急性脑栓塞Penumbra机械取栓：1例建模和有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.27.014

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (27): 4345-4354.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.27.014

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急性脑栓塞Penumbra机械取栓：1例建模和有限元分析

刘波¹，谢鹏²，李志伟¹

¹重庆医科大学附属永川医院神经内科，重庆市 402160；²重庆医科大学附属第一医院神经内科，重庆市 400016

出版日期:2014-06-30 发布日期:2014-06-30
通讯作者: 李志伟，主任医师，教授，重庆医科大学附属永川医院神经内科，重庆市 402160
作者简介:刘波，男，1978年生，四川省资阳市人，汉族，重庆医科大学在读博士，主治医师，主要从事脑血管介入、脑血管流体力学方面的研究。
基金资助:
重庆市永川区自然科学基金资助项目(Ycstc,2013nc8031)；重庆市卫生局资助项目(2010-2-250)；重庆市永川区软科学基金资助项目(Ycstc,2011BE5004)

Mechanical embolectomy using Penumbra system for acute cerebral embolism: model establishment and finite element analysis in one case

Liu Bo¹, Xie Peng², Li Zhi-wei¹

¹Department of Neurology, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 402160, China; ² Department of Neurology, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China

Online:2014-06-30 Published:2014-06-30
Contact: Li Zhi-wei, Chief physician, Professor, Department of Neurology, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 402160, China
About author:Liu Bo, Studying for doctorate, Attending physician, Department of Neurology, Yongchuan Hospital, Chongqing Medical University, Chongqing 402160, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Yongchuan District of Chongqing City, No. Ycstc, 2013nc8031; the Foundation of Chongqing Municipal Health Bureau, No. 2010-2-250; the Soft Science Foundation of Yongchuan District of Chongqing City, No. Ycstc, 2011BE5004.

摘要/Abstract

摘要：

背景：国内外开展的急性脑栓塞机械取栓的病例较少，使用Penumbra取栓系统机械取栓的病例更少，该种取栓方法对于局部脑血管的影响认识尚不清楚。
目的：通过数值模拟描述Penumbra机械取栓对1例脑栓塞患者局部脑血管的影响。
方法：选取左侧大脑中动脉急性栓塞患者1例，女，77岁。在急诊DSA术中对其各种原始数据进行采集，并使用Penumbra成功机械取栓。术后对其原始数据进行处理，建成“由近及远吸栓法”和“由远及近吸栓法”两种取栓方法的三维数值模型，并进行有限元分析。
结果与结论：成功地完成建模和有限元分析；结果提示：与“由近及远吸栓法”相比，“由远及近吸栓法”的模型有较小的吸栓导管内流速和血栓壁面切应力(P < 0.01)，有较大的血管壁壁面切应力、血管壁变形量 (P < 0.01)和血栓变形量(P < 0.05)。结果可见Penumbra机械取栓的有限元分析有助于介入医师更加清楚认识自己的操作对患者脑血管的影响，作为一种研究方法值得今后继续探讨。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

全文链接：

关键词: 组织构建, 脑栓塞, 机械取栓术, 脑血管造影, 流固耦合模型, 有限元分析

Abstract:

BACKGROUND: Few cases of acute cerebral embolism were treated by mechanical thrombectomy all over the world. However, there were few cases currently treated by mechanical thrombectomy using Penumbra system. It is an unclear understanding of effects on regional cerebral blood vessels using this kind of surgery.
OBJECTIVE: To describe effects of numerical simulation on regional cerebral blood vessels of an acute cerebral embolism patient by mechanical embolectomy using Penumbra system.
METHODS: A 77-year-old woman suffering from acute cerebral embolism of left middle cerebral artery was selected. Various raw data were collected in emergency of digital subtraction angiography, then mechanical thrombectomy using Penumbra system was carried out successfully. After these raw data were processed into dimensional numerical models of two kinds of embolectomy methods (“suction bolt method from near to far” and “suction bolt method from far to near”), and then finite element analysis was carried out.
RESULTS AND CONCLUSION: Model establishment and finite element analysis were successfully conducted. Compared with “suction bolt method from near to far”, “suction bolt method from far to near” models had smaller velocity of flow in catheter and smaller wall shear stress of thrombus (P < 0.01), and had larger wall shear stress of blood vessel wall, deformation of blood vessel wall (P < 0.01) and deformation of thrombus (P < 0.05). Results suggested that finite element analysis of mechanical embolectomy using Penumbra system can help physicians to involve in a clear understanding of their impacts on cerebral blood vessels of patients. As a research method, it is worth to continue to explore in the future.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

全文链接：

Key words: intracranial embolism, blood vessels, finite element analysis, mechanics

中图分类号:

R318

刘波，谢鹏，李志伟. 急性脑栓塞Penumbra机械取栓：1例建模和有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(27): 4345-4354.

