顱內動脈瘤夾閉手術的數(shù)值模擬與臨床應用研究

1、顱內動脈瘤夾閉手術的數(shù)值模擬與臨床應用研究摘 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(shù)值模擬。通過 使用Mimics、3-matic對CT數(shù)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(shù)值。數(shù)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(qū)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Numerical Simulation and Clinical Application of Intracrani

2、alAneurysma Enclosure SurgeryAbstract : 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, t

3、he 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 she

4、ar 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 surgery0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1o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

5、顱內動 脈瘤的形成和發(fā)展過程中起到了非常重要的作用闋， 可以通過改變血流動力學來限制動脈瘤的繼續(xù)發(fā)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7-9o 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(shù)據采集采集牡丹江醫(yī)學院附屬紅旗醫(yī)院1例男性顱內 CTA影像數(shù)據，年齡47歲，采用日本東芝Aquilion64 層螺旋CT,掃描參數(shù)：管電壓120 KV、管電流 250 mA、掃描矩陣512x512、像素尺寸0.481

6、 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(shù)據以 DICOM ( Digital imaging and Communications 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(shù)據導入Mim

7、ics20.0軟件，采用 使用閾值分割(Thresholding )、區(qū)域增長(Region Growing)、蒙板編輯(Edit Masks )等獲得感興趣區(qū) 域，去除細小分支，再通過計算三維工具(Calculate Part)對感興趣區(qū)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:m。1.4.2網格劃分及數(shù)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 0.0035Pa-s1011o 設定動

8、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。IIIIII圖1網格劃分Fig.1 Grid divisionFig.2 Entrance speed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(shù)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I中可以看出，載 瘤動脈中心血流速度不斷降低，血流狀態(tài)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

9、，遠離瘤腔中心部位的血流 速度更低。模型m與模型I相比，原瘤腔部位的血 流已經消失。模型I、m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I的瘤壁始終保持在 低壁切應力狀態(tài)，瘤頸部的壁切應力隨血流速度的 降低逐漸降低。模型I和模型m比較，除了動脈瘤 部分外未發(fā)生明顯變化。模型I整體的壁切應力低 于模型I和模型m。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n和模型M入口 處的壓力明顯高于模型I。模

10、型n和模型m除了動 脈瘤部分，各處壓力值也未有沒有變化。模型n和 模型:m的壁壓力整體高于模型I。II0.88s1s1.1s圖3不同時刻血流速度流線圖Fig.3 Flow chart of blood flow at different timesI0.88s1s1.1sI0.88s1s1.1s圖4不同時刻壁切應力圖Fig.4 Wall shear stress at different timesIII皿0.88s1s1.1sIII皿0.88s1s1.1s圖5不同時刻壁壓力圖Fig.5 Wall pressure map at different times3討論本文采用數(shù)值模擬的方法對動脈

11、瘤夾閉前、夾 閉后以及正常血管的血流動力學參數(shù)進行對比分 析。對比后發(fā)現(xiàn)，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(tài)，壁壓力較高。Lu等人12 和Xiang13等人發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)生變 化，從而進一步導致了血管壁的破裂15o Jou等16 和Acevedo-Bolton等17研究發(fā)現(xiàn)低WSS和動脈瘤 生長之間的相關性。Meng18等人研究表明低WSS 和高震蕩剪切指數(shù)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(fā)性囊性動脈瘤表型的生長和破裂有 關。Wang19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