椎基底動脈抽吸取栓的數值仿真

羅梓藝,邱雪,程云章

(上海理工大學 健康科學與工程學院,上海 200093)

0 引言

據研究顯示,我國卒中患病率高居世界首位,且大部分是缺血性卒中。大血管閉塞作為卒中的重要誘因之一,其預后性差、發病后病情嚴重,極大地加重了患者的經濟負擔[1-2]。其中,后循環大血管閉塞導致的卒中死亡率居高不下[3-5]。Luo等[6]通過血管造影發現,在后循環腦梗死中,因血流環境復雜等導致椎-基底動脈的發病率較高。研究表明,針對缺血性卒中,機械取栓作為一種新型的血管內介入治療方法,相比傳統的靜脈溶栓可明顯改善預后效果。目前,針對機械取栓的研究主要集中在前循環血管取栓,而后循環的相關研究較少[7]。Zhang等[8]通過回顧分析多個數據庫的信息,比較支架取栓與抽吸取栓在急性缺血性腦卒中的治療效果,認為在后循環中抽吸取栓可達到更高的血管再通率,與單獨使用支架取栓相比,直接抽吸取栓的治療效果可能更好。以往研究多側重于抽吸取栓的臨床治療效果,對于血流動力學的研究較匱乏。本研究采用流固耦合對血管內抽吸取栓進行數值仿真,從血流動力學角度分析抽吸取栓對血管的影響。

1 材料與方法

1.1 圖像數據

本研究采用由上海東方醫院提供的二維CT影像數據,平面分辨率為512×512,層間距為0.535 mm,共444張切片。圖1中高亮部分為本研究目標血管。

1.2 血管重建

將二維CT影像數據以DICOM格式導入MIMICS20.0醫學影像處理軟件,進行圖像處理。調節對比度以更好地觀察目標血管所在位置,采用閾值分割提取目標血管,使用區域增長等方法編輯蒙版,計算3D得到初步的三維模型。

逆向工程軟件可在保留原有特征的情況下,進行復雜模型或自由曲面的重建工作。將初步得到的三維模型導入Geomagic Studio 2013逆向工程軟件中,采用光滑、重劃網格等方法進一步處理模型。經測量,椎基底動脈直徑在3 mm左右,管壁厚度約為血管直徑的8%～10%[9],使用加厚構建血管壁模型,設血管壁厚統一為0.3 mm。

將血管壁模型導入SpaceClaim中,使用體積抽取方法構建血液模型,構建完成的血液與血管壁模型見圖2。由于模型結構不規則,不適用結構化網格,故對流體域和固體域分別進行非結構化四面體網格劃分,其中流體部分節點數為525 140,單元數為2 728 337;固體部分節點數為198 511,單元數為99 289。

圖2 重建后的血液與血管壁模型

1.3 計算設置

兩個入口均采用速度入口,入口速度設置為0.3 m/s,選擇穩態計算,并設置重力加速度為9.8 m2/s。通過對雷諾數計算可區別流動特性,當雷諾數小于2 000時,流體為層流流動;雷諾數在2 000～4 000之間時,流體為層流向湍流的過渡狀態;雷諾數大于4 000時,流體為湍流流動,雷諾數大小計算如下:

(1)

其中,速度v為0.3 m/s,血管直徑d取0.003 m,血流密度ρ為1 050 kg/m3,血流粘性系數μ為0.003 5[10]。計算得出雷諾數為270,所以,本研究選擇層流模型進行流體計算。以往研究為簡化計算,通常將血液作為牛頓流體計算,由于牛頓流體具有恒定的動力粘度,在計算中與真實血液流動的差距較大,故本研究將血液作為非牛頓流體進行計算,粘度采用常用于表征人體血液粘稠度的Carreau-Yasuda模型進行計算,出口設置為壓力出口,表壓設置為13 332 Pa。設置壁面為無滑移壁面[11]。

血管壁材料采用線彈性各項同性彈性材料,密度設置為1 150 kg/m3,彈性模量設置為5×105Pa,泊松比設置為0.499。將血管的出入口均設置為固定支撐,設置血管壁內壁面為流固耦合面[12-13]。

2 數值模擬結果

2.1 血液流場分析

血液流場速度流線圖見圖3(a),可知在椎-基底動脈血管分叉處,血液流速明顯加快,且存在渦旋流動現象[14]。在椎動脈V3段存在低速回流現象,此低速渦旋流動會導致機體中的血液細胞和脂質等成分沉淀,堆積在血管中,極易形成動脈粥樣硬化,進而引發腦部后循環供血不足,導致缺血性腦卒中[15]。

