基于影像数据的颅内动脉瘤血流动力学的三维数值模拟的研究进展

1颅内动脉瘤血流动力学的研究背景 颅内动脉瘤的发生、发展和破裂与很多因素有关。近年来研究认为，血流动力学在动脉瘤的病理形成和瘤内血栓生成方面起重要作用，虽然在基础实验和临床上都进行了相关的研究，尤其是体外实验已经进行了详细的血流动力学各项参数的模拟．但是这些研究多是基于理想化的动脉瘤模型或者实验动物动脉瘤模型．对于具体的临床病人价值不高．因此针对临床病人颅内动脉瘤进行的血流动力学个体化研究更有意义。     

颅内动脉瘤三维计算机血流动力学数值模拟与术中对照分析

目的 利用三维计算机血流动力学数值模拟技术,数字化地显示动脉瘤及其载瘤动脉的血流速度、轨迹、剪切力等多项参数,结合显微动脉瘤夹闭术中对动脉瘤壁的观察,对动脉瘤破口位置的观察进行对比分析,探讨动脉瘤破口的血流动力学特征和动脉瘤破裂的机制.方法 选取资料完整的动脉瘤患者14例,在三维CTA图像基础上,利用本课题组自写程序及美国Ansys公司的ICEM,美国Fluent公司的Fluent 6.02等,对动脉瘤进行三维计算机血流动力学数值模拟,得出动脉瘤剪切力分布特点,结合动脉瘤夹闭术中所见进行对比分析.结果 根据分析结果我们将患者分为两组.A组:破裂口位于动脉瘤侧壁(10例),模拟结果显示动脉瘤中有涡流产生,破裂口处剪切力在8.5959～10.8419 pascal之间,平均剪切力为9.0704 pascal.B组:破裂口位于动脉瘤底部(4例),模拟结果显示动脉瘤内均无典型涡流,破口处剪切力在0.6983～0.9744 pascal,平均剪切力为0.8364pascal.从A、B两组动脉瘤特点可知,破裂口位于侧壁的动脉瘤内有涡流存在,破口处剪切力较大;破裂口位于底部的动脉瘤内无典型涡流,破裂口处剪切力较小.结论 强剪切力和弱剪切力均与动脉瘤的破裂有关,有助于解释动脉瘤破裂的机制.

Abstract：

Objective With the cranial aneurysm's 3D - computational hemodynamics numerical simulation, we can get the cranial aneurysms and its's mother arteries' blood flow rate, path and wall shearing stress and so on. Taking use of the contrast analysis of the hemodynamics result and the findings in operation,we can try to find the hemodynamic character and the mechanism of the rupture on the aneurysm.Method We choose 14 aneurysm patients with complete clinical data. With the 3D - CTA image, we take use of self - program, American Ansys - ICEM and Fluent6. 02 softwares to simulate blood flow in the aneurysm. Finally we got the wall shearing stress distribution on the aneurysm, and contrastedly analyzed the results and the findings in operation. Result According to the analysis result, we can divide the patients into two groups. Group A:the rapture locates on the side wall of the aneurysm( 10 cases). The simulation results show there is turbulent flow in this kind of aneurysm. The wall shearing stress of the rupture is between 8. 5959 ～ 10. 8419 pascal,and the average is 9. 0704 pascal. Group B:The rupture locates on the tip of the aneurysm (4 cases ). The simulation results show there is no turbulent flow in this kind of aneurysm. The wall shearing stress of the rupture is between 0. 6983 ～ 0. 9744 pascal, and the average is 0. 8364 pascal. According to the character of group A and B,there is turbulent flow in the aneurysm with the rupture on the side wall ,and the wall shearing stress of the rupture is larger. There is no turbulent flow in the aneurysm with the rupture on the tip,and the wall shearing stress of the rupture is smaller. Conclusions If the wall shearing stress is too high or too low,it will cause the rupture of the aneurysm. The deduction helps to explain the mechanism of the aneurysm's rupture.     