Liu Bo, Xie Peng, Li Zhi-wei. Mechanical embolectomy using Penumbra system for acute cerebral embolism: model establishment and finite element analysis in one case[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(27): 4345-4354.

图/表（结果） 5

2.1 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的网格数量和计算耗时每个流固耦合模型包括4部分，即血液、血管壁、血栓、吸栓导管。由于18个流固耦合模型具有相同的血管壁，故划分的血管壁网格数量均为61 198个。“由近及远吸栓法”的6个模型具有相同的完整的血栓模型，其血栓网格数量均为6 563个；而“由远及近吸栓法”的12个模型亦具有相同的血栓模型，但由于血栓被吸栓导管戳了个洞，网格数量减少，其血栓网格数量均为4 536个。由于18个模型具有相同的血管内腔，意味着吸栓导管深入模型越多，血液的体积将越少。因此，“由近及远吸栓法”的6个模型从4 mm组至0 mm组吸栓导管网格数量逐渐增多，从3 895个增至4 965个，而血液网格数量逐渐减少，从153 443个减至152 373个；同样，“由远及近吸栓法”的12个模型从-3 mm组至4 mm组吸栓导管网格数量逐渐减，从5 821个减至 3 895个，而血液网格数量逐渐增多，从151 719个增至 153 647个。18个模型总的计算耗时相当，为36-45 min (表1)。

2.2 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的计算结果总体情况由于颈内动脉的灌注压和血流速度随着心跳周期性变化着，故每个流固耦合模型入出口边界条件也周期性变化着。在心动周期每个时刻血液流线图、血液压力降图、血管壁和血栓壁面切应力图、血管壁和血栓变形情况分布图的ANSYS染色均无明显变化，只是色彩代表的值随时在变(图3-5)。因此，在每个模型任选一时刻的ANSYS染色图均能代表该模型各时刻对应分布图的整体情况。

2.3 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的血液流动情况患者心率为75次/min，故每个心动周期为0.8 s，设患者左侧颈内动脉C5段灌注压某最低值(8 kPa)处为0 s，下一个最低值处时间应为0.8 s。观察两种吸栓方法的每个模型在0-0.8 s的整个心动周期各时刻血液流线图发现：①在“由近及远吸栓法”的4 mm模型中在吸栓导管抽吸前，闭塞大脑中动脉近端无血液流动，血流仅流向大脑中动脉分支，当吸栓导管使用-70 kPa抽吸时，大量血液通过血管残端流入吸栓导管，在2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm模型中有与之相同的表现；在“由近及远吸栓法”的0 mm模型中吸栓导管已直接接触血栓，血管残端和吸栓导管内无血液流动(图3A)。②在“由远及近吸栓法”的0 mm，-0.5 mm，-1 mm，-1.5 mm，-2 mm，-2.5 mm，-3 mm模型中血管残端无血液流动，吸栓导管有少许血流，血流来自闭塞远端血管，在0.25 mm模型中有少许血液通过血管残端流向远端血管，另大量血液通过残端流入吸栓导管；在“由远及近吸栓法”的4 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm模型中既有大量血液流入吸栓导管，又有较多血液流向远端血管(图3B)。

测量两种吸栓方法的每个模型吸栓导管内血流速度发现：①如图3C所示，在“由近及远吸栓法”的4 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm模型中吸栓导管内血流速度随心跳周期性变化着，在0 s，0.8 s处位于最低值，在0.2 s时均达最大值，其值依次为563 cm/s，545 cm/s，522 cm/s，482 cm/s，387 cm/s；但0 mm模型导管内血流速度不随时间变化，始终为0 cm/s。②如图3D所示，在“由远及近吸栓法”的0 mm，-0.5 mm，-1 mm，-1.5 mm，-2 mm，-2.5 mm，-3 mm模型导管内血流速度不随时间变化，始终为4-6 cm/s；在4 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm 模型中吸栓导管内血流速度也随心跳周期性变化着，在0 s，0.8 s处均位于最低值，在0.2 s时均达最大值，其值依次为511 cm/s，496 cm/s，468 cm/s，434 cm/s，337 cm/s。假定在0.2 s时刻的血管状态下分别使用两种方法实施取栓，如图3E所示，“由近及远吸栓法” 的吸栓导管随着慢慢靠近血栓，其管腔内血液流速逐渐降低，直至停止。“由远及近吸栓法” 的吸栓导管送入到血栓远端后，边退边吸，开始导管内有少许血流，血流较慢，当导管退到0 mm处后，其管腔内血流速度逐渐增高。在4-0.25 mm的5个模型中比较两种吸栓方法的导管内血流速度最大值，统计方法采用配对t检验，结果提示差异有显著性意义(P < 0.01，表2)，显示在4-0.25 mm范围内“由近及远吸栓法” 导管内血流速度最大值较“由远及近吸栓法”更大。

