安思龙，陈健龙，蔡仁端，符策锐，王振平，宋智勇，刘朝晖

1.海南医学院，海南 海口 570311；2.海南省人民医院海南医学院附属海南医院，海南 海口 570311；3.北京科技大学，北京 100083

生物流体力学研究发现，颈动脉分叉部位易发生湍流现象，颈动脉窦部外侧壁较其他部位承受更低壁面剪切力(wall shear stress，WSS)影响[1]。血管内湍流、低WSS可以对血管内皮造成机械力损害，诱导一系列慢性炎症反应导致血管硬化发生。准确评估CEA 手术后血管几何形态对流体力学状态的影响，可以预测局部血栓形成、斑块形成和血管再狭窄等危险事件，对临床医疗有重要参考价值[2]。

计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)是研究血流动力学的重要数学模拟手段。本研究前期工作针对颈动脉3D 血管结构建立数学模型，通过3D 打印技术配合显微粒子成像(micro-scale particle image velocimetry，Micro-PIV)技术精准测量实体模型流场特征[3]，验证了本研究所建CFD 数值模拟有效性和准确性。目前，在血流动力学领域同时开展物理和数学模拟的研究很少见报道。

本研究通过对CEA 术后颈动脉窦部(bulb)管径、颈总动脉(common carotid artery，CCA)远段管径、颈外动脉(external carotid artery，ECA)和颈内动脉(internal carotid artery，ICA)分叉角度、Bulb/CCA管径比值等血管几何形态特征的测量，利用CFD技术分析管腔内血流动力学状态，如定性判断血管内有无湍流的发生、定量测量血管壁WSS 的数值，以寻找CEA 术后血管几何形态特征对管腔内血流动力学状态的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性纳入2016 年5 月至2020年12 月在海南省人民医院神经外科及血管外科行CEA 手术治疗且符合以下纳入和排除标准的50 例患者为研究对象。纳入标准：(1)CEA术后1周内行头颈部CTA 检查，影像学数据以Dicom 格式保存；(2)术前行CTA提示颈动脉粥样硬化斑块均有进展；(3)手术方式为标准式CEA，对颈动脉壁切口原位缝合；(4)患者或其家属在手术治疗前均签署知情同意书。排除标准：(1)CEA术后行CTA检查发现病侧颈动脉仍有重度狭窄或闭塞者；(2)CEA 手术使用了补片进行动脉血管塑形；(3)甲状腺上动脉起源于颈总动脉或低于颈动脉窦水平处者；(4)合并有颈动脉炎、颈动脉夹层等非动脉粥样硬化性颈动脉狭窄性疾病者。50 例患者中男性38 例，女性12 例；年龄51～79 岁，平均(67.4±6.1)岁。本研究经海南省人民医院医学伦理委员会备案及审批通过。

1.2 构建血管模型 CTA 影像学设备采用西门子SOMATOM Definition AS 20(Open)，图像重建使用迭代算法SAFIRE 技术，重建层厚1.0 mm。将颈动脉CT图像序列以DICOM格式导入Materialise公司的医学影像三维重组软件Mimics19.0中，生成颈动脉血管初步3D 模型，利用Geomagic Wrap 软件进行细化网格、减少噪音、光顺表面等处理平滑。

1.3 构建血流动力学模型 利用Solidworks2018软件(Dassault Systemes公司，法国)对颈动脉血管实体模型创建出入口平面，将获取模型导入ANSYS-ICEM中进行网格划分、设置边界条件。本研究中边界条件的设定：假定血液为不可压缩、密度为1 055 kg/m³、黏度0.003 99 kg/(m·s)的牛顿流体，血管壁为表面平滑、不可渗透的刚性管壁。质量守恒方程和Navier-Stoks方程组成流体域的计算方程。利用Ansys Fluent自带的CFD-POST 软件对数据进行分析和可视化处理，将计算得出的压力、速度、WSS等数值进行定位、定量采集，以云图、矢量图、流线图、切面图的形式展示。

1.4 颈动脉血管几何形态数据测量 颈动脉几何形态数据的测量基于在Mimics 软件里生成中心线的功能，测量参数如下(图1)：CCA远段管径(颈动脉分叉下方1.0～1.5 cm 范围)、Bulb 管径(总动脉分叉部水平位置到颈内动脉起始段局部膨大部分最宽径)、ECA近段管径(分叉以上1.0～1.5 cm且血管前、后壁走行相对平直的部分)、ICA近段管径(分叉以上1.0～1.5 cm且血管前、后壁走行相对平直的部分)、颈动脉各管径之间的比值、颈内动脉与颈外动脉分叉角。CTA影像资料显示的是血管内造影剂显影部位，所测管径均为血管内径。该项操作分别由两名工作时间3年以上的影像科医生执行，最终取两位医生测量数据的平均值。

图1 颈动脉几何形态、数据测量部位示意图Figure 1 Schematic diagram of carotid artery geometry and data measurement site