支架置入对颅内动脉分叉部动脉瘤血流动力学的影响

目的 探讨支架置入对颅内动脉分叉部动脉瘤血流动力学的影响.方法 设计颅内分叉部动脉瘤的聚酯玻璃及计算机三维数值模型,通过体外循环技术和计算流体力学技术两种方法来比较支架置入前后动脉瘤的血流动力学变化.结果 体外循环模拟实验的结果 与计算流体力学数值模拟的结果 具有较好的一致性.支架置入弱化了瘤颈处的涡流运动并减轻了血液对瘤体侧壁的冲击.支架置入后,动脉瘤瘤颈处平均剪切力降低22.3%,瘤顶处平均剪切力增高44.9%,但瘤顶处剪切力仍低于瘤颈处.结论 支架置入带来的动脉瘤瘤内血流动力学参数的改变,可能有利于瘤内的血栓形成和减少治疗后的复发.     

镜像破裂与未破裂后交通动脉瘤血流动力学的数值模拟分析

目的 探讨镜像破裂与未破裂动脉瘤的血流动力学特征差异.方法 1例镜像破裂与未破裂后交通动脉瘤的三维血管造影资料,采用数学建模的方法,利用流体力学软件分析两者的血流动力学参数及流场特征.结果 双侧动脉瘤的血流方式一致,但破裂动脉瘤射入流更宽且冲击域分布不一致;最大流速高于未破裂动脉瘤;破裂动脉瘤壁面切应力(wall shear stress,WSS)分布不均,低WSS区域较大.结论 血流动力学在镜像的破裂与未破裂动脉瘤中存在差异,高流速与低壁面切应力可能与动脉瘤破裂出血相关.     

颅内破裂动脉瘤的血流动力学特征:基于流固耦合技术的计算流体力学模拟分析

目的 探讨颅内破裂动脉瘤破裂点和瘤囊处血流动力学特征。方法 选择2018年1月至2019年6月收治的颅内破裂动脉瘤21例,根据术前CTA、DSA数据三维重建动脉瘤模型,采用ANSYS软件计算动脉瘤破裂点和瘤囊处血流动力相关参数[壁剪切应力（WSS）、切应力震荡指数（OSI）]。结果 动脉瘤破裂点WSS[（0.215±0.047）Pa]明显低于瘤囊WSS[（0.464±0.148）Pa;P<0.001]。动脉瘤破裂点OSI[（0.035±0.024）]与瘤囊OSI[（0.030±0.016）]无统计学差异（P>0.05）。在一个心动周期中,随着血流动力学的变化,动脉瘤形态出现规律的变化,载瘤动脉及动脉瘤的形态变化存在明显差异,即动脉瘤两侧壁的形态变化相对较小,动脉瘤破裂点处形态变化明显。结论 颅内动脉瘤破裂点较动脉瘤囊WSS更低而形态变化更大,颅内动脉瘤破裂与WSS呈负相关,而与形态变化呈正相关。     

颅内动脉瘤壁面压力分布的数值模拟研究

目的探讨颅内动脉瘤壁面压力的强度和分布,分析壁面压力对动脉瘤发生及生长的影响。方法结合数字减影血管造影（DSA）,采用计算流体力学（CFD）软件,对20例动脉瘤行血流动力学数值模拟分析,包括分叉管顶瘤8例,侧壁瘤12例。分别记录瘤顶、瘤颈和临近载瘤动脉区域的平均压力值,并分析动脉瘤流场情况。结果20例动脉瘤瘤顶处壁面压力平均为（620．64±446．09）Pa,瘤颈处为（618．89±431．09）Pa,载瘤动脉处为（633．81±448．59）Pa,3个区域压力差异无统计学意义。分叉管顶瘤（411．23±126．28）Pa（766．59±515．46）Pa与侧壁瘤相比,平均壁面压力差异有统计学意义（P〈0．05）。结论动脉瘤内壁面压力与载瘤血管内无明显不同,推测局部压力的改变对动脉瘤发生、生长无影响,由于流场模式的差异导致侧壁瘤与分叉管顶瘤的平均壁面压力显著不同。     

