颅内小动脉瘤患者基于心动周期的血流动力学特点及其对瘤体破裂的预测价值
王琪，王云，谢杰，赵天，李月峰江苏大学附属医院，江苏镇江212001
摘要：目的分析颅内小动脉瘤（瘤体直径<5mm ）患者基于心动周期的血流动力学特点，探讨其对瘤体破裂的预测价值。方法
前瞻性收集698例颅内小动脉瘤患者，每隔个6月复查头颅CTA 或MRA ，随访3年记录瘤体大小
及破裂情况。入组后根据头颅CTA 成像情况，应用数字医学计算机及有限元软件建立动脉瘤的解剖三维模型，并结合心动周期对模型进行血流动力学分析，记录最后1个心动周期内快速射血期末（t 1）、减慢射血期末（t 2）和舒张期后期（t 3）的壁面压力（P ）、剪切力（WSS ）、涡流数（Nv ）。比较瘤体破裂与未破裂者的临床资料及心动周期不同时刻的血流动力学参数，分析差异性血流动力学参数与瘤体大小及破裂时间的相关性；采用多因素Logistic 回归分析筛选动脉瘤破裂的独立危险因素，并利用受试者工作（ROC ）曲线分析危险因素对瘤体破裂的预测价值。结果
698
例患者中完成随访计划674例，其中3年内发生瘤体破裂38例、未破裂594例、瘤体增大42例（排除）；与未破裂者比较，瘤体破裂者女性占比更高、年龄更大、阿司匹林药物服用率更低、糖尿病和高血压患
者占比更多，t 2WSS 较低而t 3WSS 、t 3Nv 较高（P 均<0.05）；瘤体破裂者t 3Nv 与瘤体大小呈正相关（r =0.239，P <0.05）、破裂时间呈负相关（r =-0.275，P <0.05），t 3WSS 与破裂时间呈正相关（r =0.216，P <0.05）。Logistic 回归分析显示，t 2WSS （OR =1.65，
95%CI 1.460～3.879）和t 3Nv （OR =2.03，95%CI 1.714～4.296）是预测颅内小动脉瘤破裂的独立危险因素，其预测颅内小动脉瘤破裂的ROC 曲线下面积分别为0.723（95%CI 0.605～0.837）和0.707（95%CI 0.581～0.741），两者联合曲线下面积为0.842（95%CI 0.801～0.926）。结论颅内小动脉瘤瘤体破裂患者基于心动周期的血流动力学
表现为较低的t 2WSS 和较高的t 3WSS 、t 3Nv ，基于心动周期的血流动力学参数t 2WSS 、t 3Nv 可以较准确地预测颅内小
动脉瘤破裂的风险。
关键词：颅内动脉瘤；心动周期；血流动力学；瘤体破裂doi ：10.3969/j.issn.1002-266X.2021.17.006中图分类号：R743.3
文献标志码：A
文章编号：1002-266X （2021）17-0025-05
Hemodynamic characteristics of patients with intracranial aneurysm bad on cardiac cycle and their predictive value for intracranial aneurysm rupture WANG Qi ，WANG Yun ，XIE Jie ，ZHAO Tian ，LI Yuefeng Affiliated Hospital of Jiangsu University ，Zhenjinag 212001，China
Abstract ：Objective
To analyze the hemodynamic characteristics of patients with small intracranial aneurysms （di‐
ameter less than 5mm ）bad on cardiac cycle and to explore their predictive value for aneurysm rupture.Methods
A
total of 698patients with small intracranial aneurysm were collected prospectively and were reviewed by Computed tomogra‐phy angiography （CTA ）or Magnetic Resonance Angiography （MRA ）every 6months.The aneurysm size and rupture were recorded after 3-year follow -up.After enrollment ，according to CTA imaging of head ，the three -dimensional model bad
on intracranial aneurysm anatomy was established by digital medical computer software and finite element software ，and the hemodynamic analysis was conducted in combination with cardiac cycle.
