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user: 3. 抽吸除栓过程中血流动力学的计算机仿真研究 尽管计算机仿真法已经成为血流动力学研究中的主要研究方法之一，具体到急性缺血性卒中患者取栓治疗这一新兴的方向，相关的研究却还处于萌芽阶段，公开文献中相关的研究报道至今非常少。以下对这些研究工作做简要介绍，主要从各项研究中对血流和血栓的模拟方法以及工作的优缺点方面进行述评。 Romero的研究组针对急性缺血性卒中患者的取栓治疗过程开展了一系列有特点的仿真研究 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]。不同于大多数其他研究组详细地考虑了脑血管内血流的逐点空间分布而用偏微分方程来描述血流状态，Romero的研究组将血管粗略地划分为少数几段，在每一段内用平均压力和流量来代表总的血压和血流水平而不计其中的逐点分布情况，这样对血流的模拟就简化为可以用常微分方程来描述。这样的简化处理有助于以最小的计算代价综合考虑血流的摩擦阻力、血管的顺应性和血流的惯性作用对于脑血流动态的影响。对血栓的模拟中，该研究组没有考虑血栓内部逐点的受力情况分布，而是将血栓大致分为一群相互之间有力学作用、各自占据某个空间位置的小球。沿着血管轴向，小球之间用弹簧–阻尼器组合来描述彼此间的弹性作用力和阻尼损失。近血管壁的小球和血管壁之间考虑静摩擦力和动摩擦力。研究针对的是采用Pearce等发明的Gwen Pearce抽吸导管 [ 22 ] [ 23 ] 进行的除栓，所以导管和血栓之间无接触。血液和血栓之间的相互作用通过血流量和血栓体积的固定比例关系来描述。这些研究中，采用相互作用的小球群来描述血栓的动力学变化是一个比较新颖的处理方法。其它部分的建模存在不足：鉴于抽吸过程中抽吸负压的值比较大，血液往往呈现紊流而不是层流，所以该研究组的工作中采用Poiseulle公式来描述血流的摩擦阻力并不恰当；抽吸负压并不足以对血液的密度造成影响，所以这些研究中考虑血液的可压缩性纯属多余，倒是血管壁的弹性比较明显，因此需要考虑抽吸负压对血管内腔体积变化的影响，而这一特征却被上述研究忽略了；描述血栓的小球之间沿血管径向方向也彼此存在力学作用，这些在上述研究中被有意无意地忽略了；血流和血栓之间是彼此通过压力和动量相互作用的，并不遵循上述研究中设定的血流量和血栓体积的固定比例关系；该组的研究是针对采用Gwen Pearce抽吸导管进行的无接触除栓进行分析的，却没有考虑Gwen Pearce导管所特意强调的导管头处出现的涡流对除栓过程的影响。此外，上述研究中对于速度和体积都采用符号v来描述，而在计算过程中误将二者混淆，造成了计算错误。凡此种种，都使上述研究的严谨性和可信度存在较大问题。 Neidlin等 [ 24 ] 采用了一维和三维仿真相结合的方法来研究抽吸除栓过程，其中左、右内颈动脉、左、右椎动脉、Willis环及其分支用三维计算流体动力学模型描述，而三维模型的边界条件都来自涉及更大范围的包括主动脉分支和脑血管的一维模型。三维模型考虑了血流流动特征在沿着血管轴向、径向、周向三个空间方向的分布，采用了Eulerian-Eulerian两相流模型来描述脑左中动脉栓塞情况下的除栓过程，比较了抽吸导管的导管头被推送到距血栓近端不同距离情况下(约5倍导管内径，以及约十几倍导管内径两种距离)的抽吸效果；一维模型主要考虑血流特征沿着血管轴向的变化，而在径向和周向用平均血压和血流量来代表。为了计算方便，计算过程假定各血管中的血压和血流量保持恒定，而且一维模型忽略了血管的弹性。研究表明，导管头距血栓较近时可以实现血栓抽吸，研究结果也将相应的的血栓抽吸过程可视化和定量化地描述出来以辅助进一步评估分析；而距离较远时无法完成有效抽吸。