摘要 目的 探究不同人体姿态对髂静脉压迫综合征血流特性的影响。方法 以1例含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征患者的计算机断层影像重构髂静脉几何模型;基于计算流体动力学方法,采用非牛顿模型和多孔介质模型描述静脉嵴对血流场的影响,获取髂静脉壁面压力分布和切应力分布;运用离散相模型,探究3种人体姿态下红细胞在左髂静脉的滞留情况。结果 平卧状态下压迫区域两端的压力梯度最低,而坐姿和行走状态下髂静脉呈现高压状态。3种姿态下局部最大壁面切应力均出现在侧支血管狭窄处和右髂静脉血流交汇区,其中坐姿状态下切应力最小,平卧状态下最大。坐姿状态下左髂静脉血液的滞留时间最长,为52.2 s;平卧状态下最短,为14.8 s;行走状态为23.8 s。结论 采用多孔介质模型模拟静脉嵴的影响与血管造影图像高度吻合。坐姿和行走状态下的下肢静脉高压现象与临床结果一致,平卧状态能够缓解高压状况。从髂静脉的壁面切应力和血液滞留时间来看,人体在3种姿态之间不断转换,造成血管内皮损伤和血流瘀滞交替出现,增加血栓的形成风险。
关键词:
髂静脉压迫综合征
数值模拟
多孔介质
人体姿态
髂静脉压迫综合征又称May-Thurner综合征和Cockett综合征,是髂动脉和脊椎对左髂静脉共同压迫导致的静脉回流受阻、静脉高压及下肢慢性静脉功能不全。临床主要症状表现为下肢水肿、浅表静脉曲张、色素沉着和静脉性溃疡等,严重影响患者的日常生活和工作 [1-2] 。
根据解剖学研究,髂静脉压迫这一生理现象导致下肢静脉功能不全症状的关键是静脉腔内的一种特殊结构——静脉嵴 [3-4] 。静脉嵴多发现于髂静脉受压迫区域的静脉腔内。一般认为,静脉嵴导致了左髂静脉血流动力学变化,从而诱发下肢深静脉血栓 [5-6] 。近年来,计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法被应用于探究髂静脉狭窄与血栓之间的联系,通常采用改变压迫区域的狭窄度来模拟左髂静脉的压迫影响 [7-8] 。髂静脉压迫综合征患者的血管造影表明,左髂静脉压迫区域血流不畅,大部分血流通过侧支血管进入盆腔或腹腔 [9] ;而单纯采用改变狭窄度的CFD方法无法体现侧支分流和静脉嵴这些生理和解剖现象。因此,有必要建立能体现静脉嵴的髂静脉压迫流动模拟。
另一方面,人体姿态与下肢慢性静脉功能不全症状之间存在一定关系 [10-12] 。当患者处于长时间坐姿或站立状态,下肢静脉高压会造成静脉壁和瓣膜损伤,继而出现下肢静脉系统瘀血现象 [13-14] 。因此,久坐久站是血栓形成、下肢静脉功能不全等多种静脉疾病的最主要发病因素之一。需要将不同人体姿态考虑到静脉流动模型中,以更好解释静脉疾病的发病机制。
本文建立了1例含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征数值模型,采用非牛顿流体和多孔介质方法模拟静脉嵴对髂静脉血流的作用,进而分析患者在平卧、坐姿和行走状态下的血流场,探究人体姿态对髂静脉压迫综合征血流特性的影响,为静脉系统疾病的机制探索提供新依据。
患者为28岁男性,因左下肢肿胀、乏力伴静脉迂曲扩张5年入院治疗。患者主要症状体征为左下肢肿胀、行走或久站后酸胀、乏力不适。左小腿静脉迂曲扩张,行下肢计算机断层扫描静脉成像(computed tomography venography,CTV)和静脉超声后证实为左髂总静脉受压、左股隐静脉瓣膜功能不全。静脉曲张临床严重程度分级(CEAP分级)为C4(色素沉着、水肿)、S(有症状)、Ep(原发性)、Aspd(静脉反流累及下肢浅静脉、交通静脉、深静脉)和Pro-L3(反流及阻塞性并行,通过有创检查发现)。
