頸動(dòng)脈血管的體外模型研究

動(dòng)脈硬化是一種全身慢性疾病。在人體動(dòng)脈系統(tǒng)中，頸動(dòng)脈是動(dòng)脈硬化疾病的易發(fā)部位。局部血流動(dòng)力學(xué)因素在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要的角色。在頸動(dòng)脈分叉處,血液流動(dòng)向頸內(nèi)動(dòng)脈和頸外動(dòng)脈分流,就會(huì)在分叉后形成高、低切應(yīng)力區(qū)域。正是由于頸動(dòng)脈特殊的形狀和特殊的局部血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境,研究者們將其作為研究血流動(dòng)力學(xué)因素和動(dòng)脈粥樣硬化關(guān)系的對(duì)象。目前由于尚無(wú)簡(jiǎn)便、精確的在體研究頸動(dòng)脈內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的方法,構(gòu)建頸動(dòng)脈體外模型進(jìn)行研究是目前最常用的方法。由于既往的體外頸動(dòng)脈血管分叉模型存在一定的缺陷,本研究擬建立更加貼近實(shí)際的、適用范圍更廣的體外頸動(dòng)脈血管分叉模型。1材料和方法1.1頸動(dòng)脈血管內(nèi)皮測(cè)量自2003年11月至2005年2月,我們共選擇了10例門(mén)診或住院無(wú)頸動(dòng)脈病變的成人(年齡49～64歲,男性5例,女性5例),應(yīng)用超聲多普勒測(cè)量方法測(cè)量了頸動(dòng)脈各部分血管內(nèi)徑。為了保證參數(shù)的一致性,我們皆只測(cè)量右側(cè)頸動(dòng)脈。1.2血管內(nèi)皮功能檢測(cè)超聲多普勒(Acuson128型,探頭頻率5MHz,美國(guó))測(cè)量時(shí),患者取頭后仰臥位,背部墊薄枕,頭偏向左側(cè),常規(guī)掃查雙側(cè)頸動(dòng)脈分叉(carotidbifurcation)、頸外動(dòng)脈(externalcarotidartery,ECA)以及頸總動(dòng)脈(commoncarotidartery,CCA)和頸內(nèi)動(dòng)脈(internalcarotidartery,ICA)。先沿血管走行作縱切掃查,觀察血管形態(tài)、結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)有無(wú)粥樣斑塊。然后將探頭旋轉(zhuǎn)90°做橫切掃查,觀察管腔內(nèi)血流空間分布,脈沖多普勒逐節(jié)段探查頸動(dòng)脈血流頻譜,最后測(cè)定血管內(nèi)徑。所有操作由同一工作人員完成。1.3實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒊暥嗥绽諟y(cè)量得到的頸動(dòng)脈血管內(nèi)徑經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到最終的平均值。參考丁祖榮等的模型,本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀涡螤钜鬄?CCA、ICA、ECA位于同一平面內(nèi);所有截面都為圓形;經(jīng)頸動(dòng)脈竇(ICAS)的中軸線和經(jīng)ECA的中軸軸線對(duì)于CCA中軸線對(duì)稱,其夾角即為分叉角。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆植娼嵌葹?5°。同時(shí),根據(jù)流動(dòng)的相似性原理,并根據(jù)粒子成像測(cè)速儀(particleimagingvelocimetry,PIV)測(cè)量的要求,按照1∶1.5比例放大制作模型。頸動(dòng)脈血管內(nèi)徑測(cè)量的均一化的最終值和按照比例放大的模型的尺寸如附表所示,模型示意圖如圖1所示。1.4用于頸動(dòng)脈血管分支模型的流場(chǎng)檢測(cè)1.4.1流體回抽入上游循環(huán)裝置由上游水箱、模型、流量計(jì)、離心泵和下游水箱由管道連接組成。流體從上游高度可調(diào)節(jié)的水箱流出,經(jīng)過(guò)一段水平直管與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接,流出后進(jìn)入儲(chǔ)水箱。用離心泵將下游儲(chǔ)水箱的流體回抽入上游水箱。上游水箱內(nèi)有一隔柵,當(dāng)水位超過(guò)其水平時(shí)就會(huì)流入水箱另一側(cè),經(jīng)管道匯流入儲(chǔ)水箱,這樣可保證工作水位的穩(wěn)定。流動(dòng)方向如箭頭所示。為減少激光照射時(shí)的光線的二次折射,模型浸在與循環(huán)流體相同的甘油水溶液液體中。循環(huán)液采用50L經(jīng)72h靜止沉淀后的上層純凈水加入化學(xué)純甘油3.75L配制成7.5%的甘油水溶液,粘度μ=0.782mPa·s,密度ρ=1.005×103kg/m3;循環(huán)液中的PIV示蹤粒子直徑為10μm。頸動(dòng)脈血管模型循環(huán)裝置如圖2。1.4.2光路傳輸及圖像采集PIV(TSI公司,PIV-400-10型,美國(guó)),本系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:激光器(NewWaveGeMiniY120-15型);光路傳輸系統(tǒng)(610015-GEM型同步器,TSILaserPulse610034型);PIV校準(zhǔn)器(TSI640050型);圖像采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(INSIGHT-S型);自相關(guān)/互相關(guān)攝像機(jī)(TSIPowerViewTM4M,630049-2型)。1.4.3片光照校準(zhǔn)和cca垂直面測(cè)量由于我們的研究重點(diǎn)在CCA和ICA,所以我們只對(duì)CCA進(jìn)行了水平面和垂直面的PIV測(cè)量,對(duì)ICA進(jìn)行了水平面的PIV測(cè)量。