该研究的贡献在于首次以两相流模型分析了抽吸除栓术的动力学过程，探讨了非接触式抽吸除栓的流体动力学模拟。存在的主要技术缺陷包括：在忽略血管弹性、同时假定血流和血压恒定的情况下，一维模型实际上已经退化为代数方程，并不需要如作者那样求解常微分方程组以提供三维模型的边界条件；该研究中考虑的两种抽吸情况都比较偏离临床实际情况，主要表现在抽吸导管的导管头距离血栓近端太远；该研究设定的计算收敛条件是残差的均方根值降至1e−4，而通常的血流仿真需要残差的均方根值降至1e−5甚至更低才算收敛，所以该研究的精度不够；研究中假定血流保持层流，而实际上由于抽吸负压比较高而且血管形状迂曲复杂，流态非常大可能是紊流，所以需要考虑采用紊流模型；该研究中抽吸导管出口的边界条件设定为流量保持在100 ml/min，而实际上抽吸操作都是通过控制抽吸负压完成的，所以应该采用压力边界条件等等。由于存在这一系列问题，作者也承认该研究主要是为了提供一维三维模型相结合的研究方法探讨，其中对于抽吸除栓过程的模拟应视为可行性研究探讨，不宜用于与实际情况的比较分析。 上述针对抽吸除栓的计算机仿真研究 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 24 ] 都是考虑导管与血栓非接触情况下进行的，这应该是受Pearce等在设计Gwen Pearce抽吸导管时的思路影响：Pearce等认为非接触式抽吸除栓可以产生更大的抽吸力并同时减少对血管壁的损伤 [ 22 ] [ 23 ] [ 25 ]。在临床报道中抽吸导管的导管头一般是与血栓密切贴合的，甚至有时在抽吸操作开始前还要特意将导管头继续推进以确保压紧到血栓近端面上 [ 10 ] [ 11 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]。到底哪种情况才是更合理的，这需要通过力学测量和分析来深入研究。为此Lally等 [ 31 ] 通过机电模拟系统结合三维计算流体动力学仿真进行了初步探讨，其机电模拟系统实验和计算机仿真结果均表明在非接触情况下无法实现对血栓的抽吸，只有当导管头密切贴合在血栓表面时才能实现抽吸。该研究对于计算机仿真部分的具体实现方法未予说明。 为了进一步考察非接触式抽吸的有效性，Shi等 [ 32 ] 应用三维计算流体动力学仿真着重研究了抽吸导管的作用距离和抽吸力的关系。该研究对导管头与血栓接触和不接触两种情况进行了详细的力学分析，并针对非接触的情况将作用距离在0.1~5 mm之间变化时对应的血栓抽吸力分别进行了仿真比较。该研究对血栓进行了理想化简化，将血栓近端表面作为固壁处理。在血管近端的血流入口和导管尾端的出口都按照血流的生理条件以及血栓抽吸操作实际情况采用了压力边界条件。研究发现在所考察的作用距离范围内，导管对血栓的抽吸力随距离缩小而接近指数型增长；距离为0.1 mm时的抽吸力甚至略大于导管与血栓完全贴合时的抽吸力理论值。该结论一方面否定了Pearce等的最优抽吸作用距离为3 mm的提议，另一方面又指出当作用距离非常小时，有可能出现非接触式抽吸比接触式抽吸产生更大抽吸力的情况。 Chitsaz等 [ 33 ] 运用三维计算流体动力学仿真对4MAX和5MAX两个型号的Penumbra抽吸导管在一系列抽吸压力下的除栓效果进行了模拟和比较。该研究将血栓描述为血细胞通过纤维蛋白连接键组成的多孔结构，并假定当纤维蛋白连接键的应变大于2时连接键被破坏，相应地血细胞脱落形成血栓碎块。多孔结构的空隙里有血浆流过，其流动遵从Darcy定律。血细胞的受力包括与其相连的纤维蛋白连接键所施加的弹性力和血浆流动施加的流阻力。为了计算方便，将多个血细胞合起来看作一个血细胞团，细胞团之间的纤维蛋白连接键的弹性系数值也相应地按比例扩大。血栓近端和远端的血管中，血流均采用主动脉平均血压作为边界条件，而抽吸导管尾端出口采用一系列不同的抽吸负压作为边界条件。