将患者计算机断层造影(computed tomography angiography,CTA)图像导入三维重构软件中,通过鉴别图像灰度值设定分割阈值,擦除无用组织,从而得到目标血管。髂静脉几何模型在周围组织压力和血管内外压力差的作用下发生变形,呈扁平状态,其截面并非圆形截面[见 图1 (a)]。在本研究中,静脉血管内外压力差近似不变化,不发生进一步变形,可假设为刚性壁面。髂静脉高度为182 mm。左、右髂静脉入口段直径分别为9、10 mm。雷诺数 Re = ρud/η ( u 为速度, ρ 为密度, d 为直径, η 为动力黏度)。结果表明,左、右髂静脉入口处雷诺数 Re 均小于2 300,故设置髂静脉内血液的流动状态为层流。髂静脉入口采用速度入口边界条件,下腔静脉出口采用压力出口边界条件,血管壁采用无滑移边界条件。各边界条件取值如 表1 所示。
本文将血液假设为不可压缩的非牛顿流体,密度为1 055 kg/m 3 。采用Carreau模型描述血液的非牛顿特性：
式中： λ 为时间常数; ε 为幂律指数; η 0 为低剪切黏度; η ∞ 为高剪切黏度; γ ′=∂ u/ ∂ y 为剪切应变率。对实验数据 [15] 进行拟合。获取Carreau模型的相关系数, η 0 =18 mPa·s, η ∞ =2.2 mPa·s, ε =0 . 56, λ =0.27 s。
采用不可压缩流体Navier-Stokes方程描述髂静脉血流特性：
∂ u [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] / ∂ x [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] =0
式中： 为作用在单位容积上的表面力; 为拉普拉斯算子; S 为动量方程源项; F 为作用在单位质量上的重力。在坐姿和行走状态时,沿负 z 轴方向施加重力加速度。在平卧状态下,不考虑其影响。
江旭东等 [7] 采用流体体积(volume of fluid,VOF)表面跟踪技术分析血液在髂静脉的滞留状态,将血液作为1个整体研究,未讨论血液中各成分的影响。本文采用类似的研究思路,通过单向耦合的离散相模型(discrete phase model,DPM)展示血液在左髂静脉的滞留过程,将血液作为1个整体进行研究,忽略血液中各成分的相互作用,例如红细胞的变形、红细胞之间的碰撞以及红细胞与其他血细胞之间的碰撞。在开始数值计算时,从左髂静脉入口释放一定数量的红细胞,并记录各个时间点到达下腔静脉出口的红细胞数。当所有红细胞全部到达下腔静脉出口时,则得到髂静脉的血液滞留时间曲线。若要考虑红细胞的变形及其与血液其他成分的相互作用,可以采用流体颗粒耦合方法(CFD-DEM方法)模拟其在髂静脉的输运过程。
采用4面体和5面体混合网格对髂静脉模型进行离散化。在血管壁面附近生成10层5面体网格。第1层网格高度为0.02 mm,逐层增长率为1.2。以4组不同数量的网格划分方案进行网格无关性验证,网格数分别为(4.04、6.31、8.48、10.90)×10 6 。计算后获取位于下腔静脉的截面1上的速度分布[见 图1 (b)]。可以看出,网格数量为8.48×10 6 时,截面1的速度分布接近于精细化网格,故采用此网格数量可以满足计算精度要求。
髂静脉的长期受压导致压迫血管腔内生成阻碍血液流动的静脉嵴。静脉嵴使得含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫部位A处几乎无血液流动[见 图2 (a)]。医学影像技术只能描述血管外壁面几何特征,而无法详细捕捉腔内静脉嵴的几何形态[见 图2 (b)],造成了髂静脉的数值建模困难。之前有研究通过改变左髂静脉压迫段的狭窄度来呈现压迫造成的血流阻碍效果。然而,对于本文含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征而言,降低压迫部位的狭窄度不能模拟压迫造成的无血液流动现象,反而增大了压迫部位的血流速度。 图2 (c)展示了变狭窄度方法模拟的左髂静脉流线图,与含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征的血管造影图像所示的无血流状态不符(A处)。本文采用多孔介质方法来模拟髂静脉压迫造成的无血流状态,多孔介质区域如 图1 (a)所示。