Meanwhile ，pressure （P ），wall shear stress
脏话英文（WSS ）and number of vortices （Nv ）were recorded at the end of rapid ejection （t 1）and the end of slow ejection （t 2）and late diastole （t 3）during the last cardiac cycle.Moreover ，we compared the clinical data and hemodynamic parameters of cardiac cycle between the ruptured group and unruptured group and further analyzed the correlation between differential he‐modynamic parameters with aneurysm size and rupture time.Finally ，the independent risk factors of aneurysm rupture
基金项目：国家自然科学基金面上项目（81871343）。
第一作者简介：王琪（1995-），女，硕士，住院医师，主要研究方向为脑血管疾病。E -mail ： 通信作者简介：赵天（1983-），男，硕士，主管技师，主要研究方向为神经影像。E -mail ：157****
开放科学（资源服务）
标识码（OSID ）
25
were investigated with multivariate Logistic analysis，and the receiver operating characteristic（ROC）curve was drawn to analyze the predictive value of risk factors for aneurysm rupture.Results Among698participants，674completed the follow-up plan，among whom38cas had rupture and594cas did not have rupture and42cas had aneurysm enlarge‐ment（excluded）within3years；compared with the unruptured group，ruptured group manifested higher proportion of women，older age，as well as higher prevalence of hypertension and diabetes，lower aspirin u rate，lower t2WSS，higher t3WSS and t3Nv（all P<0.05）.The t3Nv was positively correlated with aneurysmal size（r=0.239，P<0.05）and was neg‐atively correlated with rupture time（r=0.216，P<0.05），and meanwhile，t3WSS was significantly correlated with rupture time（r=-0.275，P<0.05）.Logistic regression analysis revealed that t2WSS（OR=1.65，95%CI：1.460-3.879）and t3Nv （OR=2.03，95%CI：1.714-4.296）were reliable indicators in predicting aneurysm rupture，and the area under curve was 0.723（95%CI：0.605-0.837）and0.707（95%CI：0.581-0.741），respectively，and the area under curve of combined u of t2WSS and t3Nv was0.842（95%CI：0.626-0.926）.Conclusion The hemodynamics of aneurysm ruptured pa‐tients with small intracranial aneurysm bad on cardiac cycle prent lower t2WSS，higher t3WSS and t3Nv；hemodynam‐ic parameters t2WSS and t3Nv bad on cardiac cycle can accurately predict the risk of rupture of small intracranial aneu‐rysms.
