顱腦動(dòng)脈瘤模型構(gòu)建與計(jì)算流體力學(xué)分析

王佳美，周志尊，胡明成，劉 陽(yáng)，董 默，孫 強(qiáng)，孫 鵬，劉 芳，趙 寶，陳廣新

（1. 牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011；2. 牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院影像科 黑龍江

牡丹江 157011；3. 解放軍209醫(yī)院內(nèi)科，黑龍江 牡丹江 157011；4. 黑龍江省克東縣職教中心，黑龍江 克東 164800）

0 引言

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是嚴(yán)重的血管疾病，其破裂風(fēng)險(xiǎn)極大，僅次于腦血栓形成與高血壓出血[1]。其破裂出血發(fā)病率占動(dòng)脈瘤人群的1~2%，其病死率和致殘率占腦血管病死亡率 22~25%[2-3]。近年來(lái)大量研究認(rèn)為血流動(dòng)力學(xué)機(jī)制是導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展乃至破裂的主要因素[4]。本研究利用動(dòng)脈瘤患者的CTA( Computed Tomography Angiography, CTA) 影像數(shù)據(jù)，建立有限元分析模型，對(duì)動(dòng)脈瘤部位的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析。該研究成果彌補(bǔ)了醫(yī)學(xué)影像診斷的不足，為動(dòng)顱腦脈瘤內(nèi)部的血流狀態(tài)，動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特征的研究，為動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂的因果關(guān)系的探究提供了新的研究方法，對(duì)于評(píng)估患者頸動(dòng)脈瘤解剖結(jié)構(gòu)，分析其血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值[13,14]

1 顱腦動(dòng)脈瘤三維重建的材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 臨床資料

采集牡丹江醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院一例成人患者右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈后交通動(dòng)脈動(dòng)脈瘤的 CTA影像數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。男性患者，57歲，患者主訴頭部持續(xù)疼痛，臨床表現(xiàn)為“行走不穩(wěn) 6月余”，術(shù)前 CTA檢查成像發(fā)現(xiàn)左側(cè)頸動(dòng)脈瘤占位。診斷為動(dòng)脈巨大梭形動(dòng)脈瘤，如圖1所示。

圖1 顱腦動(dòng)脈CTA 三維成像Fig.1 The craniocerebral artery CTA 3D imaging

應(yīng)用TOSHIBA/AQUILION 64排CT掃描，選取電流250 mA，電壓120 kv，層厚0.5 mm；前臂肘靜脈團(tuán)注射造影劑，注射速度 3.5 ml/s，總量為90 ml；CT數(shù)據(jù)以DICOM3.0格式存儲(chǔ)。

1.2 顱腦動(dòng)脈瘤建模與血液力學(xué)分析設(shè)備

圖像處理硬件：Dell Precision 7810圖像處理工作站，CPU:E5-2603，2133 MHz；ECC 16 G內(nèi)存；Nvidia Quadro K2200。

圖像處理與有限元分析軟件：比利時(shí) Materialise公司Mimics20.0和3-matic12.0；美國(guó)Geomagic公司Geomagic2015；美國(guó)Altair公司Hypermesh14.0；美國(guó)ANSYS公司FLUENT16.0。

2 顱腦動(dòng)脈瘤三維模型構(gòu)建方法

CTA圖像處理及三維重建方法是利用 Mimics軟件將原始DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入，獲得顱部圖像，對(duì)圖像采用閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)及手動(dòng)分割相結(jié)合的處理方法，獲得動(dòng)脈瘤部位，去除細(xì)小分支，對(duì)圖像進(jìn)行三維重建，導(dǎo)出動(dòng)脈瘤部位的三維模型。使用3-matic對(duì)模型進(jìn)行平滑等初步處理后將該模型以STL格式輸出。

2.1 模型修復(fù)與優(yōu)化

將上一步輸出的模型導(dǎo)入 Geomagic軟件中進(jìn)行模型光順、填充、修復(fù)錯(cuò)誤、格柵調(diào)整，最后構(gòu)建曲面，以step格式保存模型。將上一步保存的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行幾何清理，去除多余特征，定義入口、出口及壁面等面組。網(wǎng)格類(lèi)型采用非結(jié)構(gòu)化四面體。為確保計(jì)算精度和網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)模型邊界層采用五層加密網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 顱腦動(dòng)脈瘤網(wǎng)格劃分Fig.2 The cerebral aneurysm grid division

2.2 血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算

本研究將血流設(shè)為不可壓縮牛頓流體及湍流，不考慮能量的傳遞，同時(shí)不考慮重力。血液密度設(shè)為1060 kg/m3，粘度系數(shù)為0.00356 Pa·s。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，將血管壁設(shè)為光滑無(wú)滲透的剛性壁[5]。血流遵守質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律，連續(xù)方程（式 1）和控制方程（式2）為[6]：

