顱內動脈瘤夾閉手術的數值模擬與臨床應用研究

胡鈞浛 王汝良 胡霖霖

摘 ?要： 本文使用計算流體力學（CFD）的方法對顱內動脈瘤夾閉手術前后以及正常血管進行數值模擬。通過使用Mimics、3-matic對CT數據進行重建，再使用Ansys進行網格劃分、求解計算，獲得模擬夾閉手術前后的心動周期不同時刻的血流速度、壁切應力、壁壓力數值。數值模擬改變血流動力學的方式可以對動脈瘤治療前及治療后的狀況進行評估。動脈瘤處的低壁切應力和低速區域與動脈瘤破裂有關。

關鍵詞： 顱內動脈瘤;計算流體力學;血流動力學;夾閉手術

中圖分類號： TP319 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.009

本文著錄格式：胡鈞浛，王汝良，胡霖霖，等. 顱內動脈瘤夾閉手術的數值模擬與臨床應用研究[J]. 軟件，2019，40（6）：4043+63

【Abstract】： Computational fluid mechanics（CFD） method was used to simulate intracranial aneurysms before and after operation and normal blood vessels. Through the reconstruction of CT data using Mimics and 3-matic， and then using Ansys for mesh division and calculation， the blood flow velocity， wall shear stress， and wall pressure values at different times of the cardiac cycle before and after the simulated clamping operation are obtained. Numerical simulations of changes in hemodynamics can assess the status of aneurysms before and after treatment. The low wall shear stress and the low velocity area at the aneurysm are related to the rupture of the aneurysm.

【Key words】： Intracranial aneurysm; Computational fluid mechanics; Hemodynamics; Folding surgery

0 ?引言

顱內動脈瘤（intracranial aneurysm，IA）是顱內動脈管壁上局部的、球囊樣的異常膨出[1]。顱內動脈瘤在普通人群的患病率為3-5%，在診斷后5年內，總體破裂風險為1.2%[2-4]。血流動力學對顱內動脈瘤的形成和發展過程中起到了非常重要的作用[5，6]，可以通過改變血流動力學來限制動脈瘤的繼續發展甚至破裂。計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）對血流動力學的研究取得重大進展[7-9]。本研究將應用計算流體力學的方法對一例顱內動脈瘤進行模擬夾閉手術并將其與夾閉手術前和同一位置的正常血管的血流動力學進行對比。

1 ?材料與方法

1.1 ?原始數據采集

采集牡丹江醫學院附屬紅旗醫院1例男性顱內CTA影像數據，年齡47歲，采用日本東芝Aquilion64層螺旋CT，掃描參數：管電壓120 KV、管電流 ? 250 mA、掃描矩陣512×512、像素尺寸0.481 mm、掃描層厚0.5 mm，以4.0 mL/s經肘靜脈注射造影劑150 mL，要求患者在掃描過程中不做吞咽動作，掃描數據以DICOM（Digital imaging and Communica?tions in Medicine）格式儲存。

1.2 ?實驗設備

戴爾Precision T7810：Xeon E5-2609 v3處理器、16 G內存、nVIDIA Quadro2200顯卡。

1.3 ?實驗應用軟件

Mimics 20.0;3-matic 12.0;Ansys workbench 18.0。

1.4 ?有限元模型的建立

1.4.1 ?模型的三維重建及修復

將CTA影像數據導入Mimics20.0軟件，采用使用閾值分割（Thresholding）、區域增長（Region Growing）、蒙板編輯（Edit Masks）等獲得感興趣區域，去除細小分支，再通過計算三維工具（Calculate Part）對感興趣區域進行三維重建，在3-matic中對模型進行光滑處理，以stl格式保存重建的模型。正常血管為模型Ⅰ，夾閉手術前為模型Ⅱ，夾閉手術后為模型Ⅲ。

