血流动力学因素在动脉瘤发生、发展过程中的意义
发表时间：2009-05-25 浏览次数：917次
作者:刘展,综述,游潮,审校
作者单位：四川大学华西医院神经外科， 四川 成都 610041 【摘要】 动脉瘤的发生、发展过程十分复杂；不仅涉及动脉壁的损害，还与血流动力学因素的改变有关。血流的剪切应力对动脉瘤的发生、发展具有直接的作用，且该剪切应力随心动周期而改变。此外，动脉分叉角度也与动脉瘤的形成密切相关，不适当的动脉成角可以明显增加动脉瘤的发生概率，且动脉瘤在治疗过程中也会出现血流动力学因素的变化。
【关键词】 颅内动脉瘤 血流动力学 剪切应力 动脉夹角 动脉半径
颅内动脉瘤好发于Willis动脉环，分为梭形以及囊状动脉瘤；单发者占70%~75%，多发者占25%~30%。就病因而言，颅内动脉瘤可以分为自发性、创伤性以及感染性；自发性颅内动脉瘤的发生原因由多种因素构成。有证据表明：血流动力学的因素在颅内动脉瘤的发生过程中占有重要作用。Morimoto等[1]的研究表明：在有关诱发颅内动脉瘤形成的动物实验中，仅有动脉壁中层的破坏是不够的，必须伴有血流动力学因素的改变，例如结扎对侧颈总动脉或对侧willis动脉环，或人为造成动物血压升高，才会导致动脉瘤的发生。此外，动脉瘤的分布比例与颅内血供来源比例一致（两侧颈总动脉供血占颅内血供的80%，椎动脉供血占20%；而发生于颈动脉系统的动脉瘤约占颅内动脉瘤的80%，椎动脉系统占20%），亦从侧面说明血流动力因素对于动脉瘤形成的影响。
1 剪切应力在动脉瘤发生、发展中的作用 囊状动脉瘤往往发生于动脉交叉部远侧的隆突部位。Ferguson等[2]提出：血流动力学所产生的剪切应力、搏动力和压力引起脑动脉分叉处顶端内弹力层损害和中层缺损扩大，此部位受到血流的连续冲击后发生局部膨出，最后逐渐形成动脉瘤。Kim 等[3]也证实：血流冲击导致的动脉分叉部顶端微小缺损与人类动脉瘤的形成相关。由于血液是黏性液体，其流动可对血管壁产生剪切应力，且血流速度越快，该部位的剪切应力越大。剪切应力增大到一定程度即可造成动脉壁损伤，动脉分叉远侧隆突处为血流冲击的作用点。因此，分叉动脉隆突处最易发生动脉瘤；且分叉的角度越大，分叉处远端血管壁受到的冲击力越大[4]。而动脉瘤一旦发生，血管内的血流动力学也发生相应改变。如图1所示，血流先以一条较窄的流入带进入动脉瘤颈远端，对动脉瘤的外侧壁造成直接冲击；然后，血流以较慢的速度沿着动脉瘤内壁形成涡流；最后，形成的涡流沿着流入动脉瘤血流外侧，经瘤颈近端流出[5]。动脉瘤内涡流形成的强弱随心脏收缩周期的变化而变化，收缩晚期及舒张早期涡流的形成更加明显。动脉瘤壁受到的剪切应力亦随心脏周期的变化而变化，在涡流形成之前，动脉瘤颈远端及对应的瘤壁受到的剪切应力最大，之后随着涡流的形成，由于血流速度明显减慢而减小[6]。
2 动脉分叉角度与动脉瘤形成的关系 近来研究表明：动脉的几何形状及动脉分叉之间的角度也与动脉瘤的形成密切相关。动脉分叉具有降低血液在体内流动能耗的作用。Murray等[7]首先对最小能耗的最优化原则 （optimality principle of minimum work） 进行了描述：血流速度f （blood flow rate） 与血管内径r之间的关系可以用公式f = krn 来表示，其中k为常量，包括血液黏性以及血管和血液的形变等因素；n来源于血流在动脉分叉处分流量的间接测量值，n可以用方程r0n = r1n + r2n （r0、r1、r2分别为主要动脉以及分支动脉的半径） 求出。Rosen的研究表明：n的最佳值为3。此外，动脉分支之间也有最适宜角度来保证能量消耗最低 （图2）。例如：假设2条半径相近的分支动脉以相同的角度从1条动脉分出，最佳角度φ符合 cos φ = （rba/rpa）4 （rba和rpa分别代表分支动脉以及未分支前的源动脉）。而对于角度及半径均不相同的分支而言，φ1、φ2则符合以下公式：cos φ1 = （r04 + r14－r24） （2r02r12）－1；cos φ2 = （r04 + r24－r14）/ 2r02r22。当动脉分叉之间的角度明显偏离最佳角度时，会增加血流对于动脉分叉部位动脉壁的冲击。如果分支动脉以将近直角的方式从源动脉分出，则cos值接近0，这就意味着分支动脉必须拥有很小的半径才可以使能量消耗最小；相反，如果分支动脉与源动脉以近似平行的方式分布，则cos值接近1，分支动脉与源动脉的半径可以接近。以上推测可以在我们体内得以证实，如颅内小动脉 （诸如豆吻动脉等） 常以接近直角的方式从源动脉分出，而颈内动脉与颈外动脉之间的比例则符合后一种情况。 Ingebrigtsen 等[8]通过应用3D－DSA重建技术测量颈内动脉 （ICA）、基底动脉 （BA） 和大脑中动脉 （MCA） 后发现：在Willis环远端 （如MCA），n平均值一般为2.92，接近最佳值3；而相对位于Willis动脉环的动脉而言，n值一般为1.7 （ICA） 和1.6 （BA），远远低于最佳值。这与颅内动脉瘤高发于Willis动脉环的特点高度吻合。此外，根据上述公式，计算所得的角度明显小于实际观测角度。他们通过对正常人、动脉分叉处没有动脉瘤但其他部位有动脉瘤及动脉分叉处动脉瘤病人进行血管造影，对比后发现：三者的φ1，φ2及根据公式计算所得角度与实际观测角度之间的差值不同，且统计学分析表明：只有测量角度对于估计动脉瘤的发生具有价值。