血流動力學是頸內動脈瘤術后復發的一個重要因素。為探討頸內動脈瘤術后血流動力學因素對動脈瘤復發的影響,應用三維重建技術建立頸內動脈瘤術前術后的三維模型,通過有限元方法測定頸內動脈瘤手術前后的血流動力學參數。結果表明:頸內動脈瘤模型準確,形態逼真;復發病例術后壓力明顯降低,動脈瘤殘頸處剪切應力明顯增大,血流速度明顯增大,增加了動脈瘤復發的風險。血流動力學分析為臨床上動脈瘤治療方案的制定和預防術后復發提供參考依據。
引用本文： 任國榮, 曹梟強, 王冬青, 姜平, 李玉生, 裴冰. 基于CT的三維頸內動脈瘤血流動力學:手術前后模擬對比. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(2): 341-346. doi: 10.7507/1001-5515.20140064 復制
引言
頸內動脈瘤是由于動脈血管壁病理性局限性擴張產生的腦血管瘤樣突起[1]。對頸內動脈瘤患者來說 它的主要危險就是破裂造成蛛網膜下腔出血，在頸內動脈瘤破裂之前治療將是最有效可行的方法，但是手術后仍可能復發[2]。有關動脈瘤的形成、生長、破裂和保持穩定的機制尚未清楚，血流動力學因素被認為是在顱內動脈瘤形成、生長、破裂過程中的一個重要因素[3-10]。為此，本實驗基于無損的成像方式，結合三維重建和模型優化技術建立可用的實體模型，通過ANSYS建立個體化的頸內動脈瘤術前術后三維有限元模型，用計算流體力學的方法得到復發患者手術前后的血流動力學參數，為血流動力學研究提供可靠的技術，為臨床上制定動脈瘤治療方案和預防術后復發提供參考依據。
1 材料和方法
1.1 材料
選取江蘇大學附屬醫院影像科工作站中一名術后一年復發頸內動脈瘤患者的影像數據，女性，56歲，經診斷該患者為頸內動脈瘤。患者對實驗項目均知情同意，符合相關倫理學標準[11]。
1.2 CT數據的采集
應用GE lightspeed 64多排螺旋CT掃描，前臂肘靜脈注射造影劑，注射速度為3.0 mL/s，總量為90 mL。獲得層厚為0.625 mm的斷層圖像94幅，在圖像工作站上做去骨處理后以DICOM 3.0標準分別存入該患者術前術后的影像資料。去骨是為了在模型重建中去除骨頭的影響。
1.3 三維表面模型建立
1.3.1 電腦配置
Pentium R CPU(雙核)2.1 GHz,2.00 GB內存，19寸液晶顯示器，128M顯存，Windows XP/Professional 操作系統；Mimics 10.0數字醫學計算機軟件(materialise公司，比利時)。
1.3.2 動脈瘤CT圖像的處理和三維表面模型的建立
將去骨的DICOM格式的CT原始圖像導入Mimics軟件，采用閾值分割和區域生長的方法獲得腦動脈的大體模型，然后采用蒙板編輯去除不需要的血管，調用Mimics中的FEA模塊中的Remesh模塊獲得腦血管瘤的面網格模型，如圖 1所示。由于CT掃描的噪聲會造成模型表面的坑坎不平，需用Smooth命令光順表面。最后以STL格式輸出三維表面重建模型，如圖 2所示。
圖1
術前(左)術后(右)面網格模型
Figure1.
Surface meshing model before (left) and after (right) treatment
圖2
術前(左)術后(右)三維表面重建結果
Figure2.
3D surface reconstruction before (left) and after (right) treatment
1.4 三維有限元模型
在有限元軟件ANSYS ICEM CFD(美國)中打開STL格式的頸內動脈瘤文件,生成實體模型。由于血管的進口出口不和血管的中心軸在一個平面上，利用ANSYS ICEM CFD的建模功能對導入的模型進行修改，創建血管的進口和出口[11]。對模型賦予材料屬性后進行網格的劃分，生成腦動脈瘤四面體有限元網格,如圖 3所示。然后導入計算流體力學軟件ANSYS CFX(美國)進行計算。
圖3
術前(左)術后(右)的三維有限元模型
Figure3.