2.4 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的血流压力降分布情况如图4所示，观察每个模型在心动周期不同时刻血液压力降分布情况发现：①“由近及远吸栓法”的各模型大脑中动脉血管残端腔内压力均较高，接近于颈内动脉；吸栓导管颅内段腔内压力为-40-50 kPa，而血液压力陡然下降的部位为吸栓导管开口。②“由远及近吸栓法”

的各模型大脑中动脉血管残端腔内压力也接近于颈内动脉，但吸栓导管位于-3-0 mm时，导管腔内压力很低，接近-70 kPa，当导管退回到大脑中动脉血管残端腔内时，导管内压力有所上升，远端血管血压亦有所上升，但血液压力下降最迅速的部位仍为吸栓导管开口。

2.5 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的血管壁和血栓壁面切应力分布

2.5.1 左侧大脑中动脉血管壁壁面切应力分布观察18个流固耦合模型的血管壁壁面切应力分布图发现，每个模型左侧大脑中动脉血管壁壁面切应力均不高，其值为 1-60 Pa(图4B，C，D)。其中“由近及远吸栓法”0.25 mm模型在0.2 s时血栓近端附近的血管壁的H点局部达最大值(图4B)；“由远及近吸栓法”0.25 mm模型在0.2 s时血栓近端附近的血管壁的J点局部达最大值(图4D)，该吸栓法的0至-3 mm模型血栓远端血管管壁壁面切应力极低，为 1-5 Pa(图4C下图)。由于两种吸栓法的0.25 mm模型均计算了5个周期，H点和J点每个周期均在0.2 s时达局部最大值，计算5个周期H点和J点最大值的均值，比较2个模型均值之间差异，经过t 检验提示差异有显著性意义(P < 0.01，表2)，显示J点最大值高于H点最大值。

2.5.2 血栓壁面切应力分布观察18个流固耦合模型的血栓壁面切应力分布图发现，其值范围较大，为1-420 Pa (图4B，D)。在“由近及远吸栓法”的4 mm，2 mm，1 mm，0 mm模型中血栓壁面切应力较小，整体小于10 Pa，但在0.5 mm，0.25 mm模型中血栓壁面切应力明显增高，甚至高于400 Pa，其中0.25 mm模型在0.2 s时在I点达到局部最大值(图4B)。在“由远及近吸栓法”的4-1 mm，0至-3 mm模型中血栓壁面切应力也较小，整体也小于10 Pa，在 0.5 mm，0.25 mm模型中血栓壁面切应力也明显增高，其中0.25 mm模型在0.2 s时在K点达到局部最大值(图4D)。由于两种吸栓法的0.25 mm模型均计算了5个周期，I点和K点每个周期均在0.2 s时达局部最大值，计算5个周期I点和K点最大值的均值，比较2个模型均值之间差异，经过t检验提示差异有显著性意义(P < 0.01)，见表2，显示I点最大值明显高于K点最大值。

2.6 Penumbra机械取栓的18个流固耦合模型的血管壁和血栓变形情况

2.6.1 左侧大脑中动脉残端血管壁变形情况观察每个模型整个心动周期左侧大脑中动脉残端管壁变形图，每个模型均在0.22 s时刻管壁变形量最大。比较每个模型在0.22 s时刻的左侧大脑中动脉残端管壁变形量最大值发现：①在“由近及远吸栓法”的4-0 mm模型残端管壁变形量最大值均较小，不超过1.5 mm(图5A左图)；在“由远及近吸栓法”的4-0.25 mm模型残端管壁变形量最大值也较小，而在-3-0 mm模型中血栓远端的血管壁变形量较大(图5A右图的R点)。②其中“由近及远吸栓法”的0.25 mm模型在0.22 s时局部最大值是该方法所有模型的管壁变形量最大值；“由远及近吸栓法”的-2 mm模型在0.22 s时血栓远端的血管壁变形量是本法所有模型的管壁变形量最大值；这两个最大值均计算了5个周期，分别取均值，两最大值的均值之间经过t检验提示差异有显著性意义(P < 0.01) (表2)，显示“由远及近吸栓法”的血管壁变形量明显大于“由近及远吸栓法”。 2.6.2 血栓变形情况观察每个模型整个心动周期血栓变形图，每个模型血栓变形量受心跳影响较小，整个心动周期其值几乎不变。如图5B图所示，“由近及远吸栓法”的4-0.25 mm模型血栓变形量较小，小于1.0 mm，在0 mm 模型达最大值，最大值位于血栓近心段M点附近(图5A)；“由远及近吸栓法”的4-0.25 mm，-1.5至-3 mm模型血栓变形量也较小，小于1.0 mm，但在0 mm，-0.5 mm，-1 mm模型血栓变形量值均较大，其中-1 mm模型达本法的最大值，最大值位于血栓远心段N点附近(图5A)。比较两种吸栓方法所得血栓变形量最大值，均计算了5个周期，分别取均值，两最大值的均值之间经过t检验提示差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2，显示“由远及近吸栓法”的血栓变形量明显大于“由近及远吸栓法”。

