作者：丁静，夏爽，南开大学医学院；郭瑜，天津市第一中心医院放射科；任博，南开大学计算机学院

头颈部血管性病变是一类严重威胁病人健康和生活质量的病理改变，可能导致脑卒中等严重疾病，是临床诊疗中的重点问题，其中最常见的为动脉粥样硬化和动脉瘤。动脉粥样硬化是一种慢性进展性血管病变，其特征是动脉壁内脂肪、胆固醇等物质的沉积，形成粥样斑块，可能限制或阻塞血流，增加卒中风险。

动脉瘤则是动脉壁的局部异常扩张，形成薄弱的囊状结构，一旦破裂可能危及生命。计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）作为一种无创的流体力学评估方法，为头颈部血管性病变的诊断和治疗提供了重要工具。CFD 通过模拟血流运动，能够精确计算血流速度、壁面剪切应力和压力等关键参数，从而评估病变风险、预测治疗效果并优化治疗方案。

与传统的有创性监测方法相比，CFD 具有无创、高效的优势，能够显著降低病人的痛苦和并发症风险。目前，CFD 已广泛应用在头颈部血管性病变的临床研究和诊疗中，为深入理解病变机制、开发新治疗策略提供了科学依据。

1. CFD 概述

CFD 通过计算机模拟血流在血管中的运动行为，能够提供多种与病变密切相关的流体力学参数。这些参数包括：(1)壁面剪切应力(wall shearstress, WSS)，即血流对血管内壁的切向摩擦力，通常用来描述和量化血流动力学对血管壁的物理作用，单位为帕斯卡(Pa)。WSS 的量值和方向性与血管内皮细胞的排列、功能密切相关。(2)时间平均壁面剪切应力(time-averaged wall shear stress, TAWSS) ，即完整的心动周期内壁面剪切应力的平均值。TAWSS有助于识别由于剪切应力异常而可能发展为动脉粥样硬化的区域。(3)振荡剪切指数(oscillatory shearindex, OSI)，作为无量纲参数，其是心动周期内WSS矢量总和的绝对值与WSS 绝对值总和之比，用于衡量WSS 方向变化的程度。

CFD 作为一种高效的数值模拟工具，能够选择多种模型及边界条件来模拟血液流动及相关生物力学过程。这些模型包括牛顿和非牛顿流体，刚性壁和弹性壁，层流和湍流等。选择合适的模型取决于研究目的、所需精度和计算资源。如牛顿模型在某些情况下可能是足够的，但如果需要更精确地评估WSS 和OSI，特别是当这些参数至关重要时，使用非牛顿模型是必要的。

2. CFD 在头颈部血管性病变中的应用

血管病变的空间分布呈显著的血流动力学依赖性，好发于动脉分叉、弯曲等几何形态复杂区域。早期研究已经证实，颈动脉的几何参数通过调控WSS 时空分布，可成为动脉粥样硬化发生的独立预测因子。Liu 等的前瞻性队列研究中采用三维超声联合MRI 对入组病人颈动脉分叉角度进行多模态评估，并进行12 个月随访发现，颈动脉分叉角度的增大与大脑中动脉粥样硬化风险的增加及严重程度显著相关。

Spanos 等发现，颈动脉球部直径与颈总动脉直径的比率较低时，其与颈动脉分叉处斑块显著相关。此外，动脉的几何形态可能关系到血管狭窄的风险，这种影响独立于传统血管风险因素。与健康人群相比，存在颈动脉血管病变的病人通常具有更大的颈动脉血管分叉角。究其原因，可能是因为动脉分叉角度与WSS 值存在显著的负相关，即分叉角度越大，WSS 值越低。低WSS 可能影响血管内皮细胞的正常生理功能，并促进动脉粥样硬化的发展。在头颈部血管性病变研究中，CFD 通过构建三维血流动力学模型，能够模拟不同病理状态下的血流状态，预测血管病变的发展过程，并为制定预防和治疗策略提供科学依据。

2.1 头颈部动脉粥样硬化斑块评估

动脉粥样硬化斑块的病理进程与血流动力学异常存在显著的时空耦合特征，尤以脑动脉和冠状动脉区域为典型易发部位。研究表明高OSI 等异常流体环境会加速内皮细胞更新，导致内皮屏障功能受损，炎症因子释放增加，最终促进脂质沉积和斑块形成。

目前，临床针对头颈部动脉粥样硬化斑块的诊疗决策主要依赖于管腔狭窄百分比的评估。然而Schollenberger等的研究揭示，狭窄程度相似的血管CFD 分析也可能显示出明显的血流动力学异质性，这些差异可能引起不同的临床表现和预后。CFD 能够深入揭示血管内复杂的血液流动现象，并有助于理解斑块形成的机制，监测其进展，评估斑块的易损性，并为制定有效的治疗策略提供科学依据。