圖3 流體計算結果

在誘發和促進動脈粥樣硬化的血流動力學因素中,影響最為突出的是血管壁面剪切應力(wall shear stress,WSS),WSS云圖見圖3(b)。大量研究表明,較低的WSS會導致血管內產生斑塊、內膜增厚等情況,目前一般認為低WSS為其在0～0.4之間。由圖3可知,由于血管彎曲度極大,在椎動脈V3段存在大量低WSS區域,低WSS區域與血流低速部分重合,容易產生細胞堆積,加快血管內粥樣硬化的形成。此外,還可明顯看出椎動脈V4段血管存在一定狹窄,因此,此處血流速度加快,血流的高速沖擊對血管壁面造成一定壓力,從而導致椎動脈V4段和基底動脈匯合處存在部分高WSS區域,高WSS可引發血管壁內皮損傷或動脈粥樣硬化部分破裂及脫落,進一步增大后循環缺血性腦卒中的發病風險[16-17]。

2.2 流固耦合分析

在ANSYS Workbench中,將流體流動與靜態結構模塊相耦合連接以進行流固耦合計算。等效應力又被稱作Von-Mises應力,通過對等效應力計算,可觀察血液流動對血管壁的沖擊受力是否過載,是否會損壞血管壁[18]。使用流固耦合方式進行數值模擬,計算當前模型中血液流動對血管壁的影響,計算得到的血管壁等效應力圖和形變量分布,見圖4。由圖4可知,由于椎動脈右支V4段較為狹窄曲折,所以,椎動脈右支的V3段形變量和等效應力基本都達到了最大值。在椎動脈V3段彎曲處和椎動脈V4段與基底動脈匯合處存在較大等效應力區域,說明這些區域均可能存在血管壁損傷,易引起血管壁內皮細胞受傷脫落或血管中已形成的粥樣硬化斑塊脫落,進而誘發后循環缺血性腦卒中[19-20]。

圖4 固體域計算結果

3 抽吸取栓仿真

由于抽吸取栓過程的許多參數很難在臨床上進行測量和獲取,所以,對抽吸取栓過程進行模擬十分必要。目前在模擬仿真抽吸取栓的實驗中,采用的抽吸壓力從10到100 kPa不等[21-25],本研究將抽吸壓力設定為20～50 kPa進行抽吸取栓的仿真研究。

由前面的流體計算結果可知,由于椎動脈右支V4段狹窄,在椎動脈V3段彎曲處易產生血管內粥樣硬化,因此,本研究在椎動脈右支的入口處直接給定負壓進行抽吸取栓的模擬仿真。由于不能判斷給定負壓后,血管入口處的流速情況,所以將入口設置為壓力入口,將初始壓設為血管表壓13 332 Pa,總壓分別設置為20、30、40和50 kPa進行流固耦合計算,計算結果見圖5。

圖5 抽吸取栓仿真計算結果

由圖5可知,隨著抽吸壓力的增加,高WSS區域從原本的椎動脈右支V4段逐漸擴散到整個椎動脈右支,等效應力和流速同時增加,其分布的高低數值區域大致相同,說明當抽吸取栓時,較大等效應力區域存在對血管壁的損傷。而血管壁的高形變區域則集中在椎動脈右支V3段,并隨抽吸壓力增大而增大,且該區域有上移趨勢。

4 結論

已有研究證明,在急性后循環大血管閉塞引起的急性后循環腦卒中治療中,抽吸取栓已獲得了良好的血管再通率和預后效果,研究抽吸取栓過程的血流動力學變化,有助于進一步發展抽吸取栓技術在急性后循環腦卒中的治療[26-27]。本研究通過設定不同的入口壓力,仿真不同抽吸壓力情況下抽吸取栓對血管的影響,由計算結果可知,隨著抽吸壓力的增大,等效應力、WSS和形變量也在增加,說明抽吸取栓對血管仍存在一定的損傷。取栓過程不能只關注血栓的抽吸效果,而忽略其對血管的影響。

對血管血栓進行抽吸取栓的模擬仿真,以探究抽吸取栓過程中血流動力學的變化以及血管壁的應力變化,對改進抽吸取栓參數具有輔助作用。本研究采用真實血管作為研究對象,提高了數值仿真的可靠性,為抽吸取栓提供了血流動力學的理論依據。