1.5 血流动力学分析

1.5.1 血管内湍流现象测定 经CFD 计算得出血管内流速截面矢量图以及流线分布图(图2)，在血管内设置观测平面，判断有无湍流现象发生。判断标准：通过流速截面矢量图观察是否有垂直于血管轴线方向或与垂直于血管轴向截面方向的分速度产生，观察血流流线的流动状态是否紊乱。

图2 设置观测平面，截取流速截面矢量图Figure 2 Setting the observation plane and capturing the flow velocity cross-section vector map

1.5.2 颈动脉窦部外侧壁WSS 数值测定 经CFD 计算后得出颈动脉WSS 分布云图(图3)，既往研究表明，在颈动脉分叉处，颈动脉窦部外侧壁处相较其他部位存在更低WSS 数值分布，该处WSS 数值对于评估血管内WSS的分布具有代表性，本试验将此部位作为测量点，测量WSS数值并记录。

图3 颈动脉WSS分布云图Figure 3 WSS distribution map of carotid artery

1.6 统计学方法 汇总全部资料，利用SPSS 26.0统计学软件进行数据统计学分析。计量资料符合正态分布，以均数±标准差()表示；Bulb/CCA管径比值≤1 和＞1 两组患者在血管内是否产生湍流之间的差异性，采用χ2检验；将血管几何形态数据与颈动脉窦部外侧壁WSS 数值进行Spearman 相关性分析，将存在显著相关性的血管几何形态数据纳入多元线性回归分析；采用多重二元Logistic 回归分析导致血管腔内形成湍流的血管几何形态的独立危险因素。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 CEA 术后颈动脉血管几何形态数据 通过mimics 结合患者CTA 影像学资料测量患者CEA 术后颈动脉血管几何形态数据，见表1。

表1 患者CEA术后颈动脉血管几何形态数据Table 1 Carotid artery geometry data of patients after CEA surgery

2.2 CEA术后颈动脉窦部外侧壁观测点WSS数值 通过CFD模拟计算后处理WSS分布云图，在云图上设置观测点进行定位采集，得出患者CEA术后颈动脉窦部外侧壁WSS数值，在50例患者中，窦部外侧壁WSS最大值为11.93 Pa，最小值为0.13 Pa，均值为3.11 Pa。

2.3 CEA 术后颈动脉管腔内有无湍流状态数据 通过观察CFD 流速截面矢量图以及血流流线的流动状态，发现在50 例CEA 术后患者颈动脉血管中有30例(60%)出现湍流，20例(40%)未出现湍流。

2.4 Bulb/CCA 管径比值与血管内有无湍流状态的差异 将Bulb/CCA 管径比值按照管径比值≤1(共24例，其中血管内有湍流8例，无湍流16例)、管径比值＞1(共26例，其中血管内有湍流22，无湍流4例)分组，采用χ2检验，结果显示：在Bulb/CCA 管径比值≤1 和＞1两组患者中，Bulb/CCA管径比值＞1组患者的CEA术后颈动脉管腔内更容易形成湍流，差异有统计学意义(χ2=13.675，P=0.000 217＜0.05)。

2.5 CEA 术后颈动脉血管几何形态与观测点WSS 数值的相关性 采用Spearman 相关分析，发现Bulb管径和观测点WSS数值呈负相关(P＜0.05)，Bulb/CCA管径比值和观测点WSS数值呈负相关(P＜0.05)，ECA与ICA分叉角度和观测点WSS数值呈负相关(P＜0.05)，见表2。

表2 颈动脉血管几何形态与观测点WSS数值的相关性Table 2 Correlation between the carotid artery geometry and the WSS values at the observation point

2.6 CEA 术后颈动脉血管几何形态与观测点WSS 数值的线性相关关系 将与观测点WSS 数值存在相关性的Bulb 管径、Bulb/CCA 管径比值(0=管径比值≤1，1=管径比值＞1)、ECA与ICA分叉角度数据纳入多元线性回归分析，采用逐步回归法的结果显示：Bulb/CCA管径比值与观测点WSS数值呈负性线性相关关系(B=-3.505，P＜0.05)，见表3。

表3 ECA 和ICA 分叉角度、Bulb 管径与观测点WSS 数值的多元线性回归分析Table 3 Linear regression analysis of ECA and ICA branch angle,Bulb diameter,and WSS value at the observation point

2.7 CEA 术后颈动脉血管几何形态影响湍流产生的独立危险因素 将Bulb 管径、CCA 远段管径、ECA 近段管径、ICA 近段管径、ECA 和ICA 分叉角度作为自变量，术后血管内有无湍流状态的发生作为因变量，进行多重二元Logistic 回归分析，结果显示：Bulb管径、CCA远段管径是颈动脉管腔内产生湍流的独立危险因素(P＜0.05)，见表4。

表4 血管内有无湍流状态危险因素的多重二元Logistic回归分析结果Table 4 Logistic regression analysis results of risk factors for turbulence state in vessels

