颅内动脉瘤的数值模拟研究进展

摘  要： 随着医学检查技术和医学设备的发展，颅内动脉瘤患者被发现的越来越多，对于颅内动脉瘤的治疗以及预防其破裂是十分紧迫的。近期研究表明，数值模拟血流动力学的参数与动脉瘤发生、发展、破裂都有密切的联系，且可以对治疗进行干预，模拟治疗后的效果。数值模拟能够成为研究颅内动脉瘤血流动力学的重要手段。

关键词： 颅内动脉瘤;血流动力学;数值模拟;计算流体力学

中图分类号： TP319    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.008

本文著录格式：张凯旋，邱收，胡霖霖，等. 颅内动脉瘤的数值模拟研究进展[J]. 软件，2019，40（8）：3841

【Abstract】： With the development of medical examination technology and medical equipment， more and more patients with intracranial aneurysms have been found. It is very urgent to treat and prevent the rupture of intracranial aneurysms. Recent studies have shown that the parameters of numerical simulation of hemodynamics are closely related to the occurrence， development and rupture of aneurysms， and can intervene in the treatment and simulate the effect of treatment. The numerical simulation can be an important means to study the hemodynamics of intracranial aneurysms.

【Key words】： Intracranial aneurysm; Hemodynamics; Numerical simulation; Computational fluid dynamics

0  引言

颅内动脉瘤是局部血管的异常改变而产生的病理性囊性膨出，是造成蛛网膜下腔出血的首位病因。非创伤性自发蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）是一种神经系统急症，占所有中风的1-7%，与SAH相关的发病率和死亡率非常高[1]。其中，动脉瘤性SAH占81.4%，非动脉瘤性SAH占18.6%。在我国，颅内动脉瘤破裂是造成SAH的主要因素[2]。发病原因尚不十分清楚，通常认为与动脉硬化、感染、创伤、血流动力学等诸多因素有关[3]。Steinman等人[4]首次提出使用基于图像的计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的方法对颅内动脉瘤进行分析，随着计算机技术的发展以及计算流体力学软件的应用，使用该方法对颅内动脉瘤血流动力学的分析也越来越多。本文对颅内动脉瘤血流动力学特征及数值模拟在颅内动脉瘤临床中的应用进行如下综述。

1  颅内动脉瘤血流动力学特征

颅内动脉瘤血流动力学特征主要是从血流速度、壁切应力、壁切应力梯度、壁压力、切应力震荡指数等血流动力学参数来进行研究，其中对于壁切应力的研究十分重要。壁切应力（Wall shear

stress，WSS）是血液流动时血流对血管壁的切向作用力，其作用方向平行于血管壁。血流速度与壁切应力呈正相关[5]，由此可见血流的变化会对壁切应力产生一定的影响。内动脉瘤的自然病史包括三个阶段：起始阶段、生长阶段、稳定阶段或破裂阶段，只有少数动脉瘤发展到破裂阶段[6]。颅内动脉瘤的形成是动脉壁和血液动力之间相互作用的结果[7]。由于缺乏外部弹性板、内侧弹性蛋白以及支持血管外和周围组织的支持，脑血管系统在本质上容易受到血流动力学力的影响，所以容易受到血流动力学应力的损伤，以及随后的内部弹性椎板损伤和动脉瘤的形[8-10]。目前对壁切应力的研究分为高壁切应力和低壁切应力两个方面。高WSS引发动脉瘤形成，而低WSS导致内皮细胞的空间紊乱和致动脉粥样硬化和促炎信号途径的激活[11]。对此，不同的学者对其的影响看法迥异不同。巨大基底梭状动脉瘤的最大生长区域始终具有最低的壁切应力[12]。而有学者认为高壁切应力和低壁切应力都与动脉瘤的生长有关，并且發现动脉瘤的生长与高壁切应力冲击瘤顶有关，而动脉瘤在瘤顶部的成长与低壁切应力有关[13-14]。低壁切应力可促进巨噬细胞相关的慢性炎症和动脉粥样硬化改变。这些由巨噬细胞引起的动脉粥样硬化炎症改变和金属蛋白酶产生可使壁易于变薄并进一步破裂。颅内动脉瘤破裂可以通过低壁切应力来预测[15]。局部壁切应力减少可能是导致颅内动脉瘤破裂的重要预测参数[16]。另有人发现动脉瘤顶处存在低壁切应力区域，破裂点处壁切应力最低，动脉瘤内壁切应力低于载瘤动脉内壁切应力，较之未破裂动脉瘤，破裂动脉瘤的平均和最大壁切应力值均较低，而低切应力区域面积（low shear area，LSA）可作为预测动脉瘤破裂的独立危险因素[17]。颅内动脉瘤破裂与最高壁切应力有关，在动脉瘤易破裂区域其壁切应力值最高[18-19]。而有人证明动脉瘤破裂点处壁切应力最低[20]。

2  数值模拟在颅内动脉瘤临床中的应用