S [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] =- θηu [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
]
通过动量源项 S [
{
"name": "text",
"data": "i"
}
] 引入式(3)。式中： θ 为黏性阻力系数。为了准确描述多孔介质对血流的影响,本文定义了多孔介质区域对左髂静脉的分流比：
式中： 为通过压迫区域的血流量; 为左髂静脉的总血流量。通过改变黏性阻力系数 θ 可以调控多孔介质区域的分流比 α 。含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征的血管造影显示,压迫区域无血流状态。采用ANSYS Fluent对髂静脉模型进行数值模拟,通过调整 α 模拟血管造影所示的无血流状态。图 3展示了不同分流比下左髂静脉血液速度流线图。其中,A处为髂静脉压迫区域(多孔介质区域)。蓝色表明速度接近为零;流线数量越少,表示髂静脉压迫区域的血流量越小。可以看出,随着分流比降低,通过多孔介质区域A处的血流量逐渐降低。当 α =1.0%时,髂静脉血液速度流线接近 图2 (a)所示髂静脉压迫综合征血管造影的无血流状态。因此,本文采用 α =1.0%模拟髂静脉压迫综合征的无血流状态。
图4 展示了髂静脉壁面压力分布,可用于确定左髂静脉压迫区域两端的压力梯度。结果显示,髂静脉整体压力分布沿血液流向降低。坐姿、行走状态下髂静脉最大压力较大,髂静脉呈现高压状态;平卧状态下髂静脉最大压力较小,与其他两种姿态相差很大。平卧状态下压力梯度最小,下腔静脉和左髂静脉之间的压力梯度为75 Pa,下腔静脉和右髂静脉之间的压力梯度为14 Pa。行走和坐姿状态下压力梯度相近,但比平卧状态大。行走和坐姿状态下,左髂静脉和下腔静脉之间的压力梯度分别为1.667、1.688 kPa,右髂静脉和下腔静脉之间的压力梯度分别为1.910、1.935 kPa。
图5 展示了髂静脉的壁面切应力分布。可以看出,3种姿态下局部最大壁面切应力相差较大,但均位于侧支血管狭窄B处和右髂静脉交汇区C处。平卧状态下髂静脉壁面切应力最大,B处为1.70 Pa,C处为1.28 Pa;坐姿状态下髂静脉壁面切应力最小,B处为0.60 Pa,C处为0.35 Pa;行走状态时下髂静脉壁面切应力B处为1.15 Pa,C处为1.03 Pa。
图6 展示了左髂静脉血液滞留状态。其中,纵坐标 β 为到达下腔静脉出口的红细胞占进入左髂静脉的比值。例如,在14.8 s时,平卧状态下到达出口的红细胞占比为90%,而此时行走状态下的红细胞占比为71.52%。本文以左髂静脉90%的红细胞到达下腔静脉出口的时间作为红细胞在左髂静脉的滞留时间。可以看出,坐姿状态下血流滞留时间最长,为52.2 s;平卧状态下血流滞留时间最短,为14.8 s;行走状态下血液滞留时间介于平卧状态和坐姿状态之间,为23.8 s。从坐姿的血液滞留时间曲线能够发现,在25～40 s出现滞留时间的平台期。
本文针对含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征,展开4个方面的讨论。
(1) 从髂静脉压迫综合征的疾病发病机制来看,长期压迫造成的静脉嵴对血流的影响不应该被忽略。由于医学影像技术无法详细捕捉静脉嵴的几何形态,之前研究通过改变压迫区域的血管狭窄度来描述压迫的影响 [7,17] 。然而,对于本案例含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征而言,采用变狭窄度方法模拟结果得到的模拟压迫区域血流速度较大,与 图2 (a)所示的无血流状态不符。本文选择采用多孔介质模型来模拟静脉嵴对血流的阻碍作用,髂静脉的血流速度流线图与血管造影图像高度吻合。因此,多孔介质模型更适合描述本案例中含侧支代偿的盆腔型髂静脉压迫综合征腔内静脉嵴的影响。
