血流動(dòng)力學(xué)應(yīng)用

顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中血流動(dòng)力學(xué)研究(yánjiū)共三十二頁(yè)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)血流動(dòng)力學(xué)在動(dòng)脈瘤的病理形成和瘤內(nèi)血栓生成方面起重要作用，雖然在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床上都進(jìn)行了相關(guān)的研究，尤其是體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的血流動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)參數(shù)的模擬，但是這些研究多是基于理想化的動(dòng)脈瘤模型或者實(shí)驗(yàn)動(dòng)物動(dòng)脈瘤模型，對(duì)于(duìyú)具體的臨床病人價(jià)值不高，因此針對(duì)臨床病人顱內(nèi)動(dòng)脈瘤進(jìn)行的血流動(dòng)力學(xué)個(gè)體化研究更有意義。共三十二頁(yè)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)由于技術(shù)手段的限制，目前無法對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者實(shí)施血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在體檢測(cè)。因此，應(yīng)用(computationalfluiddynamics，CFD)建立顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的三維實(shí)體動(dòng)力學(xué)分析模型，分析瘤內(nèi)血流運(yùn)動(dòng)模式(móshì)及血流--瘤壁相互作用機(jī)制成為可靠的技術(shù)手段。共三十二頁(yè)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)目前研究多應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computationalfluiddynamics，CFD)來模擬進(jìn)而獲得(huòdé)動(dòng)脈瘤內(nèi)血液動(dòng)力學(xué)的信息，以便更好的理解實(shí)際體內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)理。其中動(dòng)脈瘤內(nèi)部的流速、壓力、壁面剪切力等流體力學(xué)參數(shù)對(duì)動(dòng)脈瘤病理生理機(jī)制非常重要，利用流利力學(xué)有限元分析方法能在體外對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)部的血流情況進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測(cè)瘤體內(nèi)部血流動(dòng)力過程。共三十二頁(yè)簡(jiǎn)介(jiǎnjiè)血流動(dòng)力學(xué)研究中幾個(gè)關(guān)鍵的概念：1、血流沖擊力：其來自于血流的慣性力，垂直作用(zuòyòng)于血管壁。

2、壁剪切力（wallshearstress，WSS）：WSS是血液流動(dòng)時(shí)血流對(duì)血管壁的切向作用力，其作用方向平行于血管壁，大小與血流速度有關(guān)，血流速度越快，血流速度梯度越大，血流產(chǎn)生的WSS也就越大*ShojimaM,OshimaM,TakagiK,etal.Roleofthebloodstreamimpactingforceandthelocalpressureelevationintheruptureofcerebralaneurysms[J].Stroke,2005,36:1933-1938.共三十二頁(yè)研究(yánjiū)目的（1）基于影像DSA圖像，應(yīng)用醫(yī)學(xué)軟件MIMICS及有限元軟件ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)體化顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)模擬，觀察(guānchá)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)變化。（2）探討顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特征與其發(fā)生、發(fā)展、破裂和復(fù)發(fā)的關(guān)系。共三十二頁(yè)技術(shù)(jìshù)路線（1）基于(jīyú)MIMICS軟件對(duì)顱腦DSA圖像進(jìn)行三維重建。（2）使用ANSYSICEMCFD進(jìn)行網(wǎng)格化（3）采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)研究對(duì)象重建模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算（4)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件研究對(duì)象重建模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析手術(shù)前后的血流動(dòng)力學(xué)變化共三十二頁(yè)技術(shù)(jìshù)路線一、血流動(dòng)力學(xué)模型1控制方程假定血液是層流且為粘性的，不可壓縮的牛頓流體。一般(yībān)情況下的流體力學(xué)控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。本研究不考慮能量的傳遞，例如熱量的傳遞等，因此不考慮能量方程。同時(shí)假設(shè)重力不計(jì)，控制流動(dòng)的基本方程是不可壓縮Navier--Stokes方程來控制2.邊界條件將動(dòng)脈瘤壁設(shè)定為剛性，因此忽略了動(dòng)脈瘤壁彈性和厚度對(duì)血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果的影響。血流和管壁之間沒有滑動(dòng)和穿透。3.數(shù)值計(jì)算NS方程組采用守恒形式的有限體積法來離散，時(shí)間采用隱格式，網(wǎng)格單元為四面體型網(wǎng)格。