第四章
胸腹主动脉瘤的血流动力学分析与手术仿真模拟

由于胸腹主动脉病变累及节段广泛、内脏动脉受累情况多变，患者临床合并症及基础心肺功能条件复杂，且手术治疗策略多样、手术方式个体化程度较高，其诊治难点常涉及对于复杂病例的精准评估和个体化诊疗方案规划。换言之，尽管随着手术技术理念的进步以及腔内介入器械的迭代，开放手术、杂交手术以及全腔内介入在胸腹主动脉瘤的治疗中均已证明了其充分的有效性，但对于具体的临床病例而言，手术方案的选择、内脏分支重建的策略、以及手术操作和腔内治疗的细节规划仍在极大程度上依赖着术者的经验判断。此外，在受限于患者队列规模的同时，由于病例以及手术方式的异质性，截至目前尚未能通过严格、标准化的临床随机对照试验对胸腹主动脉瘤手术治疗策略进行头对头的比较研究。因此，在继续扩大前瞻性专病队列构建、深入分析真实世界治疗经验的同时，聚焦于具体病例的个体化评估与临床决策理念将同样具有重要的临床意义。本章将浅析基于计算流体力学的主动脉血流动力学分析在胸腹主动脉瘤诊疗中的潜在应用。

一、主动脉血流动力学分析概述

对于涉及主动脉及其一级分支的大血管病变，血管腔内的血流状态与疾病的发生、进展密切相关。在动脉系统中，血压产生于心脏的每搏输出以及动脉壁的弹性形变，动脉壁内部及其内侧壁面均暴露在相应的周期性应力中；而血液流动对血管壁冲刷所产生的剪切应力，也随着血流量的变化而动态波动。与此同时，高血压是目前公认的多种血管病变的危险因素；另有大量基础研究表明，方向稳定的、生理水平的剪切应力有助于维持血管内皮细胞的正常形态与功能，而血管内皮功能紊乱则进一步涉及血栓形成、局部炎症、脂质异常沉积等一系列病理过程。由此来看，动脉壁的内部应力以及血管壁所处的剪切应力环境，与动脉壁结构及功能的完整性密切关联，而后者则是动脉疾病的重要病理生理基础。

在动脉分支处，以及狭窄、扩张等病变节段中，血管形态决定了局部血流的特征；血流状态的空间分布，也与动脉病变的空间异质性密切相关。目前临床常用的影像学评估手段尚无法对动脉内部任意部位的血流状态进行精准测定与分析，应用患者个体化影像资料、基于计算流体力学的血流仿真将有助于评估动脉内部的血流分布状态。

血液在血管内的流动服从流体力学的一般规律，通过将血液等效为理想牛顿流体或非牛顿流体，在给定的流腔形态和各出入口流量、压力等边界条件下，即可通过计算机求解流体力学偏微分方程来实现对流腔内部各处血液流速和方向的模拟。在实际应用中，通常需首先参照CTA、MRA等影像资料建立个体化的主动脉形态学模型，并对其进行网格化处理以用于进一步有限元计算；其后需要对血管模型的各个出口、入口的血流量、血压等条件进行定义，用于模拟计算的边界参照。

计算网格的质量和数目是获取合理仿真计算结果的基础。精度较低的计算网格会明显降低模拟计算的稳定性，通过缩小网格尺度，增加网格数目能够显著提高网格质量，但随之将明显增加运算负荷。此外，根据具体的模拟仿真目的，血管建模对象的选择也需做相应规划；例如为模拟动脉壁所受轴向应力及壁内应力水平，在建立血管腔内形态学模型外，还需同期构建动脉壁的模型网格用于流固耦合分析。在实际应用场景中，需要有意识地结合具体的仿真需求以及运算力水平，合理选择建模计划和计算网格数目。