Key words：intracranial aneurysm；cardiac cycle；hemodynamics；tumor rupture
颅内动脉瘤（IA）破裂是临床急诊中严重的脑血管意外事件，亦是急性蛛网膜下腔出血的最主要原因［1-3］。IA破裂发病危急但起病隐匿，仅有少数患者可表现出动眼神经麻痹等先兆症状，故对其破裂风险实现早期精准预测具有极高的临床防治意义。现有的IA临床指南要求对瘤体直径较大的动脉瘤进行外科干预［4］，但最近研究表明破裂可能发生在更小直径的动脉瘤［5］。与此同时，学界亦格外强调重视颅内未破裂小动脉瘤的临床和基础研究。围绕
IA破裂预测的报道中，血流动力学参数被认为是最具应用前景的指标［6-7］。然而，其依存的机械式血管仿真模型限制了临床价值的进一步发掘，尤其是忽略了对流体参数极具影响的心动周期。基于此，课题组借助医工结合的学科交叉优势，拟建立一种基于心动周期驱动的血流参数特点对颅内小动脉瘤破裂风险进行预测，以期进一步提升血流动力学参数的预测精准性和应用可行性。
standup是什么意思1资料与方法
1.1临床资料本研究为前瞻性设计，经江苏大学附属医院医学伦理委员批准。自2016年1月—2019年12月在江苏大学附属医院和江苏大学第四附属医院收集698例IA患者资料，并对其进行为期3年的随访。入组标准：①性别不限，年龄41～86岁；②经头颅CTA检查确诊为IA；③经神经外科医师评估为低破裂风险（动脉瘤直径<5.0mm、未处于血管分叉处、无明显膨出面或脂囊），仅需随访观察；④具备
完整的随访影像学资料；⑤无躯体重大器质性疾病；
sabian⑥无精神类疾病及药物依赖和服用史；⑦受试者均知情并签署同意书。排除标准：①头颅血管畸形或发育异常；②曾行颅脑外科手术或金属类器材植入术后；③动脉瘤多发且瘤体位置毗邻；④颈动脉岩部段动脉瘤。
1.2随访方法与终点判断每隔6个月，受试者复查头颅CTA或者MRA。随访终点：①瘤体增大，进入治疗程序，予以排除；②瘤体破裂；③瘤体未破裂。
1.3基于心动周期驱动的血管流体模型的建立1.3.1头颅CTA成像入组后采用美国GE256排Revolution CT设备进行头颅CTA成像。扫描参数：管电压120kV，管电流250mA，层厚0.625mm，层距0.625mm，螺距0.938，矩阵512×512。患者取仰卧位，头部固定、上肢弯曲于胸前。用高压双筒注射器将对比剂（碘海醇350mg I/mL）40mL以5mL/s 注入右前臂肘静脉，后以同等流速追加生理盐水30mL。先进行定位相和预扫描，在颈动脉分叉位置进行平扫。全脑扫描后确定延长时间20s，选取主动脉弓下层面降主动脉作为感兴趣区；触发阈值120HU时自动进行增强扫描，并采集图像传入工作站得到原始DICOM影像数据。所有操作各由1名经验丰富的影像科医师和护师共同完成。
1.3.2IA模型的建立将DICOM图像导入Mimics 17.0（Materiali）软件，并对其进行空间定位标记。利用阈值检测工具在横断面测量感兴趣区的血管灰度值分布并选取阈值范围，采用阈值分割、区域生
长及手动分割方法获得脑血管横断面的Mask，后通过容积重建获得三维动脉瘤模型。使用3-matic 后处理对重建好的三维模型进行平滑等初步处理后，以stl格式导入Geomagic软件光顺、填充、修复。见图1。
1.4基于心动周期的血流动力学参数分析将优化后的模型导入ICEM CFD（ANSYS运算平台），定
26
义入口、出口及壁面，网格类型采用非结构化六面体网格进行划分，将其导入CFX 进行分析。血管壁设为无滑动的刚性壁，血液设为不可压缩的牛顿流体及层流［密度为1056kg /m 3，黏度为0.0035（Pa ·s ）］，不考虑能量传递。出口设为自由边界，入口设为随时间变化的脉动曲线。本研究对不同动脉瘤所施加的入口条件是根据各个体在一个心动周期内各时刻的颈内动脉血流速度拟合出的脉动速度曲线。本研究将模拟3个时长为0.8s 、时间步长为0.01s 的心动周期，取最后1个心动周期的结果。在脉动速度曲线中取快速射血期末t 1（t=0.08s ）、减慢射血期末t 2（t=0.24s ）和舒张期后期t 3（t=0.34s ）3个经典时刻［8］，分别记录1个心动周期内这3个时刻内的壁面