3D finite element model before (left) and after (right) treatment
2 計算與結果
2.1 計算
計算中將血液視為不可壓縮的黏性流體，其密度為1 060 kg/m3，黏度為0.004 Pa·s，忽略頸內動脈瘤血管壁的彈性和厚度，假設血管壁為剛性固壁，動脈瘤雷諾數為100~500，血流為層流，滿足無滑移條件，在入口設置恒定速度邊界為0.5 m/s，兩出口設置恒定壓力邊界為0 Pa[12-18]。設置完畢后，輸出求解，求解結果生成.res文件進行結果輸出。依據輸出可以得到復發患者術前術后的血液動力學參數。
2.2 結果
2.2.1 術前術后動脈瘤壁面壓力變化
圖 4是動脈瘤壁面壓力云圖，從圖中可以看出動脈瘤壁面壓力與載瘤血管內無明顯不同，顏色越接近紅色代表壓力越大，顏色越近藍色則壓力越小，而從術前術后壓力分布云圖 4上，我們發現載瘤動脈上壓力并未發生明顯的改變，而殘頸處壁面壓力發生明顯的改變，術后殘頸處壓力較動脈瘤頸處明顯降低，而且隨血流方向而遞減，在血管彎曲處和分叉處由于血流的沖擊壓力較大。
圖4
術前(左)術后(右)患者壁面壓力分布
Figure4.
Stress distribution of patient before (left) and after (right) treatment
2.2.2 術前術后動脈瘤壁面剪切應力變化
圖 5是動脈瘤壁面剪切應力云圖，從圖中可以看出術前動脈瘤頸處的剪切應力為2 Pa，而術后殘留頸處出的壁面剪切應力為45.37 Pa，可以看出術后動脈瘤殘頸處的壁面剪切應力出現局部增大的情況。有研究顯示正常健康血管壁面有高的剪切應力。但是術后殘頸處有相當高的剪切應力就會有再次形成動脈瘤的危險，這也可能是本例患者復發動脈瘤的主要原因。這也與高剪切應力是導致動脈瘤生長的主要原因的觀點相吻合[19]。
圖5
術前(左)術后(右)患者的壁面剪切應力分布
Figure5.
Wall shear stress distribution of patient before (left) and after (right) treatment
2.2.3 術前術后動脈瘤血流速度流線變化
圖 6是動脈瘤血流速度流線圖，從圖中可以直觀的觀察血流運動的軌跡，觀察血流分布的特點，以及形成渦流的情況[20]。術前動脈瘤內形成巨大的渦流，瘤內速度較低，再結合術前壁面剪切應力分布圖 5(左)，瘤頸部剪切應力最高，瘤頂部最低，顯示在血流速度越快的地方壁面剪切應力越高。從血流速度流線云圖 6(右)上看到術后動脈瘤殘頸處的速度明顯增大，再結合剪切應力分布云圖 5(右)，殘頸處的剪切應力也較大。這也和許多文獻報道的一致，動脈瘤的血流速度和壁面剪切應力成正相關[21]。
圖6
術前(左)術后(右)患者血流速度流線分布圖
Figure6.
Blood velocity distribution of patient before (left) and after (right) treatment
3 討論
頸內動脈瘤是動脈的一種病理性擴張，通常發生在顱底的大腦動脈環[22]。動脈瘤破裂導致蛛網膜下腔出血，有潛在的神經系統并發癥[23]。因此應用計算流體力學技術掌握動脈瘤的血液動力學特性對防止動脈瘤術后復發具有重要的指導意義。在頸內動脈瘤的血流動力學仿真中，模型的建立是至關重要的一步，模型建立的成功與否直接關系到后來計算流體力學分析的準確與否，模型重建的一個重要原則就是重建好的模型應該盡可能的接近真實的實體模型。同時為了后面的分析要做一定的處理，本文的模型是基于醫學計算機軟件Mimics建立的,醫學影像數據導入Mimics軟件之前先在影像工作站上進行去骨處理，目的是為了去除骨骼在血管瘤重建中的干擾作用。本研究所建模型和血管造影圖形逼真，Mimics軟件可以輸出用于有限元分析的文件格式STL，非常方便后面計算流體力學的分析。
實驗基于影像數據，應用數字醫學計算機軟件及有限元軟件實現了頸內動脈瘤基于解剖真實的三維血流動力學建模，對動脈瘤復發患者術前術后的動脈瘤模型進行血液動力學分析，研究了血液動力學的變化與動脈瘤術后復發的關系。
從實驗的結果可以看出，術后動脈瘤殘頸處壁面壓力發生明顯降低，目前文獻[24]報道局部壓力的改變對動脈瘤發生、生長無影響。本研究中術后壁面的剪切應力和速度均顯著增加，高剪切應力是導致動脈瘤產生的原因[25]，這也驗證了該患者術后動脈瘤的復發。如果術后動脈瘤殘頸處壁面切應力和速度普遍減小，能夠降低動脈瘤復發的風險。而如果術后動脈瘤殘頸處壁面切應力和速度出現局部明顯增大，則增加了動脈瘤復發的風險。