仿真模型几何形态和边界条件的质量对于计算模拟的准确性至关重要。血管形态通常可通过影像学资料直接获取，但血流的动态边界条件往往会成为限制模拟精度的关键因素。多普勒超声、血管造影等评估方式虽可用于血流流速的评估，但前者常受限于测定精度和操作者相关的测量误差，而后者投影式的成像方式也使得其对于空间复杂血流状态的评估能力相对有限。近年随着核磁成像技术的进步，相差核磁（Phase-contrast MRI，PC-MRI）技术逐渐获得了更多的关注和应用；简言之，PC-MRI能够以无创的形式测定给定平面或局部空间内动态血流速度的分布情况。目前平面内PC-MRI（2D PC-MRI）已能够实现对于主动脉及主要内脏动脉主干截面血流速度的测定。在实际病例的血流仿真分析中，边界条件的选择需要充分结合临床影像学检查技术的可及性，而在无法获取个体化血流边界的场景中，参考并采用文献中的理想血流条件可作为备选的折中方案，但在研究分析中需充分考虑该方案下计算准确性的局限性。

在完成主动脉血流流场的计算仿真后，通过数据可视化及后处理软件能够呈现、分析血管壁及管腔内部表征血流和应力状态的血流动力学参数分布趋势（图1）。举例而言，已有研究表明肾下腹主动脉瘤仿真模拟的动脉壁应力水平能够预测动脉瘤进展和破裂风险，其准确性高于通用的动脉瘤直径标准；而在主动脉瘤、颈动脉狭窄等病变的研究中，较低的壁面剪切应力和较高的血流方向变异度则与腹壁血栓形成（图2）、动脉粥样硬化斑块、术后血管腔内再狭窄存在关联。

二、血流仿真与手术疗效模拟

结合计算仿真所得的血流动力学参数和真实病例随访转归数据，血流动力学分析能够为血管病变提供更具个体化和精准化的评估。但对于复杂血管病变如胸腹主动脉瘤的治疗而言，术前通过仿真分析模拟术后预期血流量及流场分布，或将有助于手术决策评价和手术方案的个体化改良。对胸腹主动脉瘤的外科治疗而言，内脏动脉重建、术后灌注情况以及通畅率水平无疑是临床的诊治重点；术后支架内血栓形成、内膜增生、支架移位等并发症风险亦应着重关注。血流仿真用于手术疗效的预测方面，可以划分为2个主要层次，其一为对术后主动脉内血流分布和流场变化的预测，其二则进一步关注于术后并发症的发生机制和个体化的风险评估。

如前文所述，血管形态与主动脉内部血流分布以及各分支血流量之间存在着复杂的相互影响，通过手术改变主动脉流腔形态后，各分支动脉的血流灌注水平显然也将发生改变，而后者则直接决定了内脏动脉重建术后目标分支血管的供血情况。从术前评估的角度出发，为了模拟术后主动脉内的血流分布，在模拟计算过程中需要引入一系列必要的修正，例如在各个出口引入血流阻力边界；与前文所述的直接定义出口流量不同，修正后的出口边界条件只对出口远端的血流阻力（或可等效视作远端血管床的外周阻力）进行定义，各个出口的血流量则是该处血压和外周阻力共同决定的被动变量。在针对患者术前血管形态、血压以及各分支出口血流量进行准确测定的基础上，选择最佳的阻力边界，使其能够在模拟中还原各出口的血流量分布比例，进一步假设术后外周血管床阻力不变，改变主动脉形态学模型（变为预期不同方式术后的主动脉形态）再次进行仿真计算，进而实现对术后短期主动脉内部血流分布和流场的改变的模拟。

模拟所得的术后内脏动脉灌注压、血流量的改变，以及术后预期流场特征、壁面血流动力学参数可作为手术方案评估的参考指标。但需要指明的是，上述仿真预测所基于的术后血管床外周阻力不便的假设，也是这一分析方法的局限性所在。截至目前，尚未有研究在可观数目的临床队列中测量、分析并验证术后外周血管阻力和血流量分布变化的规律。在实际研究和临床应用中，应于术前和术后分别完善全面的主动脉形态学和重要分支血流量的临床测定，通过真实患者术后实测的分支动脉血流量变化，完善术后分支血流量分布变化规律的探索，以期进一步提高术后流场预测的准确性。