1.4.2 ?網格劃分及數值模擬

在Ansys ICEM CFD中對動脈瘤進行網格劃分（圖1）。

將血流設定為牛頓流體且為層流，設置血液密度為1060 kg/m3，粘度為0.0035Pas[10，11]。設定動脈瘤壁為剛性，血液和血管壁面無滑動及滲透。入口給與脈動速度（圖2），出口處的壓力設定為0。

血流速度為脈動血流，心動周期均為0.8 s，步長為0.01 s，總共計算200步。計算兩個周期，以0.88 s、1 s、1.1 s時刻的結果進行分析。

2 ?數值模擬結果分析

2.1 ?血流速度

圖3是三個模型分別在0.88 s、1 s、1.1 s三個時刻的血流速度流線圖。從模型Ⅱ中可以看出，載瘤動脈中心血流速度不斷降低，血流狀態為層流。血液在動脈瘤中形成渦流，隨著血流速度的降低，瘤腔內的血流反而增多，遠離瘤腔中心部位的血流速度更低。模型Ⅲ與模型Ⅱ相比，原瘤腔部位的血流已經消失。模型Ⅱ、Ⅲ與模型Ⅰ相比，同一時刻的血流速度要高。

2.2 ?壁切應力

圖4是三個模型分別在0.88 s、1 s、1.1 s三個時刻的壁切應力圖。三種模型的壁切應力隨著血流速度的降低均有所下降。模型Ⅱ的瘤壁始終保持在低壁切應力狀態，瘤頸部的壁切應力隨血流速度的降低逐漸降低。模型Ⅱ和模型Ⅲ比較，除了動脈瘤部分外未發生明顯變化。模型Ⅰ整體的壁切應力低于模型Ⅱ和模型Ⅲ。

2.3 ?壁壓力

圖5是三個模型分別在0.88 s、1 s、1.1 s三個時刻的壁壓力圖。在0.88 s，模型Ⅱ和模型Ⅲ入口處的壓力明顯高于模型Ⅰ。模型Ⅱ和模型Ⅲ除了動脈瘤部分，各處壓力值也未有沒有變化。模型Ⅱ和模型Ⅲ的壁壓力整體高于模型Ⅰ。

3 ?討論

本文采用數值模擬的方法對動脈瘤夾閉前、夾閉后以及正常血管的血流動力學參數進行對比分析。對比后發現，夾閉后動脈瘤內沒有血流，夾閉前動脈瘤內血流豐富、渦流，但流速較慢。夾閉前后血管的血流速度高于正常血管。夾閉前的動脈瘤壁切應力處于低的狀態，壁壓力較高。Lu等人[12]和Xiang[13]等人發現破裂組的動脈瘤的平均WSS要比未破裂組低。Liu等人[14]的研究中評估了動脈瘤破裂前的血流動力學特征，發現了低WSS與未破裂動脈瘤破裂有關。低WSS同時會導致血管壁發生變化，從而進一步導致了血管壁的破裂[15]。Jou等[16]和Acevedo-Bolton等[17]研究發現低WSS和動脈瘤生長之間的相關性。Meng[18]等人研究表明低WSS和高震蕩剪切指數與大的動脈粥樣硬化性動脈瘤表型的生長和破裂有關，而高WSS和正的WSS梯度與小的或繼發性囊性動脈瘤表型的生長和破裂有關。Wang[19]等人建立虛擬支架植入術CFD仿真模型，模擬了15例動脈瘤支架植入，結果表明血流速度和WSS在不同類型的動脈瘤均降低。而我們所模擬的是夾閉術，直接讓動脈瘤排除在血液循環之外，通過將其排除在血液循環之外，可以避免動脈瘤的繼續發展甚至破裂。

4 ?結論

本研究的目的是探討動脈瘤夾閉術前后的血流動力學特征，我們對夾閉術前后以及正常血管基于CT影像數據的進行了計算流體力學模擬。通過數值模擬改變血流動力學的方式可以對動脈瘤治療前及治療后的狀況進行評估。動脈瘤處的低壁切應力和低速區域與動脈瘤破裂有關。

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