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引言

脑栓塞(cerebral embolism)是指因异常的固态、液态、气态物体(被称作栓子)沿血循环进入脑动脉系统，引起动脉管腔闭塞，导致该动脉供血区局部脑组织的坏死，临床上表现为偏瘫、偏身麻木、言语不清等突然发生的局灶性神经功能缺损症状。该病占脑血管病的15%-20%，最常见的栓子来源于心脏，常导致大面积脑梗死，内科保守治疗疗效差^[1-7]。脑栓塞的治疗关键期仍是在其发病超早期，但以往的超早期静脉或动脉溶栓血运重建率低，且容易出血转化^[8-11]。近年来发展的新型机械取栓方法成为治疗急性脑栓塞的亮点，它有比静脉或动脉溶栓更高的血运重建率，且出血转化率明显降低^[12-16]。目前常用的机械取栓装置有Merci取栓器、Penumbra取栓系统、Solitaire FR和Trevo取栓装置^[17-23]。Penumbra取栓系统是惟一的一种近端取栓装置，即将Penumbra吸栓导管置于血栓近端吸栓，可称之“由近及远吸栓法”，国外近10年来有较多操作^[24-31]，国内在近几年也有成功病例报道^[32-33]。但作者在对1例急性脑栓塞患者使用Penumbra系统开展“由近及远吸栓法”取栓时，发现栓子难以吸出，之后通过微导丝和微导管引导把吸栓导管送至栓子远端，边退边吸，最终把栓子吸出，血管再通，该法可称之为“由远及近吸栓法”。该病例使用了这两种方法吸栓，术后恢复良好，但术后2 d头颅CT提示左侧外侧裂有小量血肿。这使作者介入团队感到疑惑，其出血原因是缺血再灌注损伤所致还是微导丝、吸栓导管机械损伤所致，不得而知。目前无任何检查手段来回答这个问题，为弄清楚吸栓导管在抽吸时对该患者局部脑血管的影响，作者对其局部脑血管进行了有限元分析^[34-36]，现报道如下。

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材料方法

设计：计算机模拟实验。

时间及地点：2013年9至12月在重庆医科大学附属永川医院进行。

对象：选择在重庆医科大学附属永川医院接受诊治的左侧大脑中动脉急性栓塞的患者1例。女，77岁，既往有冠心病、病窦综合征、心房纤颤病史6+年，并安置了永久起搏器。本次发病为突发右侧肢体活动障碍伴失语4+小时入院，查体：嗜睡，言语不能，右上肢近端肌力1级，远端0级，右下肢近端肌力2级，远端1级，NIHSS评分22分。

急诊头颅CT：颅内未见明显异常，诊断：急性脑栓塞。家属知情同意后立即给予急诊脑血管DSA检查，结果提示：左侧大脑中动脉M1段闭塞，TIMI 0级(图1A)，家属知情同意后立即给予Penumbra机械取栓。

手术过程：将6F导引导管在0.35"超滑导丝引导下头端插到颈内动脉C2段，撤出超滑导丝；在0.14"微导丝和微导管引导下将041Penumbra吸栓导管头端插到左侧大脑中动脉闭塞处近端，使用-70 kPa额定抽吸压抽吸；抽吸2次，每次15 s，闭塞血管仍未再通；在0.14"微导丝和微导管引导下将041Penumbra吸栓导管头端插到血栓远端，撤出微导丝、微导管，使用-70 kPa额定抽吸压边退导管边抽吸，抽吸1次后造影显示：除左侧大脑中动脉下干仍有一细小分支血管闭塞外，其余血管完全再通，TIMI 3级(图1B)；吸出颗粒状红色血栓，术毕撤出取栓装置，术后常规处理。

术后6 h，患者意识恢复清晰，右侧肢体肌力恢复到3级，但仍言语不能。术后2 d患者右侧肢体肌力恢复到4级，能简单言语，查头颅CT提示：左侧外侧裂小量血肿，左侧颞顶叶脑梗死(图1E，F)。