他们发现：大分支动脉与原动脉之间的夹角位于中段1/3 （48°~60°） 时，可以减小动脉瘤发生的风险；而角度位于高段1/3 （61°~115°） 时，则可增加动脉瘤的危险性；对于较小分支动脉而言，动脉瘤的发生风险随其与源动脉之间夹角角度的增加而逐步增加，角度越大，风险越大。Sakamoto等[9]通过对10例大脑前动脉 （ACA）动脉瘤病人进行研究发现：这些病人ACA与ICA之间的夹角明显大于MCA与ICA之间的夹角，动脉瘤颈皆位于ACA侧。Kasuya等[10]对发生于ACA A1、A2段的动脉瘤进行研究后发现：A1、A2段之间的夹角 （外侧夹角） 与动脉瘤的发生密切相关，发生动脉瘤者A1、A2之间的夹角明显小于未见动脉瘤者。Ujiie等[11]发现：在A1、A2相交处的血液流动特点类似于液体在弯管中的流动特点，该处会有涡流形成，且这种流动所产生的剪切力随A1、A2之间侧角的变化而变化。当两侧A1、A2之间的角度不对称时，产生的剪切应力更加复杂。
综上所述，动脉瘤的发生、发展过程十分复杂，不仅涉及动脉壁的损害，还与血流动力学因素的改变有关。此外，动脉瘤在治疗过程中也会发生血流动力学因素的改变。正确认识血流动力学因素在动脉瘤发生、发展过程中的重要作用，有助于指导我们对动脉瘤的防治。
【参考文献】 [1] MORIMOTO M, MIYAMOTO S, MIZOGUCHI A, et al. Mouse model of cerebral aneurysm: experimental induction by renal hypertension and local hemodynamic changes [J]. Stroke, 2002, 33(7): 1911-1915.
[2] FERGUSON E R, BLACKWELL G G, MURRAH C P, et al. Evaluation of complex mediastinal masses by magnetic resonance imaging [J]. J Cardiovasc Surg (Torino), 1998, 39(1): 117-119.
[3] KIM C, KIKUCHI H, HASHIMOTO N, et al. Histopathological study of induced cerebral aneurysms in primates [J]. Surg Neurol, 1989, 32(1): 45-50.
[4] HADEMENOS G J, MASSOUD T F. Biophysical mechanisms of stroke [J]. Stroke, 1997, 28(10): 2067-2077.
[5] JOU L D, QUICK C M, YOUNG W L, et al. Computational approach to quantifying hemodynamic forces in giant cerebral aneurysms [J]. Am J Neuroradid, 2003, 24(9): 1804- 1810.
[6] STEINMAN D A, MILNER J S, NORLEY C J, et al. Image-based computational simulation of flow dynamics in a giant intracranial aneurysm [J]. Am J Neuroradid, 2003, 24(4): 559-566.
[7] MURRAY C D. The physiological principle of minimum work applied to the angle of branch arteries [J]. J Gen Physiol, 1926, 12(3): 835-841.
[8] INGEBRIGTSEN T, MORGAN M K, FAULDER K, et al. Bifurcation geometry and the presence of cerebral aneurysms [J]. J Neurosurg, 2004, 101(1): 108-113.
[9] SAKAMOTO S, OHBA S, SHIBUKAWA M, et al. Characteristics of aneurysms of the internal carotid artery bifurcation [J]. Acta Neurochir (Wien), 2006, 148(2): 139-143.
[10] KASUYA H, SHIMIZU T, NAKAYA K, et al. Angeles between A1 and A2 segments of the anterior cerebral artery visualized by three-dimensional computed tomographic angiography and association of anterior communicating artery aneurysms [J]. Neurosurgery, 1999, 45(1): 89-94.
[11] UJIIE H, LIEPSCH D W, GOETZ M, et al. Hemodynamic study of the anterior communicating artery [J]. Stroke, 1996, 27(11): 2086-2094.