2.1.1 斑块形成评估

动脉粥样硬化斑块的空间异质分布与血管壁的流体力学参数（如WSS、OSI）显著相关。从病理机制层面，内皮细胞功能障碍是斑块形成的始动因素，低WSS 通过调控内皮细胞力学信号转导通路，促进炎症反应、氧化应激和内皮细胞凋亡，从而增加了斑块形成的风险。

有研究通过在体外对动脉内皮细胞施加不同大小的剪切应力，并分析这些应力下斑块中特定蛋白的表达情况，结果发现动脉内皮细胞在生理性剪切应力为10 Pa 的作用下可维持抗炎、抗血栓形成及血管稳态调控功能；而在低剪切应力为1 Pa 的刺激下，内皮细胞黏附分子表达显著上调并伴随促炎因子异常释放，进而驱动炎症细胞募集与局部炎症级联反应，最终促进斑块形成。OSI 作为评估血流动力学稳定性的关键参数，其生理性波动对维持内皮功能稳态具有重要调控作用。研究表明，OSI 异常升高的区域与早期斑块形成存在显著空间相关性，局部炎症反应作为动脉粥样硬化病理进程的关键启动机制，可通过内皮功能障碍等途径加速斑块形成。

2.1.2 斑块动态变化

多项血流动力学研究表明，流体力学参数与动脉粥样硬化斑块的形态学特征及临床转归存在显著相关性。Moerman 等基于TAWSS 和OSI 的三分位数分组研究发现，高TAWSS（上三分位）或低OSI（下三分位）血流动力学异常区域与斑块失稳相关的形态学特征（包括坏死核心面积增大和巨噬细胞浸润程度升高）存在显著相关性。Lan 等为明确WSS 在症状性颅内动脉粥样硬化狭窄（symptomatic intracranial atheroscleroticstenosis，sICAS）生物学转归中的作用机制，前瞻性纳入39 例接受规范化药物治疗的sICAS 病人，基于随访影像学特征将病人分为斑块进展组、稳定组及消退组，研究发现相较于狭窄持续组，斑块消退组病人不仅表现出更高的相对壁剪切应力，其高WSS 区域占比亦显著增加。

该研究表明，sICAS 病灶及周边区域的高WSS 环境可能促进斑块生物学良性转归，在接受规范化药物治疗的病人中，WSS 参数或可作为评估临床预后的有效血流动力学指标。此外，一项研究表明，与传统血管危险因素及血管狭窄程度相比，结合传统血管危险因素和sICAS 血流动力学状态可以更准确地识别高风险病人。由此可见，CFD 可以通过评估动脉狭窄程度的变化，间接反映斑块体积与成分的动态变化。

2.1.3 斑块易损性评估

血流动力学参数与斑块病理特征的相关性研究为临床识别高风险病灶提供了新视角。Savastano 等通过对比CFD 模拟数据与颈动脉内膜剥脱术中观察到的斑块形态学特征发现，位于血流方向上斑块溃疡区域上游的高WSS与斑块溃疡形成及斑块内出血等易损特征显著相关。这一发现提示血流动力学参数的测量和分析在评估斑块稳定性和破裂风险中十分重要。

另一项研究通过整合高分辨MRI 和CFD 模拟技术探讨了颈动脉狭窄病人斑块内出血的流体力学因素，多变量回归分析结果证实WSS 是预测斑块内出血发生的独立危险因素。还有研究采用参数化建模技术系统构建不同形态斑块的血流动力学模型，通过分析不同形态斑块与流体力学空间分布规律发现，位于血管近端的偏心斑块的WSS 和壁面剪切应力梯度高于其他部位的斑块，提示这些斑块更容易受到剪切力的影响，从而使破裂的风险增加。

2.1.4 辅助制定斑块治疗策略

CFD 在指导动脉狭窄的治疗策略和优化手术效果方面发挥着关键作用。Liu 等研究了不同形状支架置入对颅内动脉粥样硬化狭窄病人局部血流动力学的影响，结果发现在某些特定情况下，内缩型和外缩型支架的WSS与扩大型支架的相比，差异可超过30%，这表明支架形状的选择对手术效果可能具有重要的指导意义。

Wang 等针对1 例存在串联狭窄的病人构建了血管模型，并进一步基于此模型创建了3 种假设模型，包括仅移除颈总动脉狭窄、仅移除颈内动脉狭窄以及两者均移除的模型，通过对比这4 种模型的CFD 模拟结果发现，治疗1 处狭窄可能会改变下游斑块的血流负荷，这可能会增加斑块破裂或再狭窄的风险。因此，在规划颈动脉内膜剥脱术时，应考虑串联狭窄的影响，因为它会使下游的血流动力学环境变得更加复杂。通过CFD 模拟术后血管状态，可以评估术后复发风险，从而有助于制定更为合理的手术方案。

2.2 颅内动脉瘤破裂风险预测

颅内动脉瘤是由于颅内动脉壁的内层和中层受损或破裂，引起的血管壁异常扩张病变，常见于Willis 环的分支处。基于对病人CTA/MRA 影像数据的定量分析，能够获得颅内动脉瘤的血流动力学特征，包括流速、压力和壁面剪切应力，从而有助于阐明动脉瘤的形成和破裂的流体力学机制。