在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍構(gòu)造控制體，通量通過位于兩個(gè)控制體界面上的結(jié)合點(diǎn)來計(jì)算。共三十二頁(yè)技術(shù)(jìshù)路線二、動(dòng)脈瘤三維實(shí)體重建模型建模環(huán)境：在微機(jī)的Windows平臺(tái)下建立腦動(dòng)脈瘤的三維有限元幾何模型。1.原始數(shù)據(jù)采集：進(jìn)行DSA造影，3D旋轉(zhuǎn)取得血管影像，剪切無關(guān)血管，保留載瘤動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤，將動(dòng)脈瘤橫斷圖切片以圖片格式輸出。2.將圖片進(jìn)行圖像處理，使Ｍimics的橫斷圖窗、縱切圖窗、軸位圖窗的血管影像能清晰完整顯示，進(jìn)行三維重建。再對(duì)重建后的影像進(jìn)行平滑處理。將三維模型導(dǎo)出為格式文件。3.劃分網(wǎng)格：將上一步生成(shēnɡchénɡ)的格式文件導(dǎo)入ICEMCFD，用Block分塊，并用O-Block法劃分三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。4.醫(yī)學(xué)3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics，有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。共三十二頁(yè)建模結(jié)果(jiēguǒ)以及數(shù)據(jù)化分析1.MIMICS重建(zhònɡjiàn)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型與DSA工作站重建模型對(duì)比MIMICS重建模型DSA工作站重建模型共三十二頁(yè)建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)(shùjù)化分析2面網(wǎng)格(wǎnɡɡé)模型與體網(wǎng)格(wǎnɡɡé)模型網(wǎng)格(wǎnɡɡé)模型面網(wǎng)格模型體網(wǎng)格模型共三十二頁(yè)建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)(shùjù)化分析(1)壁面總壓力(yālì)不同注射速度壁面總壓力比較共三十二頁(yè)建模結(jié)果以及(yǐjí)數(shù)據(jù)化分析不同注射速度(sùdù)壁面剪切力比較(2)壁面剪切力共三十二頁(yè)建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)(shùjù)化分析不同注射速度(sùdù)血流流線圖比較（3）血流流線圖共三十二頁(yè)4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值(shùzí)模擬結(jié)果進(jìn)口(jìnkǒu)條件共三十二頁(yè)4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值(shùzí)模擬結(jié)果(1)壁面總壓力(yālì)t1t2t3共三十二頁(yè)4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬(mónǐ)結(jié)果(2)壁面剪切力t1t2t3共三十二頁(yè)4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值(shùzí)模擬結(jié)果t1t2t3（3）血流流線圖共三十二頁(yè)4.手術(shù)前后模型數(shù)值(shùzí)模擬結(jié)果壁面總壓力(yālì)術(shù)前術(shù)后共三十二頁(yè)4.手術(shù)(shǒushù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果壁面剪切力術(shù)后術(shù)前共三十二頁(yè)4.手術(shù)(shǒushù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果血流流線圖術(shù)后術(shù)前共三十二頁(yè)血流沖擊力：可造成被沖擊區(qū)域壓力的增高(zēnggāo)，當(dāng)血流的速度降低時(shí)，血液的機(jī)械運(yùn)動(dòng)能力轉(zhuǎn)化為壓力，在血流場(chǎng)中，稱作動(dòng)壓力

(dynamicpressure)。在血流沖擊瘤壁或者動(dòng)脈壁時(shí)血流改變方向，速度立刻隨之降低，這樣大部分動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為靜壓力，結(jié)果導(dǎo)致被沖擊區(qū)域局部壓力的增高，動(dòng)脈瘤內(nèi)復(fù)雜的速度分布可導(dǎo)致動(dòng)脈瘤內(nèi)壓力增高*。共三十二頁(yè)壁剪切力(WSS)壁剪切力（wallshearstress，WSS）：是粘性的血流通過固體表面形成的動(dòng)態(tài)摩擦力。血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)通過釋放血管舒張因子和收縮因子來調(diào)節(jié)局部血管張力，它對(duì)于震蕩的剪切力較為敏感，與直接的機(jī)械壓力相比，這種震蕩的剪切力通過刺激各種內(nèi)皮細(xì)胞的功能而產(chǎn)生很強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)．增加的WSS可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞分泌一氧化氮．一氧化氮是一種(yīzhǒnɡ)強(qiáng)的血管擴(kuò)張因子，也是一種(yīzhǒnɡ)血管壁退化的潛在因子．因此局部WSS的增加會(huì)導(dǎo)致局部血管壁的擴(kuò)張和退化口，進(jìn)而形成動(dòng)脈瘤或者導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。共三十二頁(yè)壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤的發(fā)生(fāshēng)多認(rèn)為高WSS是動(dòng)脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方(dìfāng)更容易受損，往往成為動(dòng)脈瘤新的生長(zhǎng)點(diǎn)。TanoueT,TateshimaS,VillablancaJP,etal.Wallshearstressdistributioninsidegrowingcerebralaneurysm.AJNRAmJNeuroradiol,2011,32:1732-1737.