由于臨床上動脈瘤術后復發較為少見，實驗基于一例進行了個體化頸內動脈瘤計算流體力學分析，未來希望獲得更多的復發病例，從而得到更加全面準確的結果。進行頸內動脈瘤計算流體力學分析時需要了解人體的實際生理學，但由于血液的非牛頓特性，本構方程的復雜性，目前的研究都做了不同程度的簡化假設，本文把血管壁和動脈瘤壁作為剛性壁，把血液看作牛頓流體做的仿真研究[26]。今后的研究我們可以將臨床超聲多普勒技術在體測量的血液動力學參數同流體力學技術測量參數進行對比分析。
引言
頸內動脈瘤是由于動脈血管壁病理性局限性擴張產生的腦血管瘤樣突起[1]。對頸內動脈瘤患者來說 它的主要危險就是破裂造成蛛網膜下腔出血，在頸內動脈瘤破裂之前治療將是最有效可行的方法，但是手術后仍可能復發[2]。有關動脈瘤的形成、生長、破裂和保持穩定的機制尚未清楚，血流動力學因素被認為是在顱內動脈瘤形成、生長、破裂過程中的一個重要因素[3-10]。為此，本實驗基于無損的成像方式，結合三維重建和模型優化技術建立可用的實體模型，通過ANSYS建立個體化的頸內動脈瘤術前術后三維有限元模型，用計算流體力學的方法得到復發患者手術前后的血流動力學參數，為血流動力學研究提供可靠的技術，為臨床上制定動脈瘤治療方案和預防術后復發提供參考依據。
1 材料和方法
1.1 材料
選取江蘇大學附屬醫院影像科工作站中一名術后一年復發頸內動脈瘤患者的影像數據，女性，56歲，經診斷該患者為頸內動脈瘤。患者對實驗項目均知情同意，符合相關倫理學標準[11]。
1.2 CT數據的采集
應用GE lightspeed 64多排螺旋CT掃描，前臂肘靜脈注射造影劑，注射速度為3.0 mL/s，總量為90 mL。獲得層厚為0.625 mm的斷層圖像94幅，在圖像工作站上做去骨處理后以DICOM 3.0標準分別存入該患者術前術后的影像資料。去骨是為了在模型重建中去除骨頭的影響。
1.3 三維表面模型建立
1.3.1 電腦配置
Pentium R CPU(雙核)2.1 GHz,2.00 GB內存，19寸液晶顯示器，128M顯存，Windows XP/Professional 操作系統；Mimics 10.0數字醫學計算機軟件(materialise公司，比利時)。
1.3.2 動脈瘤CT圖像的處理和三維表面模型的建立
將去骨的DICOM格式的CT原始圖像導入Mimics軟件，采用閾值分割和區域生長的方法獲得腦動脈的大體模型，然后采用蒙板編輯去除不需要的血管，調用Mimics中的FEA模塊中的Remesh模塊獲得腦血管瘤的面網格模型，如圖 1所示。由于CT掃描的噪聲會造成模型表面的坑坎不平，需用Smooth命令光順表面。最后以STL格式輸出三維表面重建模型，如圖 2所示。
圖1
術前(左)術后(右)面網格模型
Figure1.
Surface meshing model before (left) and after (right) treatment
圖2
術前(左)術后(右)三維表面重建結果
Figure2.
3D surface reconstruction before (left) and after (right) treatment
1.4 三維有限元模型
在有限元軟件ANSYS ICEM CFD(美國)中打開STL格式的頸內動脈瘤文件,生成實體模型。由于血管的進口出口不和血管的中心軸在一個平面上，利用ANSYS ICEM CFD的建模功能對導入的模型進行修改，創建血管的進口和出口[11]。對模型賦予材料屬性后進行網格的劃分，生成腦動脈瘤四面體有限元網格,如圖 3所示。然后導入計算流體力學軟件ANSYS CFX(美國)進行計算。
圖3
術前(左)術后(右)的三維有限元模型
Figure3.
3D finite element model before (left) and after (right) treatment
2 計算與結果
2.1 計算
計算中將血液視為不可壓縮的黏性流體，其密度為1 060 kg/m3，黏度為0.004 Pa·s，忽略頸內動脈瘤血管壁的彈性和厚度，假設血管壁為剛性固壁，動脈瘤雷諾數為100~500，血流為層流，滿足無滑移條件，在入口設置恒定速度邊界為0.5 m/s，兩出口設置恒定壓力邊界為0 Pa[12-18]。設置完畢后，輸出求解，求解結果生成.res文件進行結果輸出。依據輸出可以得到復發患者術前術后的血液動力學參數。
2.2 結果
2.2.1 術前術后動脈瘤壁面壓力變化
圖 4是動脈瘤壁面壓力云圖，從圖中可以看出動脈瘤壁面壓力與載瘤血管內無明顯不同，顏色越接近紅色代表壓力越大，顏色越近藍色則壓力越小，而從術前術后壓力分布云圖 4上，我們發現載瘤動脈上壓力并未發生明顯的改變，而殘頸處壁面壓力發生明顯的改變，術后殘頸處壓力較動脈瘤頸處明顯降低，而且隨血流方向而遞減，在血管彎曲處和分叉處由于血流的沖擊壓力較大。
圖4
術前(左)術后(右)患者壁面壓力分布
Figure4.
