宿海超 杨海明 林 强 闫 敏 张 琪

牡丹江医学院附属红旗医院康复科，黑龙江牡丹江 157011

动脉瘤的破裂容易致死、致残。颈内动脉瘤的形成与部位结构特性密切相关[1]。近年来计算机技术的快速发展，计算流体力学仿真技术已被广泛地应用于血流动力学分析中。多数动脉瘤的血流动力学模拟研究中运用血液的单相流假设分析血流动力学参数[2-4]。以往研究多未考虑血液的多相流特性，运用单相计算流体力学模型无法实现对上述微观粒子的运动规律考察。血液黏度在微观血流动力学模拟中也十分重要。在大血管血液流动中，血液的非牛顿特性对宏观的血液流动影响很小，但实际上在血液多相流运算中，血液的非牛顿特性应当纳入考虑[5]。比较同一患者左右两侧颈内动脉可以看作左右两侧颈内动脉发挥了同样的作用[6]。因此，本研究通过比较同一患者左右两侧颈内动脉的血流动力学参数，采用非牛顿、多相的血液流动性质，获得的血流动力学特征分布结果可以更好地为颈内动脉瘤形成、发展机制提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2020年3月15日牡丹江医学院附属红旗医院影像科一例54岁男性颈内动脉瘤患者CTA影像数据，本研究经医院医学伦理委员会审查批准，患者本人同意并签署知情同意书。影像数据以DICOM格式保存。

1.2 模型建立与网格划分

利用MIMICS软件经图像分割、三维重建步骤，构建具有真实血管结构的左右两侧颈内动脉模型（图1）。为便于后续仿真建模需要，利用3-matic软件对模型进行表面网格优化、平滑及切平出入口平面。

图1 双侧颈内动脉

模型网格划分采用Fluent Meshing进行，网格结构采用六面体为核心、多面体为边界层，为获得准确的计算，边界层网格设置了6层边界层，第一层厚度为0.01 mm，逐层增长率为1.2，划好的网格如图2所示。

图2 网格结构图

1.3 血液模型

在血液的多相、非牛顿模型研究中，血液由连续相、离散相组成，血浆为连续相，红细胞为离散相。血浆为牛顿流体，红细胞为非牛顿流体[7]。忽略血液中的其他微粒。红细胞直径6 μm。红细胞与血浆的连续方程为[8]：

式中：ρ为密度，ε为体积分数，k代表红细胞和血浆，t为时间，v为速度[8]。血液黏度的流变模型是血流动力学数值模拟中的一个关键因素[9]。本研究采用Carreau-Yasuda剪切变稀非牛顿的血液模型，多相血液模型中的混合相对黏度表示为[10]：

式中为剪切率，时间常数λ给定为0.110 s。m、n是与红细胞体积分数ε abc有关的参数[9]：

上式表明血液黏度与剪切率呈非线性关系，红细胞约占整个液体体积分数的45%。

1.4 边界条件与计算设置

计算采用Ansys Fluent软件。在颈内动脉多相流非牛顿血液流变模拟中，采用欧拉模型，主相为血浆，血浆密度为1000 kg/m3[11]，黏度为0.001 ；次相为红细胞，红细胞密度为1178 kg/m3，黏度由非牛顿模型得到[12]。入口边界条件为速度入口，红细胞与血浆采用相同的速度波形（图3）。出口采用压力出口，出口压强采用10.2 kPa。壁面采用刚性壁、无滑移。红细胞在血液流动中均匀分布，体积分数为0.45。计算总共4个周期，取最后一个周期结果分析。