该研究也考虑的是非接触式抽吸过程，抽吸导管头与血栓保持了2 mm的距离。通过跟踪血栓块的运动和比较流场的速度分布，Chitsaz等认为在相同的抽吸压力条件下，使用5MAX导管所实现的血管再通率是使用4MAX导管情况的1.13倍(作者在结论中误表达为提高了1.13倍)，而使用5MAX导管同时还产生了更少的次级血栓块脱落，但是使用5MAX导管造成血管壁面剪切应力最大值达到2.75 Pa，会对血管内壁造成机械损伤。 Chitsaz等的研究是采用两相流以外的方法描述血栓抽吸过程的一个有益的尝试。研究的不足在于：首先，虽然Chitsaz等没有说明，但是该血栓模型实际上是基于Bajd和Sersa [ 34 ] 的用于模拟药物溶栓过程的血栓模型，而且对原模型做了很多简化处理，忽略了原模型中作用在血细胞上的一些外力，同时去掉了多孔结构间隙里的血浆流动的加速度项。这些处理所造成的误差如何Chitsaz等并没有提及。血栓的多孔结构模型和血管中的血流占据的空间区域是重合的，在Bajd和Sersa的溶栓过程模拟中血栓会缩小但是不移动，不会造成计算过程困难，但是在Chitsaz等研究的抽吸除栓过程中血栓会变形并移动，需要在计算过程的每一步跟踪二者的边界并相应处理，这是一个比较复杂的工作。对于这一点如何处理Chitsaz等也没有提及。况且，血栓的多孔结构模型在Bajd和Sersa [ 34 ] 的药物溶栓模拟中是方便于仿真计算的合适模型，但是在抽吸除栓的模拟中其实是一个代价大、误差大而且收效一般的数学处理，还不如像Neidlin等 [ 24 ] 那样采用Eulerian-Eulerian两相流模型来描述血栓更精确和方便。其次，该研究对于血栓远端的边界条件处理不很严谨。该研究在血栓近端和远端的血管中均采用了主动脉平均血压作为边界条件，而临床实际中血栓远端的血压要根据患者情况来决定：如果患者的脑部基本不存在侧枝循环，则血栓远端的血压应该接近零值才合适；即使患者脑部的侧枝循环良好，由于脑血管的内径较小，相应的血流沿程阻尼损失不可忽略，血栓远端的血压也不同于血栓近端。血栓远端边界条件的误差会影响到对于血栓的力学分析结果。另外，从该研究的结果看，血栓能够在两秒的时间内几乎被完全吸入导管中，说明该研究中纤维蛋白连接键的设定强度非常弱，这有为了得到预期结果而操纵参数的嫌疑。此外，Chitsaz等发现在5MAX导管上施加−50 KPa抽吸负压时，临近的血管壁上壁面剪切应力为2.75 Pa，于是断言存在血管壁破裂风险，而实际上组织工程学研究表明发生血管内皮细胞损伤的近壁剪切应力参考值为35 Pa [ 35 ]。这反映了Chitsaz等对于血流分析涉及的生理基础知识存在欠缺。 不同于上述研究中将血栓描述为固体小球群、固壁、流体或多孔介质，Good等 [ 36 ] 采用了粘弹性模型来描述血栓并通过调整模型参数来模拟不同粘弹性效应对抽吸除栓过程的影响，同时特意引入了通常用来描述生物薄膜的粘聚区模型来计算血栓–血管壁之间的相互作用，并用粘聚区的开裂过程模型来描述血栓从血管壁的脱落。该研究以血栓的形态变化为研究关注对象，忽略了对血流的模拟并将抽吸压力等边界条件直接施加在血栓表面上，考察了交变抽吸压力变化对于抽吸过程的影响。研究中构建了模拟抽吸除栓过程的大小为实际脑血管几何尺寸5倍的机电试验台，用氯丁橡胶模拟血栓，用高速相机记录了交变抽吸作用下模拟血栓的形态变化并与相应的计算机模拟结果向对照验证。在经过验证之后，用计算机仿真模型模拟了针对实际特性的血栓在实际尺寸脑血管中的交变抽吸除栓过程。结果发现，相比于恒定抽吸除栓操作，采用交变抽吸作用能够更有效地去除血栓，而且可以用比恒定抽吸作用下更小的抽吸压幅值完成除栓操作。该研究是目前对血栓的动力学特性和血栓与血管壁的力学相互作用描述最详尽最精确的，但是同时也存在着忽略了对血流动态以及血流与血栓相互作用的模拟的不足。