(2) 髂静脉压迫区域两端的压力梯度是髂静脉压迫综合征的临床判断标准之一。一般认为,当患者处于休息状态或运动状态时,若压迫区域两端的压力梯度分别大于266、399 Pa 时,需要临床治疗 [18] 。本文结果表明,行走、坐姿状态下压力梯度均超过399 Pa。下肢的静脉高压明显,与压力梯度的判断标准一致 [19-20] 。下肢静脉高压可能是该患者左腿肿胀和溃疡的原因之一。平卧状态下压力梯度未超过266 Pa,有助于缓解下肢高压状态。这与髂静脉压迫综合征的治疗建议相符。
(3) 血管内皮损伤是血栓形成的一个重要因素 [21] 。血管壁面切应力与内皮细胞的生理状态有关,过大的壁面切应力会损伤内皮细胞,从而诱发血栓的形成 [22-23] 。本文发现,当患者处于平卧状态时,右髂静脉交汇区和侧支血管狭窄区的壁面切应力较大,这可能是造成血管内皮细胞损伤、继而诱发血栓的重要原因。而血栓的形成,则可能进一步引起这些区域血管狭窄和壁面切应力增大。另一方面,远端血栓在这些部位沉积,造成进一步堵塞,可能使得侧支循环难以为继。
(4) 血流瘀滞是血栓形成的另一个重要因素 [21] 。研究表明,血液易瘀滞在髂静脉狭窄处,且与侧支血管截面积相关。侧支血管截面积越大,血液滞留现象越严重 [7] 。本文通过血液滞留时间来评估血流瘀滞情况。从左髂静脉的血液滞留时间曲线来看,平卧、行走状态下左髂静脉的血流淤滞曲线基本重合。坐姿状态下,血液滞留时间曲线出现平台期。Neglen等 [24] 在描述腿部的容积变化曲线时,发现了近2 min血液瘀滞平台,与本文的血液滞留时间平台期相似。在平台期内,左髂静脉的血流未从下腔静脉出口排出,左腿会出现血流瘀滞。血流瘀滞是髂静脉压迫综合征的重要临床表现。临床观察发现,当患者起身行走时,该症状有所缓解。本文推测,行走缩短了髂静脉的血液滞留时间。例如,当患者处于坐姿状态时,34%的左髂静脉血流在23.6 s内排入下腔静脉(a点)。患者处于行走状态时,90%的左髂静脉血流在23.6 s内排入下腔静脉(b点)。1 d之中,患者在3种姿态之间不断转换,髂静脉会交替出现血管的内皮损伤和血流瘀滞,大大增加了血栓形成的风险。该患者若不进行及时的医疗干预,血栓可能会逐渐堵塞侧支血管,造成远端血栓的沉积,最终破坏已有的侧支循环,进一步加重病情。
本文结果还反映出左髂静脉的病变对右髂静脉的影响。本文发现,左髂静脉回流受阻,血流从侧支血管汇入右髂静脉,血流量增加造成右髂静脉的壁面切应力增大,这可能影响右髂静脉血管内皮细胞的生理状态。本案例患者的侧支血管与右髂静脉相连区域为左右髂静脉交叉位置近端,故左髂静脉的病变对右髂静脉的影响较为明显。若侧支血管相连位置较远,则对右髂静脉的影响会逐渐降低。对于其他的侧支形式(腰升型和共存型),还要进行具体的研究分析。
本文探讨了人体不同姿态对髂静脉压迫综合征血流特性的影响,为该疾病的下一步的研究提供参考。然而,本研究仍存在一定的局限性： ① 平卧状态和坐姿状态以患者的实测平均速度作为数值模拟的边界条件,未考虑速度波动的影响; ② 静脉血管是可塌陷血管。本文将其简化为刚性壁面模型,与实际存在一定差异。当腹腔压力升高或下肢剧烈运动时,血管内血流速度波动较大,引起血管内外压力差进一步变化。此时不满足刚性壁面假设,应当采用弹性壁面模型。在后续研究中,将采用弹性壁面模型,探讨不同条件下髂静脉血管形变对髂静脉血流特性的影响; ③ 本文所采用数值模型根据特定患者的计算机断层图像生成,虽然本例患者的解剖形态较为典型,但由于患者之间存在差异,数值仿真结果的普适性仍需提高。上述不足在后续的研究中有待进一步完善。
本研究分析了人体姿态对髂静脉压迫综合征血流特性的影响。采用非牛顿模型和多孔介质模型描述静脉嵴对血流场的影响。数值结果呈现的坐姿状态和行走状态的下肢静脉高压现象与临床结果相一致。从髂静脉的壁面切应力以及血液的滞留时间来看,人体在3种姿态之间的不断转换,造成血管内皮损伤和血流瘀滞交替出现,增加血栓的形成风险。
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