术后4 d复查头颅CT仍提示：左侧外侧裂小量血肿，左侧颞顶叶脑梗死，梗死区水肿更明显，排除对比剂滞留(图1G，H)。之后介入早期康复治疗，术后14 d患者右下肢肌力恢复到5级，右上肢肌力恢复到4+级，除言语表达欠流利外，余未见明显阳性体征，NIHSS评分3分。复查头颅CT提示：血肿完全吸收，左侧颞顶叶梗死区明显缩小(图1I，J)。

CT脑灌注成像提示左侧大脑半球脑血流量、脑血容量均较右侧好(图1K，L)。当天康复出院。在术中对患者进行了相关原始数据采集。

方法：

术中数据采集：在脑血管造影和机械取栓手术过程中使用四川锦江电子科技有限公司生产的多道生理记录仪通过压力传感器和吸栓导管对该患者左侧颈内动脉C5段进行有创血压监测，得到左侧颈内动脉颅内段动态灌注压^[37-39]，灌注压最大值/最小值约为12.0/8.0 kPa。同时，使用北京鑫悦琦科贸有限责任公司生产的经颅多普勒超声仪测得患者的左侧大脑中动脉残余大分支、左侧大脑前动脉血流速度，左侧大脑中动脉分支起始段、左侧大脑前动脉起始段的血流速度最大值约为30 cm/s，80 cm/s，最小值约为15 cm/s，40 cm/s。患者心率在此期间基本维持在75次/min左右，在取栓血管再通前后均给予患者做3D脑血管造影。

栓塞部位近心端血管段的血液模型构建：给予该患者做全脑血管造影使用的是GE公司生产的Innova 3100全数字化血管造影机，得到患者左侧颈内动脉及分支3D造影图像的原始数据为508张DICOM格式的断层图像(每层图像大小为11.61 cm×11.61 cm，象素512×512，象素大小0.227 mm；每层厚度0.226 mm，总厚度11.48 cm)。把这些原始图像导入到Materialise公司研发的医学有限元软件MIMICS12.0进行处理，重建为1个512×512×512象素的三维体数据集，视场尺寸为11.61 cm×11.61 cm×11.48 cm。使用三维阈值分割及三维区域增长分割方法，提取出了颈内动脉及分支的表面模型。随后使用FEA模块中的Remesh对模型进行优化处理^[40]，之后剪切删除非兴趣段，保留左侧颈内动脉C6，7段、左侧大脑中动脉M1段、左侧大脑前动脉A1段、左侧大脑中动脉残余分支起始段，获得了以STL格式表示的栓塞部位近心端血管段的血液表面模型(图2)。

栓塞部位近心端血管段的血管壁模型构建：颈内动脉C6，7段、大脑中动脉和前动脉起始段壁厚一般为该处血管直径的8%-10%^[41]，而实验纳入的患者该处血管直径为2-6 mm，为减少计算量，将壁厚统一设为0.4 mm。将STL格式的栓塞部位近心端血管段的血液表面模型在Geomagic公司研发的Geomagic Studio 12中增厚构建出STL格式的血管壁模型，并将血管壁模型从STL格式转化为NURBES格式(图2)。

栓塞部位和远心端血管段的血管壁模型构建：把NURBES 格式的数据导入到UGS NX 8.0中，通过拉伸功能使左侧大脑中动脉M1段血管壁沿远心端方向延长5 mm，构建出了栓塞部位和远心端血管段的血管壁模型(图2)。

血栓模型构建和远心端血管段血液模型构建：通过Penumbra机械取栓取出的是直径约为2 mm的球形栓子，故使用UGS NX 8.0在数值模型的血管闭塞处设置直径约为2 mm的球形几何体，稍增大使几何体完全和血管壁紧密连接，通过求差功能删除栓子多余几何体使栓子和管壁无缝贴合但不交叉，此时完成血栓模型构建。栓塞部位和远心端血管段的血管壁模型的内腔减去血栓模型即可得到栓塞远心端血管段血液模型(图2)。

Penumbra吸栓导管的模型构建：实验纳入的患者机械取栓使用的是041号吸栓导管，其内径为1.04 mm，外径为1.37 mm，壁厚为0.33 mm。在UGS NX 8.0中找到左侧颈内动脉致左侧大脑中动脉M1段闭塞部位的血管模型中心线，通过管道功能沿中心线设置与041号吸栓导管等尺寸的模型，此时完成Penumbra吸栓导管的模型构建(图2)。