基于血流动力学的颅内动脉瘤血管内治疗新理念

神经介入影像技术的发展和血管内栓塞治疗材料的日益更新,使得颅内动脉瘤的血管内治疗更为广泛开展。特别是国际蛛网膜下腔出血性动脉瘤研究（ISAT研究）和Barrow研究结果的公布,促使血管内治疗成为颅内动脉瘤最为重要的治疗方法[1,2]。     

颅内动脉瘤的血流动力学治疗相关问题及策略

对于颅内动脉瘤形成和生长的血流动力学研究表明,闭塞/阻断载瘤动脉、改变血流进入动脉瘤的流入道,能降低动脉瘤的血流动力学损伤,减少动脉瘤生长和破裂,达到治疗目的。临床治疗显示了这一方法的有效性,但也会由于血流动力学改变引起出血、缺血和新生动脉瘤生长及扩大等并发症带来一些新的问题。本文提出了采用血管内带膜支架、颅内、外动脉旁路术和缺血预处理等相应治疗措施,认为对于颅内动脉瘤进行血流动力学治疗要十分慎重,以正确的治疗策略来应对。     

血流导向装置在颅内动脉瘤治疗中应用的血流动力学研究进展

血流导向装置（flow diverter,FD）是近年来产生的血管内治疗颅内复杂动脉瘤的新材料。FD设计是通过改建血流的方式将动脉瘤排除在循环系统之外从而重建载瘤动脉,因此FD为复杂动脉瘤的治疗提供了新的思路和手段。临床报道该治疗方式的动脉瘤完全栓塞率可达90%以上。目前FD应用逐渐广泛,本文从血流动力学角度出发针对FD的血流导向能力,以及颅内动脉瘤经FD治疗后影响预后的因素进行了总结。     

三维数值模拟颅内分叉部动脉瘤及血流动力学分析****☆

背景：已知血流动力学因素在动脉瘤的发生、发展和破裂中起重要作用。 目的：以三维计算机数值模拟观察颅内分叉部动脉瘤的血流动力学特性。 设计、时间及地点：三维数值模拟试验，于2008-07在北京神经外科研究所血管内治疗实验室进行。 对象：选择2008-04/07首都医科大学附属北京天坛医院神经介入科住院患者2例。病例1，女，37岁，血管造影示左侧前交通动脉瘤（共面的分叉部动脉瘤），右侧大脑前动脉A1段不显影。病例2，女，61岁，血管造影示基底动脉顶端动脉瘤（不共面的分叉部动脉瘤）。 方法：利用临床三维血管造影图像建立动脉瘤数值模型，并在GE公司的专用工作站进行三维重建。调整重建后的血管图像，并对其进行重新切片。然后运行Matlab 7.0软件及自写程序，逐渐生成动脉瘤的STL文件。导入网格生成软件，生成动脉瘤的三维网格。定义边界条件及提取血压波后，应用Fluent软件进行动脉瘤数值模拟。 主要观察指标：动脉瘤流入道、流出道、瘤顶部的血流速度、动压及壁面切应力。 结果：两个分叉部动脉瘤流入道的血流速度、动压及壁面切应力均最高，瘤顶部最低，与流出道相比较差异有显著性意义 （P < 0.05）；但共面的分叉部动脉瘤瘤顶部的动压较高，平均动压为(62.385 3±35.076 5) Pa；不共面的分叉部动脉瘤瘤顶部壁面切应力较低，平均壁面切应力为(0.220 7±0.071 6) Pa。 结论：瘤内动压在共面的分叉部动脉瘤破裂因素中起主要作用，而壁面切应力不足是不共面分叉部动脉瘤破裂的主要原因。     

