件中进行平滑处理、移除小分支并修剪血管出入口。
2. 2.
   网格划分： 将STL文件导入ANSYS Fluent Meshing生成多六面体核心体网格，沿血管壁设置五层边界层以解析近壁流动，并在动脉瘤颈部进行局部细化（最小单元尺寸0.01 mm）。
3. 3.
   计算流体动力学（CFD）模拟： 采用速度入口和压力出口边界条件，基于一名代表性患者的大脑中动脉多普勒超声波形作为统一流入波形。血液视为不可压缩牛顿流体（密度ρ=1056 kg/m³，动力粘度μ=0.0035 Pa·s），血管壁设为刚性、无滑移，流动为层流。使用压力基求解器（SIMPLE算法），每个心动周期0.8秒，时间步长0.008秒，模拟三个完整心动周期后取最后一个周期的数据进行分析。
4. 4.
   统计分析： 采用非参数方法。整体三组间比较使用Friedman检验，若显著则进一步使用带Bonferroni校正的Wilcoxon符号秩检验进行两两比较（显著性阈值为α′=0.0167）。

3. 研究结果

3.1 压力比较

Friedman检验显示三组间压力存在显著差异（p=0.0011）。配对比较发现，破裂点（p=0.005）和动脉瘤囊（p=0.009）的压力均显著高于载瘤动脉，但破裂点与动脉瘤囊之间的压力无显著差异（p=0.027）。由于9/15的患者在破裂点和动脉瘤囊处压力值相同，该对比统计效力不足。

3.2 时间平均壁面剪切应力（TAWSS）

Friedman检验显示三组间TAWSS存在极显著差异（p<0.0001）。TAWSS从载瘤动脉（中位数9.97 Pa）到动脉瘤囊（4.58 Pa）再到破裂点（2.14 Pa）呈单调递减。所有两两比较均显著（破裂点 vs. 动脉瘤囊: p=0.003；破裂点 vs. 载瘤动脉: p=0.0001；动脉瘤囊 vs. 载瘤动脉: p=0.0006），效应量均较大（r=0.73-0.88）。

3.3 振荡剪切指数（OSI）

Friedman检验显示三组间OSI存在显著差异（p=0.0004）。破裂点的OSI（中位数0.0171）显著高于动脉瘤囊（0.0115, p=0.0003）和载瘤动脉（0.0078, p=0.0002），而动脉瘤囊与载瘤动脉之间的OSI无显著差异（p=0.252）。在个体层面，14/15的患者破裂点TAWSS低于囊内TAWSS，13/15的患者破裂点OSI超过囊内OSI。

4. 讨论与结论

本研究的讨论部分指出，研究结果证实了破裂点位于一个局部扰动的、低剪切力和高振荡剪切力的环境中。TAWSS的梯度下降符合囊状几何结构的普遍特征，即从载瘤动脉到囊顶部的自然递减，因此不能单独作为破裂特异性机制的证据。重要的是，本研究排除了子囊、泡状突起等几何混杂因素，表明观察到的血流动力学变化并非源于预先存在的结构异常。

关于OSI，研究强调它是破裂点的局灶性特征，而非整个动脉瘤段的全局属性。然而，OSI是对计算策略最敏感的指标，本研究采用的100个时间步/心动周期可能低估了其绝对值，尤其是在低剪切区域，因此结果需谨慎解读，应视为相对差异而非精确数值。

对于压力，研究认为其未能区分破裂点与动脉瘤囊，这很大程度上归因于零相对压力的出口边界条件设定，导致模型无法分辨囊内微小的压力差异。这并不意味着压力在破裂中不起作用，其他使用更精确边界条件的研究曾报道破裂点位于压力最大值或冲击区。

研究结论部分翻译如下：在这项基于CTA的CFD研究中，通过对15例破裂MCAAs进行动脉瘤内部区域水平的分析，结果表明破裂点位于一个局部扰动的、低TAWSS和高OSI的环境中：TAWSS从载瘤动脉经动脉瘤囊至破裂点呈单调递减（所有配对p ≤ 0.003），破裂点的OSI显著高于动脉瘤囊和载瘤动脉（p=0.0003和0.0002）。由于从载瘤动脉到囊顶部的梯度是囊状几何结构的普遍特征，这些结果被报告为描述性的区域关联，而非独特的血流动力学特征。相比之下，腔内压力在破裂点和动脉瘤囊之间无差异，表明低剪切力和高振荡剪切力（而非升高的静态压力）是破裂点的特征。因此，TAWSS和OSI在破裂区域、动脉瘤囊和载瘤动脉之间存在系统性差异。此类区域水平指标能否有助于破裂风险评估，尚需前瞻性研究证实。