Penumbra取栓系统两种取栓方法的数值模型的区别：由于Penumbra机械取栓的物理过程相当复杂，无法仅使用一个模型来完成所有数值模拟研究，要完成整个吸栓过程的数值模拟，需要许多个数值模型(机械取栓过程中吸栓导管的开口与血栓之间的位置关系不停在变)。为了简化，作者在研究“由近及远吸栓法”时仅研究6个模型，分别是吸栓导管的开口位于血栓近心面4，2，1，0.5，0.25，0 mm时的模型。“由远及近吸栓法”除研究吸栓导管的开口位于血栓近心面4，2，1，0.5，0.25，0 mm时的模型外，还研究吸栓导管开口位于血栓远端时和退到血栓内部时的模型，分别是吸栓导管开口位于血栓远端面1，0.5，0 mm时和开口位于血栓中心及中心两侧0.5 mm时，即“由远及近吸栓法”一共研究12个模型。若以血栓近心面为0点，近心端为正，远心端为负，“由近及远吸栓法”的6组模型取名为近及远法4 mm组、2 mm组、1 mm组、0.5 mm组、0.25 mm组、0 mm组；“由远及近吸栓法”的12组模型取名为远及近法4 mm组、2 mm组、1 mm组、0.5 mm组、0.25 mm组、0 mm组、-0.5 mm组、-1 mm组、-1.5 mm组、-2 mm组、-2.5 mm组、-3 mm组。

网格划分：把18个模型分别导入到ANSYS Workbench 14.0：Fluid Flow (CFX)→Static Structural。血管壁、血栓和吸栓导管使用Mechanical软件包分别进行自动网格划分，采用的方法是非结构化6面体网格划分法，系统自动对一些细节地方进行网格加密^[42]。在Meshing软件包中对流体部分进行网格划分，方法同前。

流固耦合模型的计算：

模型各部分属性设置：术中抽取该患者的动脉血少许，经过血液流变学检查测得其密度约为1 048 kg/m³，黏度约为3.69 mPa•s。患者的血管直径为2-6 mm，均大于 0.5 mm，为了简化，设置血液部分为牛顿流体^[43]。由于血液在被Penumbra吸栓导管抽吸时可能产生许多漩涡，故设置流场为弹性管内不可压缩、绝热和非定常的牛顿湍流，计算采用k-epsilon湍流模型。血管壁密度ρ= 2.2 g/cm³，弹性模量E=2.8 MPa，泊松比υ=0.45，假设为线性、各向同性的线弹性材料^[44]。Penumbra吸栓导管为内衬微钢丝的特殊塑料管，在额定抽吸压范围内几乎不变形，故设置其为刚性材料，根据其使用说明书设置ρ=3.1 g/cm³。血栓被吸出到体外，发现其质地为固态软组织，测其密度 ρ=2.0 g/cm³，设置弹性模量E=2.2 MPa。

边界条件设置：流场入口位于左侧颈内动脉C6段开口，边界条件设置为术中测得的C5段有创血压。流场出口有左侧大脑前动脉起始段、左侧大脑中动脉分支起始段、Penumbra吸栓导管，其中左侧大脑前动脉和左侧大脑中动脉分支起始段的边界条件采用速度，其值为术中经颅多普勒超声仪所测得的速度值。Penumbra吸栓导管的抽吸时采用额定压力，其值始终保持在-70 kPa左右，故其边界条件设置为压力。血栓远端血管为不定边界，当采用“由远及近吸栓法”时，导管插到远端抽吸，可出现远端血液部分逆流，其边界相当于模型入口。当两种吸栓方法开通血管后，血液不断向前流动，远端血管即成模型出口。由于远端血管血流速度大小和方向不定，吸栓导管插到远端血管抽吸前测得其压力相当于静脉压，约1.0 kPa，为了简化计算，设定远端血管边界条件为压力值1.0 kPa。

流固耦合求解设置：18个流固耦合模型分别在ANSYS Workbench 14.0中进行单向流固耦合分析。首先使用CFX14.0对流体部分进行计算，然后通过耦合面将计算获得的相关物理量传递到固体部分进行计算。流体部分和固体部分计算均采用瞬态模拟，时间步长20 ms，总时间4 s (5个周期)，共200步。

主要观察指标： ①在Mechanical中观察18个模型流固耦合分析得到的血管壁和血栓变形情况分布图；在CFX-Post中观察血液流线图、血液压力降图、血管壁和血栓壁面切应力分布图。②观察并测量18个模型内的Penumbra吸栓导管抽吸时导管内血流流速最大值、血管壁和血栓壁面切应力最大值、血管壁和血栓变形最大值。③观察每个模型的网格数量和计算耗时。