共三十二頁(yè)壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤的發(fā)生(fāshēng)血流的剪切力對(duì)動(dòng)脈瘤的發(fā)生發(fā)展具有直接的作用，該剪切力會(huì)隨心動(dòng)周期的改變而改變。血流動(dòng)力學(xué)所產(chǎn)生的剪切力、搏動(dòng)力和壓力引起腦動(dòng)脈分叉處頂端內(nèi)彈力層損害和中層缺損擴(kuò)大，血流速度越快所在部位剪切力越大，剪切力增大到一定(yīdìng)程度即可造成動(dòng)脈壁損傷，動(dòng)脈血管壁受到血流的連續(xù)沖擊后發(fā)生局部膨出，逐漸形成大小不同的動(dòng)脈瘤*。多認(rèn)為高WSS是動(dòng)脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動(dòng)脈瘤新的生長(zhǎng)點(diǎn)*。MengH,TutinoVM,XiangJ,etal.HighWSSorLowWSS?ComplexInteractionsofHemodynamicswithIntracranialAneurysmInitiation,Growth,andRupture:TowardaUnifyingHypothesis.AJNRAmJNeuroradiol,2013.TanoueT,TateshimaS,VillablancaJP,etal.Wallshearstressdistributioninsidegrowingcerebralaneurysm.AJNRAmJNeuroradiol,2011,32:1732-1737.共三十二頁(yè)壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤破裂(pòl(fā)iè)目前，大多數(shù)對(duì)于未破裂和破裂動(dòng)脈瘤的研究發(fā)現(xiàn)，破裂動(dòng)脈瘤平均瘤體WSS低于未破裂動(dòng)脈瘤，因而推測(cè)低WSS促進(jìn)動(dòng)脈瘤的破裂*。國(guó)內(nèi)黃清海*等研究發(fā)現(xiàn)，處于即將破裂狀態(tài)的動(dòng)脈瘤平均瘤體WSS比破裂組動(dòng)脈瘤更低，正是這種低WSS的存在可能導(dǎo)致了動(dòng)脈瘤的破裂，而動(dòng)脈瘤破裂后，動(dòng)脈瘤形態(tài)改變，產(chǎn)生了對(duì)瘤體WSS的影響，導(dǎo)致WSS數(shù)值較破裂前狀態(tài)升高。*GoubergritsL,SchallJ,KertzscherU,etal.Statisticalwallshearstressmapsofrupturedandunrupturedmiddlecerebralarteryaneurysms[J].JRSocInterface,2012,9:677-688.*JouLD,LeeDH,MorsiH,etal.Wallshearstressonrupturedandunrupturedintracranialaneurysmsattheinternalcarotidartery[J].AJNRAmJNeuroradiol,2008,29:1761-1767.*黃清海，劉建民，等。破裂前期后交通動(dòng)脈(dòngmài)動(dòng)脈(dòngmài)瘤的形態(tài)學(xué)及血流動(dòng)力學(xué)分析[J].中華神經(jīng)外科雜志2014,30,4:364-367.共三十二頁(yè)壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤破裂(pòl(fā)iè)國(guó)外研究*表明，動(dòng)脈瘤破裂出血?jiǎng)t與低WSS有關(guān)，動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)后由于瘤頂部位的剪切應(yīng)力不足，直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)形變，瘤壁的內(nèi)皮細(xì)胞間隙逐漸加大，導(dǎo)致血液中的有害物質(zhì)不斷侵入，影響內(nèi)皮細(xì)胞的更新，最終(zuìzhōnɡ)使內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能喪失，瘤壁發(fā)生退行性變并且薄弱，從而導(dǎo)致動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)增加*。JeongW,RheeK.Hemodynamicsofcerebralaneurysms:computationalanalysesofaneurysmprogressandtreatment.ComputMathMethodsMed,2012,2012:782801.Fr?senJ,TulamoR,PaetauA,etal.Saccularintracranialaneurysm:pathologyandmechanisms.ActaNeuropathologica,2012,123:773-786.共三十二頁(yè)壁剪切力與動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)(fùfā)術(shù)后若動(dòng)脈瘤殘頸處壁面剪切力普遍(pǔbiàn)減小，能夠降低動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。而如果術(shù)后動(dòng)脈瘤殘頸處壁面切應(yīng)力出現(xiàn)局部明顯升高，則增大了動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)脈瘤易復(fù)發(fā)*。*UtterB,RossmannJS.Numericalsimulationofsaccularaneurysmhemodynamics:influenceofmorphologyonruturerisk.JBiomech.2007;40(12):2716-2722.

*于紅，楊新健,等.基于影像數(shù)據(jù)的三維顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)數(shù)值：手術(shù)前后壁面切模擬對(duì)比[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2010,14,39:7327-7330.共三十二頁(yè)壁剪切力與動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)(fùfā)吳永發(fā)，黃清海*等也在研究中發(fā)現(xiàn)栓塞(shuānsè)后在殘留瘤頸部位的血流方式改變、WSS和血流速度在治愈和復(fù)發(fā)組間存在顯著差異。在復(fù)發(fā)組，瘤頸部位具有高壁面切應(yīng)力區(qū)域