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

牡丹江 157011；3. 解放軍209醫(yī)院內(nèi)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(nèi)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(fā)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(fā)生、發(fā)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(shù)據(jù)，建立有限元分析模型，對動脈瘤部位的血流動力學參數(shù)進行數(shù)值分析。該研究成果彌補了醫(yī)學影像診斷的不足，為動顱腦脈瘤內(nèi)部的血流狀態(tài)，動脈瘤的血流動力學特征的研究，為動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂的因果關(guān)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(jié)構(gòu)，分析其血液動力學狀態(tài)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(yī)學院第一附屬醫(yī)院一例成人患者右側(cè)頸內(nèi)動脈后交通動脈動脈瘤的 CTA影像數(shù)據(jù)為研究對象。男性患者，57歲，患者主訴頭部持續(xù)疼痛，臨床表現(xiàn)為“行走不穩(wěn) 6月余”，術(shù)前 CTA檢查成像發(fā)現(xiàn)左側(cè)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(shù)據(jù)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(nèi)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(gòu)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(shù)據(jù)導入，獲得顱部圖像，對圖像采用閾值分割、區(qū)域增長、動態(tài)區(qū)域增長及手動分割相結(jié)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(yōu)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(diào)整，最后構(gòu)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(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)化四面體。為確保計算精度和網(wǎng)格質(zhì)量，對模型邊界層采用五層加密網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 顱腦動脈瘤網(wǎng)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(shù)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(zhì)量守恒和動量守恒定律，連續(xù)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(nèi)流場壓力，τ為應力張量。采用瞬態(tài)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(jié)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(jié)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(guān)系，高剪切力區(qū)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(qū)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(shù)是隨著時間的變化而變化的[7]。血流速度分析結(jié)果顯示，血流在一個脈動周期內(nèi)，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(nèi)形成多個渦流。在血流舒張期（0.3 s），血流速度減慢，瘤體內(nèi)渦流混亂復雜，血流充滿整個瘤體區(qū)域。在舒張期（0.5 s），血流速度減慢，瘤體內(nèi)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(nèi)血液的速度與時間關(guān)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(qū)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(nèi)的壓力隨時間變化曲線，載瘤動脈內(nèi)所選三點的壓力波形基本相似且與速度波形有相關(guān)性。

4 結(jié)論

圖7 血液在動脈瘤內(nèi)的速度與時間關(guān)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(shù)據(jù)，通過Mimics，3-matic，Geomagic Fluent 等軟件實施 3D重建及有限元分析，構(gòu)建顱內(nèi)動脈瘤的 3D模型，通過對動脈瘤血液流體力學參數(shù)的數(shù)值計算，并對結(jié)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(chuàng)、活體對顱腦動脈瘤內(nèi)壁進行精確研究，觀察顱腦動脈瘤形態(tài)，有效評價顱腦動脈瘤的結(jié)構(gòu)特征。該研究成果彌補了醫(yī)學影像診斷的不足，為動顱腦脈瘤內(nèi)部的血流狀態(tài)，動脈瘤的血流動力學特征的研究，為動脈瘤的發(fā)生、發(fā)展和破裂的因果關(guān)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(jié)構(gòu)，分析其血液動力學狀態(tài)有一定的臨床應用價值[13-15]，同時也可為模擬仿真手術(shù)提供指導，也為醫(yī)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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