3 讨论

基础研究发现，生理状态下，血液以稳定的层流状态流动，对血管壁产生一定程度WSS 的牵张，起到保护血管内皮细胞的作用。血压和血流状态异常可以损害血管内皮细胞，对血管壁结构产生继发改变，造成管腔内动脉粥样硬化的形成[4]。研究发现，颈动脉分叉部位出现湍流[5]，颈动脉窦部过低的WSS 等异常血流动力学状态，是颈动脉粥样斑块形成初始阶段的重要生物力学因素[6]。

大量临床研究证实，CEA术后的颈动脉血管几何形态特征会对术后再狭窄的发生产生一定影响，例如，张克等[7]分析了931 例患者的影像学资料，结果显示术后颈总动脉直径＜6.8 mm、颈动脉窦部与颈总动脉远段管径比值＞1.0 是CEA 术后血管再狭窄的独立危险因素。

本研究发现，颈动脉窦部管径与颈总动脉远心端管径是血管内形成湍流状态的独立危险因素。颈动脉窦管径每增加一个单位，血管内形成湍流的风险增加6.042倍，颈总动脉远心端管径每减少一个单位，血管内形成湍流的风险增加0.240倍。Bulb/CCA管径比值也是影响血管内形成湍流的重要因素。Bulb/CCA管径比值≤1，湍流发生率明显升高。另外，某些特殊的血管几何形态对颈动脉窦部外侧壁WSS 影响很大。颈动脉窦部管径、颈内动脉与颈外动脉分叉角度和观测点WSS 数值呈负相关线性关系，随着颈动脉窦管径增大、分叉角度的扩大，颈动脉窦部外侧壁的WSS 数值趋于减小。这一结果表明，在进行CEA手术操作时，术者在行颈动脉内膜剥脱后，可以对血管管径进行适当的塑形，尤其是控制颈动脉窦部和颈总动脉远段管径，保持两者适当的管径比值，可以明显降低术后血管内湍流的发生、改变颈动脉窦部血管壁的WSS，对预防术后血管再狭窄有一定的积极作用[8]。

血管塑形的重点在于动脉管壁缝合方式的选择。目前，动脉壁切口缝合分为原位直接缝合和使用补片两种缝合技术。原位直接缝合对血管管径塑形接近自然健康的血管形态，术后血管内血流状态稳定；使用补片缝合，由于扩大了颈动脉窦部管径，颈动脉窦部和颈总动脉的比值增大，术后局部湍流发生率明显增高，但是补片缝合同时也增加了颈总动脉的直径，可以降低血流紊乱事件的发生。迄今为止，关于这两种手术缝合方式的临床对比研究很多，结论不一。Huizing等[9]对9个随机试验和20个非随机试验的13 219例CEA手术做了系统回顾分析，术后30 d 内卒中发生率和术后再狭窄发生率，原位缝合组均高于补片组。Marsman 等[10]的荟萃分析和Avgerinos 等[11]对1 737 例CEA 手术患者的回顾性分析研究显示，两种手术方式在并发症、远期效果和再狭窄发生率等方面进行比较差异无统计学意义。

目前关于CEA 手术方式的优劣性评价尚无统一认识，缺乏高级别的循证医学证据。欧洲CEA 指南建议常规使用补片(推荐等级I级，Level A)[12]，但也有专家推荐选择性使用补片[13]。《中国颈动脉内膜剥脱术指导规范(2015 版)》对手术方式的选择虽然没有具体建议，但是对显微镜-CEA (microscopic carotid endarterectomy Micro-CEA)的优势做了详细介绍，例如可以获得清晰的手术视野，颈动脉壁切口缝合的边距为1 mm等。目前公认的是Micro-CEA手术原位直接缝合切口对颈动脉管径影响甚微，术后颈总动脉和颈动脉窦的血管形态最接近生理形态。

本研究有以下几点局限性：(1)仅纳入了单中心50 例患者，样本量较小，存在一定的选择偏倚。(2)因CFD技术的限制，本研究将具有弹性的血管视作刚性管道，将含有细胞和各种生物分子的血液视为简单的牛顿流体，不能与真实的在体动脉血管和血流状态完全一致。(3)本研究是回顾性分析，没有做队列研究，降低了预测价值。(4)没有使用健康一侧的颈动脉做对照研究。

综上所述，CEA患者术后颈动脉血管几何形态特征对管腔内血流动力学状态有重要影响，尤其是颈动脉窦管径、颈总动脉远段管径以及两者的比值，对颈动脉窦部WSS 数值和管腔内是否形成湍流有显著影响。对于CEA手术患者，临床术前利用CTA影像资料和CFD技术分析血管几何形态与血流状态的关系，指导术中进行血管几何形态的塑形，可以降低术后血流紊乱的发生，对减少术后再狭窄和提高远期手术疗效有一定的临床参考价值。