颅内动脉瘤的三维数值模拟分析

目的应用计算流体力学软件结合有限元法对颅内动脉瘤进行三维数值模拟,分析动脉瘤的血液动力学特性。方法利用临床三维血管造影图像建立动脉瘤数值模型,用Matlab7.0软件及Ansys软件提取动脉瘤的立体轮廓并进行三维网格划分,然后应用Fluent6.02软件进行动脉瘤数值模拟及血流动力学分析。结果本例研究对象显示动脉瘤流入道的血流速度、动压及壁面切应力最高,流出道次之,顶部最低。结论①根据病人的解剖结构所构建的动脉瘤模型的三维数值模拟,把压力入口及脉搏波动应用其中,对血流动力学数据分析更先进、更接近临床实际。②动脉瘤顶部的血流流速、瘤内压力、壁面切应力均最低,这种特殊的结构导致了动脉瘤顶部可能成为动脉瘤破裂的部位。③动脉瘤三维数值模拟能够很好地反应动脉瘤的血液动力学特性,是一种极好的动脉瘤实验及临床研究方法。     

基于计算流体力学技术的个体化颅内动脉瘤三维刚性血流动力学模型

目的 建立基于计算流体力学技术（CFD）的个体化颅内动脉瘤血流动力学刚性模型.方法 用MIMICS软件读取病人颅内动脉瘤影像DICOM数据,进行三维实体重建.应用ANSYS-CFX软件进行三维刚性模型的数值仿真,分析与动脉瘤生长及破裂相关的血流动力学参数.结果 建立了个体化颅内动脉瘤血流动力学刚性模型,可以直观模拟动脉瘤血流动力学变化过程,形象地给出动脉瘤表面应力场的变化情况.在血流冲击瘤颈处,壁剪切力最大.结论 本研究建立的个体化颅内动脉瘤血流动力学模型快速、精确.动脉瘤的发生、发展和破裂与剪切力等血流动力学因素有关.动力学模型数值仿真结果可能为临床诊治提供理论分析基础.     

壁面切应力与颅内动脉瘤的研究进展

壁面切应力(WSS)是血流对血管壁的切向摩擦力,平行作用于血管壁.WSS被认为是与颅内动脉瘤发生、生长和破裂关系最密切的血流动力学参数.由于缺乏统一标准,WSS这一参数如何影响动脉瘤仍存在争议.本文结合文献,对WSS在颅内动脉瘤中的作用研究进展作一综述.     

两种常见形态颅内动脉瘤的血流动力学研究

目的 对颅内动脉瘤进行三维数值模拟并分类.分析其血流动力学特性.方法 联合应用Matlab、Ansys、Fluent等软件及自写程序对39例颅内动脉瘤进行数值模拟.结果 两类动脉瘤模型流人道的血流速度、动压及壁面切应力最高,流出道次之,瘤顶部最低;且A类(长宽比>1.8)动脉瘤破裂率明显高于B类(长宽比≤1.8).A类动脉瘤流人道侧壁和瘤顶部壁而切应力比值(WSS'sratio)明显大于B类动脉瘤;且与其长宽比成正相关.结论 颅内动脉瘤顶部的血流速度、动压及壁面切应力均最低,是其破裂的主要原因和部位.流人道和瘤顶部壁面切应力比值及动脉瘤的长宽比反映动脉瘤的破裂风险,其比值越大,破裂风险越高.     