图3 速度曲线图

2 计算结果与分析

2.1 红细胞体积分数分布特征分析

图4为血流收缩期（0.1 s）时刻的颈内动脉红细胞分布图。由图可见，载瘤血管中动脉瘤壁出现明显的红细胞浓度极化现象（箭头指向），右侧血管弯曲处可见轻度红细胞聚集现象。在血流峰值时刻（0.2 s），红细胞在动脉瘤聚集区域面积相较于血流舒张期较大，右侧血管弯曲处，而在血流舒张期（0.4 s）时刻，动脉瘤红细胞聚集情况减弱，但血流中的红细胞在动脉瘤狭窄部位发生滞留现象，红细胞粒子不断碰撞、摩擦血管内皮细胞，导致增强血小板的活性，在一定程度上损伤了内皮细胞，促进了血管内膜中越来越多的脂质和纤维蛋白，同时对弹力纤维和平滑肌的增生提供滋养空间，最终形成血栓。

图4 红细胞聚集情况

2.2 壁面切应力分析

由图5可知，动脉瘤在收缩期壁切应力（wall shear stress，WSS）较低，在血流峰值时刻和舒张期时刻始终保持较低水平，而血管弯曲部位WSS较大，且随着血流脉动发生周期性震荡。在血流加速期，WSS跟血液流动速度正相关，血液流动速度大则WSS随之变大， 在血液舒张期内，WSS随时间变化而逐渐降低，并在周期结束时达到最小值。WSS发生突变，在血流峰值时刻，WSS逐渐减小并接近平稳水平。心动收缩期的WSS与壁面剪切率均比心动舒张期的大，对动脉瘤内的血栓形成影响较大，对血管弯曲结构的斑块形成也有促进作用。

图5 WSS分布情况

3 讨论

颈内动脉由于其位置特殊、结构复杂，其对大脑进行供血，颈内动脉发生动脉瘤、狭窄、血栓等病变可能会引起其他器官的严重疾病。血流动力学因素是构成动脉粥样硬化、动脉瘤形成的重要因素。因此，研究颈内动脉瘤的血液流变规律，不但能够帮助研究者了解动脉瘤、血栓形成的血流动力学机制，亦可对该疾病的治疗提供帮助。本研究使用三维建模软件对CTA影像数据进行建模，利用ANSYS Fluent软件构建双侧的颈内动脉，排除了其他因素的干扰，以健康一侧的颈内动脉作为另一侧载瘤动脉的参考，分别获得了不同心动时间的颈内动脉血流动力学参数分布特征。通过这种左右对称分析，可有效获得血流动力学的分布规律。

通过考虑血液非牛顿特性的多相流仿真计算，结果发现动脉瘤部位存在明显的红细胞浓度极化现象[13]。红细胞的聚集的区域存在较低的壁面切应力分布。红细胞迟滞时间较长，易导致血栓的形成[14]。在整个心动周期内，血液流动过程中产生的WSS震荡，对血管壁的结构与功能具有重要的调节作用，并参与血栓形成的全过程[15-16]。因此，血流动力学参数的分布是血栓形成的重要因素。

在血液多相流数值模拟中，在血管弯曲部分，血管壁的WSS始终处于低值状态，剪切率较低，导致此处的血液黏度的升高[7]。在多相流模拟中，高黏度区域阻碍了红细胞的二次流，而在动脉瘤区域红细胞的较高分布提高了血液的黏度，同时伴随着较强的速度涡流，使壁面的剪切率有所增加，共同促使壁面切应力的升高[12]。红细胞聚集导致的浓度极化现象说明血液的黏度的改变与血管的弯曲程度密切相关，血流动力学参数分布特征的剧烈变化导致红细胞的聚集分布。红细胞聚集导致血栓形成，如在动脉瘤区域则有利于动脉瘤的血流控制，如在弯曲部分聚集，则导致病变形成。

本研究发现，动脉瘤、血管弯曲部位都存在着红细胞聚集现象。在血管动脉瘤、血管弯曲部位附近区域存在着高WSS震荡，较大的WSS可能会导致内皮细胞的损伤，引起血液中的单核细胞和血小板的附着。

本研究表明，应用考虑血液的非牛顿特性的血液多相流分析，对颈内动脉瘤的红细胞聚集的现象进行机制分析，为进一步探索血液中的流动特性提供了理论依据。