CCA和ICA水平面測(cè)量時(shí)將PIV片光源校準(zhǔn),使其通過(guò)模型圓管中軸水平面,CCD相機(jī)固定于與片光源和圓管中軸正交的檢測(cè)區(qū)域上方0.5m的位置;CCA垂直面測(cè)量時(shí)PIV片光源校準(zhǔn)使其與模型圓管部分垂直,CCD相機(jī)固定于與片光源和圓管中軸正交的檢測(cè)區(qū)域水平方向0.5m的位置。模型加載循環(huán)穩(wěn)定30min后,通過(guò)控制片光源脈沖頻率和相機(jī)采樣頻率,對(duì)模型各個(gè)切面流場(chǎng)采集200對(duì)PIV圖像,進(jìn)行圖像處理后得到速度分布矢量圖并輸出二維瞬時(shí)速度值。2頸內(nèi)動(dòng)脈流場(chǎng)檢測(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈平均流速為0.559m/s(頸內(nèi)動(dòng)脈的峰值流速)時(shí),水平面上頸總動(dòng)脈的流場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如圖3A所示。圖像顯示PIV示蹤粒子分布均勻,光線折射效果良好,圖像清晰。測(cè)量的原始粒子圖像經(jīng)INSIGHT和TECPLOT7.5軟件處理轉(zhuǎn)換后得到速度矢量圖(圖3B)。圖中箭頭方向代表流動(dòng)方向,箭頭長(zhǎng)度代表速度大小。圖像顯示流速分布皆為主流動(dòng)方向上流速,無(wú)明顯的主流方向之外的速度分量,且速度大小均勻一致,說(shuō)明流動(dòng)為定常流流動(dòng)。頸內(nèi)動(dòng)脈平均流速為0.559m/s(人群頸內(nèi)動(dòng)脈的峰值流速)時(shí),頸內(nèi)動(dòng)脈的流場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖4A顯示在ICA水平面上的原始粒子圖像。圖像顯示粒子分布不均勻,光線折射強(qiáng)度不一致。圖4B代表頸內(nèi)動(dòng)脈內(nèi)的流場(chǎng)分布矢量圖。結(jié)果顯示:在頸動(dòng)脈血管分叉模型ICA的ICAS中,出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離區(qū)域,而且在近外側(cè)壁處有明顯的渦流形成。3音叉樣人平均頸動(dòng)脈血管分叉模型Zarins等對(duì)頸動(dòng)脈標(biāo)本的斑塊分布和流速對(duì)比分析結(jié)果揭示,在頸動(dòng)脈竇的外側(cè)壁為低流速、低切應(yīng)力區(qū)域,而此處的斑塊厚度最大。Zhao等利用數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)5例健康成人的頸動(dòng)脈內(nèi)切應(yīng)力分布進(jìn)行研究表明,雖然不同個(gè)體之間由于頸動(dòng)脈形狀的差異,切應(yīng)力分布存在一定的差異,但低切應(yīng)力區(qū)域主要分布在頸動(dòng)脈竇外側(cè)壁。上述現(xiàn)象都提示局部血流動(dòng)力學(xué)因素在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要的角色。以往的頸動(dòng)脈血管研究模型包括簡(jiǎn)化的“T”型血管分叉模型、“Y”型血管分叉模型等。學(xué)者Ku、Lee、Rindt等用“Y”型人平均頸動(dòng)脈分叉模型,研究壁面切應(yīng)力分布與動(dòng)脈粥樣硬化可能的關(guān)系,被認(rèn)為是該領(lǐng)域最成功的范例之一。這些模型的研究雖然反映了頸動(dòng)脈血管分叉的一些流動(dòng)特征,但由于其偏離了頸動(dòng)脈分叉的實(shí)際解剖學(xué)形態(tài),對(duì)頸動(dòng)脈血管分叉的流動(dòng)特征的反映難免會(huì)出現(xiàn)偏差。丁祖榮等基于尸體標(biāo)本的研究提出了音叉樣人平均頸動(dòng)脈血管分叉模型。并通過(guò)激光多普勒測(cè)速儀對(duì)模型內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了初步的描述,雖然證明音叉樣人平均頸動(dòng)脈血管分叉模型是“Y”型人平均頸動(dòng)脈分叉模型的一個(gè)很大改進(jìn),但由于激光多普勒測(cè)速儀本身的局限性,僅對(duì)模型的頸動(dòng)脈竇的中間和前后邊緣進(jìn)行測(cè)量,并沒(méi)有對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行精確、完整的描述。同時(shí),由于其模型的幾何尺寸來(lái)源于尸體標(biāo)本的測(cè)量,難免會(huì)出現(xiàn)偏差。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肬CG在體測(cè)量技術(shù)對(duì)同一頸動(dòng)脈各部分的血管內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量,利用在體二維測(cè)量結(jié)果對(duì)音叉樣人平均頸動(dòng)脈血管分叉模型進(jìn)行改良,建立了更加貼近實(shí)際幾何尺寸的改良的剛性音叉樣頸動(dòng)脈血管分叉模型。本研究利用PIV定量檢測(cè)技術(shù)對(duì)模型內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行定量檢測(cè),結(jié)果顯示:在本研究實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),CCA內(nèi)流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)。在模擬人頸內(nèi)動(dòng)脈峰值流速(0.559m/s)下,ICAS的外側(cè)壁處存在回流區(qū)域并且有渦流形成。動(dòng)脈粥樣硬化斑塊好發(fā)于頸動(dòng)脈分叉附近,尤其是在ICAS的回流區(qū)域,已經(jīng)被證實(shí)。也有研究證實(shí)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生部位和低壁面切應(yīng)力具有很大的相關(guān)性。據(jù)此