颅内典型囊性动脉瘤的三维数值模拟及血流动力学分析

目的应用计算流体力学软件进行三维数值模拟,分析不同类型动脉瘤的血液动力学特性。方法根据动脉瘤瘤体与载瘤动脉的关系,将颅内典型囊性动脉瘤分为A（动脉瘤位于血管弓背侧）、B（动脉瘤位于血管弓内侧）、C（分叉部动脉瘤,瘤轴平面与载瘤动脉轴共面）,D（分叉部动脉瘤,瘤轴平面与载瘤动脉轴不共面）四类。联合应用Matlab软件、Ansys软件、Fluent软件及自写程序对颅内囊性动脉瘤进行计算机数值模拟分析。结果颅内动脉瘤模型流入道的血流速度、动压及壁面切应力最高,流出道次之．顶部最低;A、B、D类动脉瘤冲击域壁面切应力最大;C类动脉瘤内动脉压普遍较高。结论对A、B、D类动脉瘤,冲击域壁面切应力最大可能是动脉瘤生长的主要因素,而其顶部壁面切应力不足可能是破裂的主要因素之一;对C类动脉瘤,动脉瘤内动压较高是其破裂的主要因素。     

胶原弹簧圈栓塞兔颅内动脉瘤的实验研究

目的 研究胶原弹簧圈及铂金弹簧圈对兔动脉瘤模型的栓塞效果及组织反应.方法 建立20只新西兰大白兔弹性蛋白酶诱导动脉瘤模型,随机分成两组,分别用胶原弹簧圈(胶原组,n=10)、铂金弹簧圈(铂金组,n=10)进行栓塞.栓塞后2周、10周进行DSA随访,并分别处死5只动物,行组织学分析.结果 铂金组模型均为致密栓塞,随访10周仅1例出现血栓形成,且发生动脉瘤复发1例.胶原组均未获致密栓塞,但栓塞2周后,动物均出现明显的弹簧圈周围细胞反应;栓塞10周时,均出现致密结缔组织基质沉积,动脉瘤达到100%栓塞9例,残留瘤颈1例.结论 胶原弹簧圈栓塞后可出现明显的细胞反应,并出现进行性血栓形成及致密结缔组织基质沉积;铂金弹簧圈栓塞组动物模型仅出现松散的结缔组织基质沉积,而进行性血栓形成少见.     

颅内动脉瘤术中临时阻断载瘤动脉的临床研究

目的探讨颅内动脉瘤手术中载瘤动脉临时阻断后继发脑缺血性脑功能损伤的相关因素。方法128例患者的130个动脉瘤临时阻断载瘤动脉,术后根据相应部位有无脑功能障碍,CT检查阻断血管供应区有无新鲜梗塞灶为标准判断是否造成缺血性脑损伤,并将性别、年龄、有无蛛网膜下腔出血、Hunt-Hess分级、动脉瘤的大小、部位、手术时机、阻断部位、时间、次数、方式、术中破裂、有无高血压、高血糖、载瘤动脉硬化斑块等14种因素进行单因素分析、探讨动脉阻断后可能导致缺血性损伤的原因。结果在130个动脉瘤中,共临时阻断166次,平均每个动脉瘤阻断1.28次,阻断时间为3～45min,平均每个动脉瘤阻断时间约为（9.8±7.8）min,有18例术后出现与载瘤动脉阻断有关新的脑缺血灶（14.06%）,单因素分析显示年龄≥60岁、蛛网膜下腔出血、阻断时间≥20min和动脉硬化斑块对术后发生脑缺血具有较高危险性（均P〈0.05）。结论载瘤动脉临时阻断继发缺血性脑损伤与阻断部位、阻断时间、阻断方式、侧支循环的个体差异、病人术前状况等因素有关。阻断时间〈20min,临时载瘤动脉阻断是安全的。     

颅内动脉瘤计算流体力学建模方法的研究

目的探讨三维血管造影影像建立颅内动脉瘤的计算流体力学模型的方法。方法利用三维DSA影像,使用Mimics、Geomagic Studio及ICEM CFD软件建立动脉瘤及载瘤动脉的计算流体力学模型,并使用ANSYS CFX软件进行求解,计算出颅内动脉瘤内的相关血流动力学参数。结果建立了动脉瘤的计算流体力学模型并求解出血流速度、流线、壁面切应力及壁面压力等参数的数值与分布。结论利用三维DSA数据可以建立颅内动脉瘤的计算流体力学模型。