Suzuki 等利用CFD 分析发现，动脉瘤中WSS 较低的区域可能与炎症增加和动脉瘤壁变薄有关，这可能是动脉瘤破裂的前兆。然而，也有研究指出，随着动脉瘤体积的增长，WSS 与动脉瘤破裂之间的关系可能会发生变化。此外，一项多中心回顾性研究采用机器学习方法预测小型动脉瘤的破裂风险具有较高的预测效能，其中血流动力学参数是关键的预测指标。通过术前模拟血流情况，CFD 还可以帮助医生设计手术方案并预测术后血流重建情况。

2.2.1 识别动脉瘤形成

至今尚未完全阐明颅内动脉瘤的形成机制，这也与其早期阶段难以被观察和诊断有关。目前，大多数血流动力学研究聚焦于动脉瘤形成后的结构变化、流体力学特性以及破裂风险的评估。然而，有研究纵向追踪了2 例颅内动脉瘤从初始形成、渐进性扩张到最终破裂的全病理周期，并对此进行全过程血流动力学分析，结果发现，在动脉瘤形成之前，相关区域的WSS 和壁面剪切应力梯度显著高于其上游动脉水平，这种环境可能与动脉瘤的形成和进展密切相关。

此外，这些区域中的涡流结构和复杂的多涡流动增加了局部血流的不稳定性和复杂性，这可能与动脉瘤的形成和破裂有关。因此，通过监测和分析这些血流动力学特性，有助于更早地识别出高风险区域，从而采取预防措施或进行早期干预，以减少动脉瘤的形成和破裂风险。

2.2.2 预测动脉瘤破裂

目前的CFD 研究在动脉瘤破裂的血流动力学机制方面已经形成了共识。Jiang 等通过比较动脉瘤薄壁区域与周围正常厚度区域的WSS，发现薄壁区域的WSS 相对较低。Xu等研究结果显示，动脉瘤破裂组与未破裂组相比，瘤内最大WSS 显著较高。

另有研究发现破裂动脉瘤组的低WSS 区域占比和OSI 最大值远高于未破裂组，破裂动脉瘤的TAWSS 平均值显著低于未破裂动脉瘤组，表明较高的低WSS 区域占比、较低的TAWSS 和较高的OSI 值可能成为预测动脉瘤破裂风险的关键指标；该研究还比较了破裂与未破裂动脉瘤的血流动力学特征，结果显示破裂动脉瘤组的WSS 较低，而未破裂动脉瘤的WSS 较高。由此推断，动脉瘤可能最初在高WSS 区域生长，随着时间推移，这些区域可能转变为低WSS 区域，并最终在低WSS 区域发生破裂。Wang 等进一步分析其原因，发现瘤体增大会导致动脉瘤壁上的最小WSS 降低，这一发现与前述结论相一致。

2.2.3 动脉瘤治疗

有研究发现，在动脉瘤形成的初期，通常伴随着高WSS，而随着瘤体的生长，其内部的WSS 和流速会降低。栓塞治疗可使动脉瘤颈部的高壁面剪切应力区域面积减少。Li 等的研究比较了粒子图像测速仪和CFD 模型实验结果，认为CFD 是评估血流导向支架治疗效果的有效工具。血流导向支架通过改变血流方向减少动脉内部压力，促进瘤内血栓形成，最终可能导致动脉瘤闭塞。

然而，如果支架未能与血管壁紧密贴合，可能诱发多种临床并发症，包括血运重建部位的继发性血栓形成、植入物内皮化进程显著延缓，以及由此引发的脑血管意外风险升高等。支架植入前的血流动力学特征（如WSS 分布不均），可能导致支架定位不稳定，影响治疗效果。因此，在植入支架前进行血管形态分析及实施虚拟支架治疗后的CFD 模拟，可以有效评估支架安装不良的风险，进而降低不良预后的发生概率。可见，CFD 能够为动脉瘤的术前评估和治疗策略选择提供更精确的支持。

3. 小结

目前，CFD 技术在脑血管病变评估中显现出了明显的优势及应用价值，但其临床转化仍面临三大挑战。第一，动脉粥样硬化和动脉瘤形成的确切流体力学参数阈值尚未形成共识。第二，目前对于罕见但严重的脑血管疾病，例如颅内动脉夹层和烟雾病等，流体力学的研究相对较少。第三，其他相关的力学技术，例如具有综合评估血管的管腔和管壁斑块成分特征潜力的流固耦合技术及结构应力参数在实际应用中并不广泛。未来的研究应集中在以上临床应用和技术改进方面，以期达到更准确的病变预测和更有效的治疗策略。

来源：丁静,任博,郭瑜,等.计算流体力学在头颈部血管性病变中的应用进展[J].国际医学放射学杂志,2025,48(02):223-228.DOI:10.19300/j.2025.Z21642.