上式中ρ為血液密度，u為血流速度，P為動(dòng)脈內(nèi)流場(chǎng)壓力，τ為應(yīng)力張量。采用瞬態(tài)計(jì)算，設(shè)心動(dòng)周期為0.8秒，計(jì)算步長(zhǎng)為0.01秒，計(jì)算10個(gè)周期，取第十個(gè)周期為計(jì)算結(jié)果。入口速度為隨時(shí)間變化的脈動(dòng)曲線(xiàn)，如圖3所示。脈動(dòng)流的設(shè)定更符合人體的生理實(shí)際。出口壓力設(shè)置為 0。采用SIMPLE方法，以二階迎風(fēng)式計(jì)算。

圖3 入口血流速度曲線(xiàn)Fig.3 The velocity curve of blood inflow

3 計(jì)算與結(jié)果

3.1 壁剪切應(yīng)力

心動(dòng)周期的脈動(dòng)曲線(xiàn)與壁剪切應(yīng)力的大小有直接的關(guān)系，高剪切力區(qū)域隨著血流速度的增加而擴(kuò)大，隨脈動(dòng)曲線(xiàn)達(dá)到峰值，然后逐漸減小，但時(shí)間達(dá)到0.3 s后基本消失。低剪切力區(qū)域隨著速度增加而縮小，隨著速度減小而增大，在舒張期末達(dá)到最大值，如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻動(dòng)脈瘤壁面剪切應(yīng)力圖Fig.4 The aneurysm wall shear chart at different moments

3.2 血流速度場(chǎng)分析

由于脈動(dòng)流的特點(diǎn)，血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)是隨著時(shí)間的變化而變化的[7]。血流速度分析結(jié)果顯示，血流在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)，血流全部通過(guò)瘤體。在血流加速期（0.04 s），血流速度較慢，尚不能充滿(mǎn)瘤體。在收縮加速期（0.2 s），血流速度較快，血流逐漸充滿(mǎn)瘤體。瘤體內(nèi)形成多個(gè)渦流。在血流舒張期（0.3 s），血流速度減慢，瘤體內(nèi)渦流混亂復(fù)雜，血流充滿(mǎn)整個(gè)瘤體區(qū)域。在舒張期（0.5 s），血流速度減慢，瘤體內(nèi)渦流減少，如圖5所示。

3.3 動(dòng)脈瘤靶點(diǎn)力學(xué)特性隨時(shí)間變化

如圖6所示，在生成的動(dòng)脈瘤模型上選取三個(gè)特征點(diǎn)。

通過(guò)模擬與計(jì)算，得出動(dòng)脈瘤內(nèi)血液的速度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。選取的三個(gè)特征點(diǎn)的速度時(shí)間曲線(xiàn)趨勢(shì)總體一致，各點(diǎn)與入口速度曲線(xiàn)波形基本相似，靠近動(dòng)脈瘤的載瘤動(dòng)脈區(qū)域的速度較低，如圖7所示。

圖5 不同時(shí)刻的流線(xiàn)圖Fig.5 The streamline flow chart at different moments

圖6 特征點(diǎn)標(biāo)記圖Fig.6 The chart of feature point marker

同樣通過(guò)計(jì)算可以得出動(dòng)脈瘤內(nèi)的壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，載瘤動(dòng)脈內(nèi)所選三點(diǎn)的壓力波形基本相似且與速度波形有相關(guān)性。

4 結(jié)論

圖7 血液在動(dòng)脈瘤內(nèi)的速度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 The velocity and time curve of the blood in an aneurysm

選取頭部CTA斷層圖像為原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)Mimics，3-matic，Geomagic Fluent 等軟件實(shí)施 3D重建及有限元分析，構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的 3D模型，通過(guò)對(duì)動(dòng)脈瘤血液流體力學(xué)參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行流體力學(xué)分析采用該方法進(jìn)行建模與仿真可以無(wú)創(chuàng)、活體對(duì)顱腦動(dòng)脈瘤內(nèi)壁進(jìn)行精確研究，觀(guān)察顱腦動(dòng)脈瘤形態(tài)，有效評(píng)價(jià)顱腦動(dòng)脈瘤的結(jié)構(gòu)特征。該研究成果彌補(bǔ)了醫(yī)學(xué)影像診斷的不足，為動(dòng)顱腦脈瘤內(nèi)部的血流狀態(tài)，動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特征的研究，為動(dòng)脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂的因果關(guān)系的探究提供了新的研究方法，對(duì)于評(píng)估患者頸動(dòng)脈瘤解剖結(jié)構(gòu)，分析其血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值[13-15]，同時(shí)也可為模擬仿真手術(shù)提供指導(dǎo)，也為醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究及顱腦動(dòng)脈瘤的治療方法提供幫助。

圖8 動(dòng)脈瘤的壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 The pressure - time curve in the aneurysm

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