应该指出，血流–血栓相互作用与血栓–血管壁相互作用都是影响抽吸除栓过程的举足轻重的因素，对血流–血栓相互作用的忽略将使仿真结果的有效性大打折扣。 另外，Pennati等 [ 37 ] 通过三维计算流体动力学仿真研究了冠状动脉血栓的抽吸除栓过程，比较了两种导管头设计的抽吸效果。该研究虽然不是针对脑血栓除栓过程的，但是和脑血栓的相应过程有一定相似性，所以值得借鉴。该研究采用了两相流模型来描述血液和血栓的不同粘度和密度特性以及血栓的运动。关于两种导管头的设计，一种是只有中心轴向孔，另一种是除中心轴向孔外还在导管侧壁上沿着轴向分布了三个相距6 mm的通孔。边界条件的设定和Chitsaz等 [ 34 ] 的处理一样，所以也存在和Chitsaz等一样的相应误差。除栓过程中，导管头直接穿透血栓进行作用。研究发现，由于侧壁上的通孔彼此相距较远，使得带通孔的导管头上有些通孔未被血栓覆盖因而作用于血流，造成血液被吸出而血栓未被有效作用。该研究组的Soleimani等 [ 38 ] 后来在此工作的基础上进一步用非牛顿特性来描述血液和血栓，考虑了血栓的表面张力的影响，并采用了更接近临床实践的血管形状，但是所得到的的研究结果基本上没有变化。 综合以上的相关研究，当前对急性缺血性卒中患者的抽吸取栓治疗过程的血流动力学计算机仿真研究可以概括如表1所示。 Table 1 Overview of computer simulation studies of hemodynamics in the aspiration thrombectomy for the treatment of acute ischemic strok 研究组 研究目的 血流模型 血栓模型 血流–血栓 相互作用 血栓–血管壁 相互作用 参考 文献 Romero等 抽吸除栓过程模拟。 将血管粗略分段，在每一段内考虑平均压力和流量而不计逐点分布情况。 表示为一群相互之间存在弹性作用和阻尼损失的小球。 通过血流量和血栓体积的固定比例关系来描述。 表示为小球和血管壁之间的摩擦力。 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Neidlin等 抽吸除栓过程模拟。 近血栓部分采用三维计算流体动力学模型，其他部分为一维模型。 将血栓看作与血液物理性质不同的另一流体。 采用两相流模型来描述。 无特别考虑。用通常的贴壁条件来处理。 [ 24 ] Shi等 研究抽吸导管的作用距离和抽吸力的关系。 理想简化血管形状内的三维计算流体动力学模型。 作为固壁处理。 按照通常的固壁处流动情况处理。 无特别考虑。一同作为固壁处理。 [ 32 ] Chitsaz等 比较两个型号的抽吸导管在不同抽吸压力下的除栓效果。 理想简化血管形状内的三维计算流体动力学模型。 通过纤维蛋白连接键组成的多孔结构。 多孔结构的空隙里有血浆流过，其流动遵从Darcy定律。 未说明。 [ 33 ] Good等 研究交变抽吸压力变化对于抽吸除栓过程的影响。 未考虑。 用粘弹性模型来描述血栓，并通过调整模型参数来模拟不同粘弹性效应。 未考虑。 粘聚区模型。 [ 36 ] Pennati等 比较不同导管头设计在冠状动脉抽吸除栓过程这的抽吸效果。 理想简化血管形状内的三维计算流体动力学模型 将血栓看作与血液物理性质不同的另一流体。 用两相流模型来描述。 无特别考虑。用通常的贴壁条件来处理。 [ 37 ] Soleimani等 比较不同导管头设计在冠状动脉抽吸除栓过程这的抽吸效果。 实际血管形状内的三维计算流体动力学模型，考虑血压的非牛顿特性。 将血栓看作与血液物理性质不同的另一流体。 用两相流模型来描述。 无特别考虑。用通常的贴壁条件来处理。 [ 38 ] 表1. 急性缺血性卒中抽吸取栓过程的血流动力学计算机仿真研究概况