Stress distribution of patient before (left) and after (right) treatment
2.2.2 術前術后動脈瘤壁面剪切應力變化
圖 5是動脈瘤壁面剪切應力云圖，從圖中可以看出術前動脈瘤頸處的剪切應力為2 Pa，而術后殘留頸處出的壁面剪切應力為45.37 Pa，可以看出術后動脈瘤殘頸處的壁面剪切應力出現局部增大的情況。有研究顯示正常健康血管壁面有高的剪切應力。但是術后殘頸處有相當高的剪切應力就會有再次形成動脈瘤的危險，這也可能是本例患者復發動脈瘤的主要原因。這也與高剪切應力是導致動脈瘤生長的主要原因的觀點相吻合[19]。
圖5
術前(左)術后(右)患者的壁面剪切應力分布
Figure5.
Wall shear stress distribution of patient before (left) and after (right) treatment
2.2.3 術前術后動脈瘤血流速度流線變化
圖 6是動脈瘤血流速度流線圖，從圖中可以直觀的觀察血流運動的軌跡，觀察血流分布的特點，以及形成渦流的情況[20]。術前動脈瘤內形成巨大的渦流，瘤內速度較低，再結合術前壁面剪切應力分布圖 5(左)，瘤頸部剪切應力最高，瘤頂部最低，顯示在血流速度越快的地方壁面剪切應力越高。從血流速度流線云圖 6(右)上看到術后動脈瘤殘頸處的速度明顯增大，再結合剪切應力分布云圖 5(右)，殘頸處的剪切應力也較大。這也和許多文獻報道的一致，動脈瘤的血流速度和壁面剪切應力成正相關[21]。
圖6
術前(左)術后(右)患者血流速度流線分布圖
Figure6.
Blood velocity distribution of patient before (left) and after (right) treatment
3 討論
頸內動脈瘤是動脈的一種病理性擴張，通常發生在顱底的大腦動脈環[22]。動脈瘤破裂導致蛛網膜下腔出血，有潛在的神經系統并發癥[23]。因此應用計算流體力學技術掌握動脈瘤的血液動力學特性對防止動脈瘤術后復發具有重要的指導意義。在頸內動脈瘤的血流動力學仿真中，模型的建立是至關重要的一步，模型建立的成功與否直接關系到后來計算流體力學分析的準確與否，模型重建的一個重要原則就是重建好的模型應該盡可能的接近真實的實體模型。同時為了后面的分析要做一定的處理，本文的模型是基于醫學計算機軟件Mimics建立的,醫學影像數據導入Mimics軟件之前先在影像工作站上進行去骨處理，目的是為了去除骨骼在血管瘤重建中的干擾作用。本研究所建模型和血管造影圖形逼真，Mimics軟件可以輸出用于有限元分析的文件格式STL，非常方便后面計算流體力學的分析。
實驗基于影像數據，應用數字醫學計算機軟件及有限元軟件實現了頸內動脈瘤基于解剖真實的三維血流動力學建模，對動脈瘤復發患者術前術后的動脈瘤模型進行血液動力學分析，研究了血液動力學的變化與動脈瘤術后復發的關系。
從實驗的結果可以看出，術后動脈瘤殘頸處壁面壓力發生明顯降低，目前文獻[24]報道局部壓力的改變對動脈瘤發生、生長無影響。本研究中術后壁面的剪切應力和速度均顯著增加，高剪切應力是導致動脈瘤產生的原因[25]，這也驗證了該患者術后動脈瘤的復發。如果術后動脈瘤殘頸處壁面切應力和速度普遍減小，能夠降低動脈瘤復發的風險。而如果術后動脈瘤殘頸處壁面切應力和速度出現局部明顯增大，則增加了動脈瘤復發的風險。
由于臨床上動脈瘤術后復發較為少見，實驗基于一例進行了個體化頸內動脈瘤計算流體力學分析，未來希望獲得更多的復發病例，從而得到更加全面準確的結果。進行頸內動脈瘤計算流體力學分析時需要了解人體的實際生理學，但由于血液的非牛頓特性，本構方程的復雜性，目前的研究都做了不同程度的簡化假設，本文把血管壁和動脈瘤壁作為剛性壁，把血液看作牛頓流體做的仿真研究[26]。今后的研究我們可以將臨床超聲多普勒技術在體測量的血液動力學參數同流體力學技術測量參數進行對比分析。