统计学分析：对比两种吸栓方法之间每个观察指标的差异，统计方法采用t 检验，检验水准P < 0.05，使用SPSS 20.0对数据进行统计处理。

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讨论

从实验的研究结果可以看出，Penumbra机械取栓既对该患者局部脑血流和血液压力分布造成影响，也对局部脑血管壁和血栓造成影响。由于脑栓塞后的左侧大脑中动脉为一血管残端，就像一死胡同，局部没有血液流动，当吸栓导管到达这个死胡同并且开始抽吸时，情况发生改变，大量血液通过导管被吸出到体外。“由近及远吸栓法”取栓导管抽吸的血量一直较大，仅在导管开口抵达血栓时明显减少至消失；“由远及近吸栓法” 取栓是导管位于血栓远端并边退边抽吸时，远端血管内有少许血液被吸出，此时近端的血管残端仍无血流，当导管开口退到血管残端内，仍有大量血液被吸出。由此可见，两种吸栓方法都有较大的血液被吸出体外，根据研究结果，“由近及远吸栓法”的吸血量更大。以导管内平均血流速度为500 cm/s计算，持续抽吸1 s约有4.25 mL血量丢失，持续抽吸1 min将有250 mL血量丢失，由此可见短时间抽吸血量丢失可以忽略不计，但长时间抽吸将有巨大血液丢失。如果长时间反复操作，将会人为造成患者额外的血液丢失，甚至重度贫血，加重患者病情，因此使用Penumbra取栓系统机械取栓避免长时间操作，需要操作者快速有效地完成手术。压力降是血液向远端流动的动力，一般来讲，离心脏越近的血管内压力越高，越远压力越低，产生这种压力梯度的原因是血流需克服外周阻力做功^[45-46]。栓塞的左侧大脑中动脉残端没有血液流动，左侧颈内动脉末段的血压通过静压传递直接影响残端血管内的血压^[45-46]，两血管间压力降较小。根据研究结果发现，当吸栓导管到达动脉残端抽吸时，动脉残端内的总体血压有所下降，使之压力低于左侧颈内动脉末段，推动血液流动。吸栓导管体外段抽吸压为-70 kPa，传递到颅内段时压力约为-50 kPa，与动脉残端内的血压间产生近58 kPa的压力降，这种巨大的压力降位于导管开口附近，这种巨大压力降的存在是推动血液流向微小的吸栓导管的动力和原因。但这种压力降的存在还不足以使残端血管内的压力大幅度降低，使得左侧大脑前动脉逆流进入左侧大脑中动脉或局部血管塌陷的情况不会发生。“由远及近吸栓法” 取栓当导管位于血栓远端抽吸时，导管-70 kPa抽吸压传递到颅内段时压力约为-67 kPa，与周围血液、血管、血栓产生巨大压力降，对局部刺激较大，避免长时间在此抽吸。壁面切应力(wall shear stress, WSS)指所考察的壁面平行的应力除以面积，单位Pa，其概念相当于平时大家所熟知的摩擦力^[45-46]。管道的壁面切应力大小与流体黏度、流速、管壁粗糙度等有关，而血管壁的壁面切应力也有类似的规律，以往研究发现壁面切应力与动脉粥样斑块形成、动脉瘤形成和破裂有关^[47-48]。本实验研究Penumbra机械取栓的局部壁面切应力发现，仅在导管靠近血栓但不直接接触血栓抽吸时管壁和血栓局部产生较大的壁面切应力，导管在其余部位抽吸时管壁和血栓的壁面切应力均较小。导管靠近血栓时抽吸产生较大壁面切应力有助于血流对栓子产生冲刷作用，促进栓子崩解，这一点“由近及远吸栓法”略占优势。同时，吸栓时血流对管壁冲刷产生较大壁面切应力是一种不良反应，可能会对局部血管壁内皮细胞造成影响，这一点“由远及近吸栓法”略强。Penumbra机械取栓的局部血管壁和血栓变形量大小既与其附近组织、血管结构有关，也与血液、脑脊液压力变化有关，也与局部壁面切应力有关，更与吸栓导管直接接触抽吸有关。根据实验研究结果发现，Penumbra取栓系统的取栓能力主要还是来自导管口直接接触血栓抽吸，“由近及远吸栓法”导管直接接触血栓抽吸时血栓近端先变形，远端后变形，这种变形差异促进血栓崩解，栓子由近及远逐渐被吸出；而“由远及近吸栓法” 导管直接接触血栓抽吸时血栓远端先变形，近端后变形，这种变形差异也促进血栓崩解，栓子由远及近逐渐被吸出。对于血栓的抽吸能力，研究发现“由远及近吸栓法”略强，但研究也发现本法对血栓远端的血管壁刺激较大，其管壁变形量明显大于“由近及远吸栓法”的所有模型管壁变形量，因此可以认为“由远及近吸栓法”更容易损伤血管壁。本实验所涉病例开始给予“由近及远吸栓法”取栓未能成功，之后给予“由远及近吸栓法”取栓成功开通血管，术后头颅CT提示左侧外侧裂小量血肿，这可能与“由远及近吸栓法”容易损伤血管壁有关，损伤血管壁可导致血肿形成，当然也不能排除操作微导丝时刺破细小分支血管、或是缺血再灌注损伤致出血。

