顱腦動脈瘤模型構建與計算流體力學分析

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

（1. 牡丹江醫學院醫學影像學院，黑龍江 牡丹江 157011；2. 牡丹江醫學院附屬紅旗醫院影像科 黑龍江

牡丹江 157011；3. 解放軍209醫院內科，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

顱內動脈瘤是嚴重的血管疾病，其破裂風險極大，僅次于腦血栓形成與高血壓出血[1]。其破裂出血發病率占動脈瘤人群的1~2%，其病死率和致殘率占腦血管病死亡率 22~25%[2-3]。近年來大量研究認為血流動力學機制是導致動脈瘤的發生、發展乃至破裂的主要因素[4]。本研究利用動脈瘤患者的CTA( Computed Tomography Angiography, CTA) 影像數據，建立有限元分析模型，對動脈瘤部位的血流動力學參數進行數值分析。該研究成果彌補了醫學影像診斷的不足，為動顱腦脈瘤內部的血流狀態，動脈瘤的血流動力學特征的研究，為動脈瘤的發生、發展和破裂的因果關系的探究提供了新的研究方法，對于評估患者頸動脈瘤解剖結構，分析其血液動力學狀態有一定的臨床應用價值[13,14]

1 顱腦動脈瘤三維重建的材料與實驗設計

1.1 臨床資料

采集牡丹江醫學院第一附屬醫院一例成人患者右側頸內動脈后交通動脈動脈瘤的 CTA影像數據為研究對象。男性患者，57歲，患者主訴頭部持續疼痛，臨床表現為“行走不穩 6月余”，術前 CTA檢查成像發現左側頸動脈瘤占位。診斷為動脈巨大梭形動脈瘤，如圖1所示。

圖1 顱腦動脈CTA 三維成像Fig.1 The craniocerebral artery CTA 3D imaging

應用TOSHIBA/AQUILION 64排CT掃描，選取電流250 mA，電壓120 kv，層厚0.5 mm；前臂肘靜脈團注射造影劑，注射速度 3.5 ml/s，總量為90 ml；CT數據以DICOM3.0格式存儲。

1.2 顱腦動脈瘤建模與血液力學分析設備

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

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

2 顱腦動脈瘤三維模型構建方法

CTA圖像處理及三維重建方法是利用 Mimics軟件將原始DICOM格式數據導入，獲得顱部圖像，對圖像采用閾值分割、區域增長、動態區域增長及手動分割相結合的處理方法，獲得動脈瘤部位，去除細小分支，對圖像進行三維重建，導出動脈瘤部位的三維模型。使用3-matic對模型進行平滑等初步處理后將該模型以STL格式輸出。

2.1 模型修復與優化

將上一步輸出的模型導入 Geomagic軟件中進行模型光順、填充、修復錯誤、格柵調整，最后構建曲面，以step格式保存模型。將上一步保存的模型導入Hypermesh軟件中進行幾何清理，去除多余特征，定義入口、出口及壁面等面組。網格類型采用非結構化四面體。為確保計算精度和網格質量，對模型邊界層采用五層加密網格劃分，如圖2所示。

圖2 顱腦動脈瘤網格劃分Fig.2 The cerebral aneurysm grid division

2.2 血流動力學指標計算

本研究將血流設為不可壓縮牛頓流體及湍流，不考慮能量的傳遞，同時不考慮重力。血液密度設為1060 kg/m3，粘度系數為0.00356 Pa·s。為簡化問題，將血管壁設為光滑無滲透的剛性壁[5]。血流遵守質量守恒和動量守恒定律，連續方程（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為動脈內流場壓力，τ為應力張量。采用瞬態計算，設心動周期為0.8秒，計算步長為0.01秒，計算10個周期，取第十個周期為計算結果。入口速度為隨時間變化的脈動曲線，如圖3所示。脈動流的設定更符合人體的生理實際。出口壓力設置為 0。采用SIMPLE方法，以二階迎風式計算。

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

3 計算與結果

3.1 壁剪切應力

心動周期的脈動曲線與壁剪切應力的大小有直接的關系，高剪切力區域隨著血流速度的增加而擴大，隨脈動曲線達到峰值，然后逐漸減小，但時間達到0.3 s后基本消失。低剪切力區域隨著速度增加而縮小，隨著速度減小而增大，在舒張期末達到最大值，如圖4所示。

圖4 不同時刻動脈瘤壁面剪切應力圖Fig.4 The aneurysm wall shear chart at different moments

3.2 血流速度場分析

由于脈動流的特點，血流動力學參數是隨著時間的變化而變化的[7]。血流速度分析結果顯示，血流在一個脈動周期內，血流全部通過瘤體。在血流加速期（0.04 s），血流速度較慢，尚不能充滿瘤體。在收縮加速期（0.2 s），血流速度較快，血流逐漸充滿瘤體。瘤體內形成多個渦流。在血流舒張期（0.3 s），血流速度減慢，瘤體內渦流混亂復雜，血流充滿整個瘤體區域。在舒張期（0.5 s），血流速度減慢，瘤體內渦流減少，如圖5所示。

3.3 動脈瘤靶點力學特性隨時間變化

如圖6所示，在生成的動脈瘤模型上選取三個特征點。

通過模擬與計算，得出動脈瘤內血液的速度與時間關系曲線如圖8所示。選取的三個特征點的速度時間曲線趨勢總體一致，各點與入口速度曲線波形基本相似，靠近動脈瘤的載瘤動脈區域的速度較低，如圖7所示。

圖5 不同時刻的流線圖Fig.5 The streamline flow chart at different moments

圖6 特征點標記圖Fig.6 The chart of feature point marker

同樣通過計算可以得出動脈瘤內的壓力隨時間變化曲線，載瘤動脈內所選三點的壓力波形基本相似且與速度波形有相關性。

4 結論

圖7 血液在動脈瘤內的速度與時間關系曲線Fig.7 The velocity and time curve of the blood in an aneurysm

選取頭部CTA斷層圖像為原始實驗數據，通過Mimics，3-matic，Geomagic Fluent 等軟件實施 3D重建及有限元分析，構建顱內動脈瘤的 3D模型，通過對動脈瘤血液流體力學參數的數值計算，并對結果進行流體力學分析采用該方法進行建模與仿真可以無創、活體對顱腦動脈瘤內壁進行精確研究，觀察顱腦動脈瘤形態，有效評價顱腦動脈瘤的結構特征。該研究成果彌補了醫學影像診斷的不足，為動顱腦脈瘤內部的血流狀態，動脈瘤的血流動力學特征的研究，為動脈瘤的發生、發展和破裂的因果關系的探究提供了新的研究方法，對于評估患者頸動脈瘤解剖結構，分析其血液動力學狀態有一定的臨床應用價值[13-15]，同時也可為模擬仿真手術提供指導，也為醫學影像教學研究及顱腦動脈瘤的治療方法提供幫助。

圖8 動脈瘤的壓力隨時間變化曲線Fig.8 The pressure - time curve in the aneurysm

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