压力（P ）、剪切力（WSS ）、涡流数（Nv ）。1.5
统计学方法
采用SPSS22.0统计软件。在瘤
体破裂与未破裂者的临床资料、基线水平血流动力
学参数中，计量资料以-x ±s 表示，组间比较采用独立样本t 检验。计数资料以百分率表示，组间比较采用χ2
检验。瘤体破裂与未破裂者差异性血流动力学参数与颅内小动脉瘤瘤体破裂者动脉瘤瘤体大小及破裂时间的关系采用Pearson 相关分析。以多因素Logistic 回归分析筛选IA 破裂的独立危险因素，对有统计学意义的连续变量进行受试者工作（ROC ）曲线分析，并计算ROC 曲线下面积（AUC ）以确定区分破裂与未破裂的最佳阈值。P <0.05为差异有统计学意义。2结果
2.1
颅内小动脉瘤患者随访结果及瘤体破裂与未
破裂者的临床资料比较
698例患者中完成随访计
划674例，其中3年内发生瘤体破裂38例、未发生瘤体破裂594例、瘤体增大42例（排除）。瘤体破裂者年龄41～86（69.1±6.5）岁，瘤体大小（3.4±0.3）mm 3，瘤体位于大脑前动脉12例、其他部位26例，破裂时间3.4～35.1个月、中位时间为26.2个月；瘤体未破裂者年龄41～73（55.4±7.1）岁，瘤体大小（3.3±0.5）mm 3，瘤体位于大脑前动脉147例、其他部位447例；两者比较，瘤体破裂者年龄大于未破裂者（P <0.05）。颅内小动脉瘤患者随访3年瘤体破裂与未破裂者其他临床资料比较，见表1。
2.2
颅内小动脉瘤瘤体破裂与未破裂者基线水平
血流动力学参数比较
颅内小动脉瘤瘤体破裂者t 2
WSS 低于未破裂者，t 3WSS 、t 3Nv 均高于未破裂者（P 均<0.05）。见OSID 码图1、表2。
表1
颅内小动脉瘤患者随访3年瘤体破裂与未破裂者的临床资料比较［例（%）］
临床资料性别男女吸烟饮酒
服用阿司匹林既往史糖尿病史高血压病史高血脂病史蛛网膜下腔出血史
瘤体破裂（n =38）16（42.1）22（57.9）
*
15（39.5）
9（23.7）
3（7.9）
*14（36.8）*
20（52.6）
*12（31.6）
2（5.3）
瘤体未破裂（n =594）348（58.6）246（41.4）178（36.7）117（19.7）128（21.5）133（22.4）194（32.4）227（38.2）25（4.2）
注：与瘤体未破裂者比较，*
P <0.05。
表2
颅内小动脉瘤瘤体破裂与未破裂者基线水平血流动力学参数比较（-x ±s ）
瘤体情况破裂未破裂
n 38
594
t 1P （Pa ）2686±1972729±221
t 1WSS （Pa ）3.04±1.072.97±1.16
t 1Nv 1.02±0.410.96±0.37
t 2P （Pa ）1987±2162013±197
t 2WSS （Pa ）2.31±1.25*
2.79±1.24t 2Nv 1.21±0.361.14±0.27
t 3P （Pa ）1734±3521807±269
t 3WSS （Pa ）2.48±1.29*
2.09±1.16t 3Nv 1.34±0.75*
0.85±0.67注：与瘤体未破裂者比较，*
P
<0.05。
英语4级报名时间
注：a 为头颅CT 横断面图；b 为动脉瘤的Mimics 三维模型图；c 为动脉瘤的网格划分图。
图1颅内动脉瘤模型的构建过程
27
2.3差异性血流动力学参数与颅内小动脉瘤瘤体破裂者动脉瘤瘤体大小及破裂时间的相关性瘤体破裂者t3Nv与瘤体大小呈正相关（r=0.239，P<0.05）、破裂时间呈负相关（r=-0.275，P<0.05），t3WSS与破裂时间呈正相关（r=0.216，P<0.05）。见表3。
2.4差异性血流动力学参数对颅内小动脉瘤瘤体破裂的预测价值多元Logistic回归分析显示，高血压（OR=1.37，95%CI：1.231～2.485）、阿司匹林服用率（OR=0.74，95%CI：0.352～0.898）、t2WSS（OR= 1.65，95%CI：1.460～