脑栓塞的栓子可以是固态、液态、气态，但临床常见的能阻塞大血管的仍是固态栓子，其中最常见的是心脏或颈内动脉斑块脱落所形成的栓子，根据栓子的质地可分为软栓子和硬栓子，软栓子成分以脂质和血凝块为主，而硬栓子以纤维组织或钙斑为主，心源性栓子多数是硬栓子^[1-4]。对于软栓子取栓，两种取栓方法都容易成功，“由近及远吸栓法”由于对局部脑血管刺激小，对于这种栓子取栓为首选方法。对于硬栓子取栓，有时“由近及远吸栓法”可能难以成功，“由远及近吸栓法”虽对局部脑血管刺激大，但表现有较强的取栓能力，对于硬栓子取栓占有明显优势，加上“由远及近吸栓法”取栓需要导管直接刺破血栓，可使血栓机械性松解，增加吸栓效果。但有时难以判断栓子性质，此时可以先用“由近及远吸栓法”，不成功再用“由远及近吸栓法”，或两者合用增加取栓效果。值得提醒的是应尽量避免重复操作，从而减少血管损伤，避免继发性脑出血的发生。

有限元分析是一种较为先进的现代计算方法，但再先进的计算方法也是一种仿真，和真实情况必然存在差异，导致差异的因素有：DSA数据采集时的误差；使用各种软件建模时数据丢失；患者颈内动脉的血流速度和血压每时每刻均在变化；ANSYS软件本身的计算误差^[49-50]。以上诸多因素导致计算结果可能存在误差，但研究团队在研究过程中考虑到以上因素，尽量避免误差。为了减少计算量，实验对两种取栓方法仅研究了18个模型，可能会疏漏部分信息。另外，实验未研究栓子在某个模型已被吸出后局部血管力学变化，也未研究模型之间的连续变化情况，解决这个问题可以进一步开展Penumbra机械取栓的动网格研究^[51-52]。作者的工作主要是脑血管介入，近几月来在本院成功开展急性脑栓塞Penumbra机械取栓术数例，术中脑血管均再通，术后患者恢复均良好。两种取栓方法均使用过，经验发现“由远及近吸栓法”有更强的取栓能力，但对局部脑血管刺激的确大，这和本实验的研究结果一致。当然，脑栓塞的取栓成功不光需要好的取栓方式，与患者弓上大血管路径和全身情况也有很大关系，对于急性脑栓塞机械取栓的适应证把握和手术方式的选择均需开展更多的研究来证实。

综上，Penumbra机械取栓的有限元分析有助于介入医师更加清楚认识自己的操作对患者脑血管的影响，作为一种研究方法值得今后继续探讨。

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延伸阅读

脑血管病的血管数值模拟研究属交叉学科的研究，涉及流体力学、数学、计算机软件、计算机仿真、有限元法、材料学、拓扑学、医学等专业，完全掌握这些研究方法的人员较少。目前国内外从事这方面研究的人员主要是理工科学者，医务工作者掌握这种研究方法的人员极少，且研究耗时较多，影响其在临床工作中推广应用。纵观国内外有关脑血管病血管数值模拟的研究文献，有限元分析已成为可靠的研究方法。有限元分析主要是通过计算机软件处理得以实现，常用的有限元分析软件有：ANSYS，ADINA，ABAQUS，MSC等。通过这些软件处理流体力学问题，又称为计算流体力学，它能通过准确计算模拟脑血管的流体力学特征，图像直观明了，为医生深入认识脑血流状态提供很大帮助。目前脑血管病的血管数值模拟关注最多的是颅内动脉瘤的流固耦合分析，它能较好模拟血液流经动脉瘤腔时动脉瘤壁和血液之间的相互作用，判断动脉瘤最可能破裂位置或预测瘤壁破裂风险，为该病的临床诊疗提供重要参考。目前开展脑血管狭窄病变数值模拟研究的文献也有报道，通过模拟研究，使医生更加明了狭窄脑血管局部流体力学特征。但目前把血管数值模拟方法应用于脑血管介入的研究文献极少，本文对1例急性脑栓塞Penumbra机械取栓的病例进行有限元分析，发现有限元分析有助于介入医师更加清楚认识自己的操作对患者脑血管的影响，作为一种研究方法值得今后继续探讨，有望在脑血管介入领域得到大量应用和推广。

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急性脑栓塞Penumbra机械取栓：1例建模和有限元分析

Mechanical embolectomy using Penumbra system for acute cerebral embolism: model establishment and finite element analysis in one case

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