血栓形成、内膜增生等常见术后并发症，其发生机制也与局部血流动力学环境存在密切关联。例如高切变率的血流能够诱导血小板的异常活化，而紊乱迟缓的血流环境能够促进凝血因子的局部聚集，易化附壁血栓行成。基于血管内病变的病理生理机制，结合血流动力学仿真的平台，能够进一步建立腔内血栓形成、血管内膜增生等一系列病理过程的模拟模型。举例来说，血小板和血液中的凝血因子在通过动脉瘤瘤颈或狭窄部等高切变率环境时被异常激活，其后在下游管腔迅速扩张所产生的慢速紊乱流场中聚集，从而形成附壁血栓；相关领域已有研究者开发了流体内部物质的对流-扩散-反应模型，能够在动态流场中模拟血小板、凝血因子等粒子的运动轨迹、空间分布，以及在血液中的活化、反应进程，用以模拟腔内血栓的形成过程。

在仿真预测的术后主动脉血流流场的基础上，应用上述动脉腔内并发症的仿真模型，则有望对术后实际疗效、并发症风险、中远期通畅情况进行更具针对性的评估，这一评估理念和分析模式毫无疑问具有巨大的潜在临床价值。然而就目前而言，用于个体化血流仿真算例的血栓形成模型，其相关研究仍多关注于形态学相对简单的腹主动脉瘤内附壁血栓，以及夹层假腔内血栓化重塑进程的模拟，胸腹主动脉病变因其受累内脏动脉走形及解剖特征复杂，相关研究仍实属有限。

三、血流动力学分析在胸腹主动脉瘤诊治中的应用前景

综合前文所述，理想情况下可用于辅助胸腹主动脉瘤临床诊疗的个体化血流动力学仿真模型，能够在合理的运算时间需求内准确仿真术前主动脉内血流状态，协助对病情进展风险的评估和高危病灶的识别；同时能够灵活精准模拟不同手术方案后预期血流分布情况和中远期腔内并发症的发生风险。为了实现这一构想，在模型开发的研究工作中，需要完善高质量的主动脉影像学和动脉内血流量的动态评估，同时构建患者个体化的纵向随访队列，详细记录术后主动脉及分支动脉内血流量变化以及术后血栓形成、再狭窄等并发症的发生情况，分别用于校准术后流场预测和并发症仿真模拟模型的准确性。

个体化血流动力学仿真模型所涉及的各个组分，例如形态学模型构建、计算网格优化、阻力边界选取/调定、血流动力学参数分析策略、并发症预测模型等均需反复迭代、校准，以逐步构建起成型的专病诊治体系。现阶段而言，在复杂主动脉病变流场计算、仿真边界条件调定、血流动力学参数与临床预后相关性分析等领域均已积累了较为丰富的研究案例和进展，血栓、内膜增生等并发症仿真模型亦有成型框架有待应用于更大范围的临床队列中进一步完善。在内脏动脉重建疗效评价方面，已有部分研究者针对肾动脉分支支架的取向、空间构象等因素，先后在理想模型和真实病例中开展仿真分析，尝试论证诸如壁面剪切应力、支架总体应力、支架成角/走形等血流动力学和形态学参数对分支支架通畅情况的关联。目前针对胸腹主动脉病变手术或腔内介入治疗的血流动力学分析研究仍十分有限，尚有待进一步的探索和钻研。

由于胸腹主动脉瘤的临床诊治和个体化血流仿真模型分别在各自领域都具有着极高的复杂性，相关研究通常需要通过基于医工结合、多学科协作，依托学科交叉型人才协调串联的合作模式进行开展。需要注意的是，临床病例资料的可及性以及术前评估对时效性的要求，往往对复杂研究模型对于边界条件和仿真计算能力的需求带来诸多的限制，因此临床医生需要根据自身的具体需要，对仿真模型提出更加明确精准的需求，并作出必要的权衡。简言之，明确的临床需求应作为模型研发的源动力，根据实际临床需要，构建专病患者队列，完善关键仿真模型工具，根据临床数据可及性在合理范围内对模型进行适当简化和优化，在兼顾计算准确性的前提下尽可能压缩计算负荷，标准化仿真分析的流程节点，提高从临床需求到工科评估，再到辅助临床决策的进程效率。

（孙晓宁） Hofdch39FW5WFG1RyOCAxxyfNOInPWeJczeYfz+JvR4MsGLyni6FdEBOpT/X21ks