3.879）和t3Nv（OR=2.03，95%CI1.714～
4.296）是颅内小动脉瘤瘤体破裂的独立危险因素。ROC曲线提示，t2WSS和t3Nv预测颅内小动脉瘤瘤体破裂的曲线下面积分别为0.723（95%CI0.605～0.837）和0.707（95%CI0.581～0.741），灵敏
度分别为0.654、0.843，特异度分别为0.763、0.756，而两者联合曲线下面积为0.842（95%CI0.801～0.926）、灵敏度为0.862、特异度为0.821。见OSID码图2。瑜伽练习注意事项
3讨论
采用英语本研究突破机械式血管仿真模型的限制，结合流体力学分析特点，成功将心动周期引入IA的血流动力学模型，不仅筛查出破裂组和未破裂组患者间的差异性血流动力学参数，还探讨了关键参数与瘤体特征的关系，更在此基础上成功构建出直径< 5mm的IA破裂风险的预测模型。本研究结果显示，破裂组比未破裂组的t2WSS更低，t3WSS和t3Nv 更高；同时，t3Nv与瘤体大小及破裂时间均相关，t3 WSS亦与破裂时间相关；另外，回归模型提示t2WSS 和t3Nv是预测瘤体破裂的可靠指标；而且，根据回归模型绘制的ROC曲线提示t2WSS和t3Nv联合的模型对直径<5mm的IA破裂的预测价值更高。
WSS是血流动力学中最重要的参数，又称血流与血管壁之间的摩擦力。目前，关于WSS在动脉瘤中的作用及意义存在两种主流机制：一方面，增高的WSS可使血管内皮细胞释放一氧化氮等舒血管物质，强烈扩张血管，使局部血管壁退化，从而造成动脉瘤的产生和生长，大幅提高瘤体破裂风险；另一方面，过低的WSS将导致内皮细胞凋亡、管壁损伤，引起动脉瘤破裂［9-12］。这些已有的报道将WSS塑造成双刃剑的角色，即其过高过低均与动脉瘤体的破裂密切相关。而本研究结果发现，破裂组瘤体内的
WSS呈多样化，即在t2时刻较低、t3时刻较高。这一发现在解释上述文献报道结果相左的同时，进一步提示具有高破裂风险的瘤体内更可能存在以时间节点为导向的WSS振荡，这种模式或许是动脉瘤破裂的根本原因。
本研究另外发现，破裂组的t3Nv高于未破裂组，且提示其是影响动脉瘤破裂的另一重要风险因素。Nv本质上是对瘤体内血流模式的具体量化，反映了瘤体内的流型复杂性，其值越高流型越复杂［13］。Nv参数代表的涡流可使瘤颈处加速的血流速度在到达瘤顶时显著减慢甚至停滞，而减慢停滞的血流为红细胞、白细胞和血小板聚集并黏附在动脉瘤壁内侧形成附壁小血栓浸润动脉瘤壁提供了病理条件，在破坏管壁的同时显著增加了动脉瘤的破裂风险［14］，这同时验证了临床上多数动脉瘤破裂部位在瘤顶。而当动脉瘤瘤体较大时，瘤腔内的血流速度变慢可致涡流长时间存在，加重血管内皮细胞的清除负荷，并显著提升瘤体破裂的风险［15-16］。
与既往有关动脉瘤破裂的研究不同，本文没有采用横断面或回顾性收集入组样本，而是选择对经临床评估进入随访期的带瘤受试者资料进行前瞻性随访，因此本研究均为瘤体直径<5mm的受试者资料。此种入组方式虽然未能纳入大瘤体样本，但其或更具临床研究价值。此外，在本文的随访中，在最终纳入的674例受试者资料中，其中有38例在3年内发生破裂，年破裂率为1.8%，远高于已有的报道［17］，这可能是由于本组受试者多存在高龄、高血压等与动脉瘤破裂相关的危险因素。值得一提的是，本组发生破裂的受试者在破裂前瘤体直径并未增大，提示IA小且稳定的直径可能并不是瘤体的安
全锁，临床工作中应充分重视随访期内形态未增大的携瘤患者发生破裂的可能性。
本研究仍存在些许不足之处：①虽然采用前瞻性研究，但是随访时间仅为3年，破裂率并未趋于稳定，未能评价更长周期的破裂风险；②本研究最终纳入的受试者略显不足，仍需要多中心大样本工作深入探索；③随着成像技术的研发和改进，血流动力学模型及其动脉瘤破裂仍有进一步优化的空间。
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表3破裂组差异性血流动力学参数与动脉瘤瘤体大小、
破裂时间的相关性
2
t3WSS t3Nv -0.054
0.239
0.316
0.018
0.216
-0.275
0.015
0.009
（下转第37页）
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（收稿日期：2021-01-30）
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