文摘
脑动脉瘤的进展包括退行性动脉壁重建。各种怀疑是血流动力学参数主要力学因素与血管疾病的起源和发展。流变化引起的插入线圈和支架介入治疗动脉瘤可能影响动脉瘤栓塞过程。因此,血流动力学参数的知识可以为医生提供一个先进的了解动脉瘤的破裂,以及血管内治疗的有效性。医学成像和信息技术的进步使得流场的预测患者血管使用计算分析。本文最近计算脑动脉瘤血流动力学研究起始,进步,断裂进行了综述。最先进的动脉瘤性流计算分析绕线和支架植入后也进行了总结。我们预计在脑动脉瘤血液动力学的计算分析为计划和后续决策提供有价值的信息接受治疗。
1。介绍
动脉瘤是一种血管疾病,其特征是局部动脉壁扩张。在颅内动脉瘤经常观察到的空间和展览梭状或囊状的形状。动脉瘤可能增长,脑动脉瘤破裂引起的颅内出血,与高死亡率和发病率[1- - - - - -3]。为了防止动脉瘤的破裂,通过血管内介入治疗thromboembolization插入线圈和支架可能应用预防性治疗。neuroradiological和诊断成像技术的最新发展使得动脉瘤是更频繁地检测到。自远低于每年1%的脑动脉瘤破裂(4,5),准确的需求预测动脉瘤生长和破裂增加为了选择合适的和直接的血管内治疗。
启动、发展和破裂的动脉瘤动脉壁重建相关:相信他们都是相关的复杂的生物化学和生物力学因素之间的相互作用。病理血管壁重构涉及各种有关的酶和蛋白质变性,炎症,动脉壁和维修:他们的表达式可以受血流动力学的影响。血流对血管壁的机械应力,这可能刺激内皮细胞的功能,影响内皮的结构完整性,影响运输的各种细胞和酶在血液中的内皮。因此,血液动力学的部队和流动特性,如再循环(6),二次流(7),和飞机撞击8),被认为是主要力学因素与血管疾病的起源和发展。在血流动力学参数、壁面切应力(WSS)已经被广泛的研究,由于内皮细胞积极感知和响应WSS。在他们最近的评论中,尼克松et al。9)清楚地总结了WSS在脑动脉瘤和动脉粥样硬化的作用。
最新进展在医学成像技术和计算机设备的改善使得计算流体动力学(CFD)的分析来预测动脉瘤的血流动力学与增加的准确性和可靠性。血管造影图像数据可以转化为三维(3 d)容器几何数据计算机模拟;因此,CFD分析基于真实动脉瘤几何近年来一直进展(10- - - - - -14]。计算的基本过程使用一个病人血流动力学分析血管造影见图1。切片横截面内腔图像得到病人的脉管系统使用多种成像模式,如磁共振血管造影(MRA)、计算机断层扫描血管造影(CTA)和三维旋转血管造影术。每个截面的内腔图像可以分段和腔的表面是用样条函数重建的,轮廓倾斜或其他插值方法。二维分割不准确时,船舶轴不垂直于横截面的表面。此外,手动自动分割是运营商依赖而自动阈值分割使用可能产生拓扑缺陷图像与不均匀图像强度和不准确的地方。最先进的无监督全三维分割模型已经开发(15]。区域增长分割和自动阈值(16)使用可变形模型和基于组件的方法(17]介绍了Cebral et al。15详细)。基于重建的表面轮廓,构造三维实体模型使用商用三维计算机辅助设计(CAD)项目。重建的三维体积模型分为计算网格的网格程序。一些商业软件的预处理是表中列出1。流场的控制方程是解决使用各种数值方案,如有限差分法(FDM)有限元方法(FEM),有限体积法(有限体积法),和晶格玻尔兹曼方法(加快)。各种商业CFD软件程序包括流利和Ansys排名(Ansys, Inc ., Canonsburg, PA,美国),艾迪娜(艾迪娜研发公司,水城,妈,美国),COMSOL (COMSOL, Inc .,伯灵顿,妈,美国),CFD-ACE (ESI集团、巴黎、法国),Flow-3D(流程科学,Inc .,帕萨迪纳市、钙、美国),和STAR-CD(美国纽约CD-adapco,梅尔维尔)是可用的。计算流场变量可以重新安排为了显示各种感兴趣的流动特性使用后处理过程。
针对病人的CFD分析包括成像数据处理、网建设、计算计算和后处理。为了避免困难相关的手册和使用商业CFD软件包耗时的工作,努力开发内部CFD代码了。整个管道从医学图像流计算了为了消除人工干预和编辑的数据处理。Cebral et al。10,15,18,19基于仿真的血液动力学]开发了管道。它由血管重建、非结构化网格生成、数值求解和后处理。适当的边界条件和材料属性对血管模型。针对病人的流入数据提供重要的信息决定了CFD计算的准确性。体内特定的流入边界条件可以通过侵入性测量使用导管或医学成像。Karmonik et al。20.- - - - - -22)测量在脑动脉血流波形相位对比MRI,并提供测量血流量剖面入口边界条件的CFD模拟。他们成功地模拟脑动脉的血液循环使用3 d数字减影血管造影和相位对比MRI。指定流出边界条件也需要仔细的注意,适当的阻抗的远端血管应提供多个网点。
如果影响动脉瘤的血流动力学因素病因是阐明,CFD分析的基础上,针对病人的图像数据将提供一个更好的理解和动脉瘤的诊断进展和破裂。血管内支架的性能和线圈可以评估通过分析动脉瘤的流改变由于介入治疗。此外,血流量预测使用CFD分析可用于介入治疗计划。在这篇文章中,我们回顾最近计算脑动脉瘤血流动力学研究起始,成长,和破裂,以及计算研究动脉瘤的介入治疗引起的流改变线圈和支架。
2。动脉瘤起始
大多数脑动脉瘤都观察到动脉分支和分支动脉曲率或外墙(23,24]。局部脑动脉瘤的发生促使血流动力学研究动脉瘤形成。在分岔(自CFD分析提供了详细的血流动力学信息25,26)和外墙的弯曲动脉(27,28),许多研究试图确定一个适当的血流动力学参数与病理动脉瘤形成。
流撞击的顶点分岔和急剧弯曲血管侵犯壁附近生成不稳定的螺旋流模式。重复流冲击下对血管壁脉动的流可能会引起疲劳,可能会导致内皮细胞的形态和功能变化可能发生在这个地区。压力和剪切应力的分布在撞击点在图所示2。在撞击点当地的压力增加是由于流体动能转换成静态压力。以前的研究报道,当地的压力增加动脉分岔和弯曲小于1 - 2%的血管内压力(29日,30.]。然而,高空间压力梯度可能影响内皮重构。
WSS撞击点附近高(数百个达因/厘米2(31日),它的空间梯度也是非常大的。之前的研究使用动物实验表明,高WSS有助于脑动脉瘤的起源通过内皮细胞退行性变化(32,33]。其他研究也表明,升高WSS影响血管壁的各种退行性变化(34- - - - - -40]。
孟et al。26)手术创造了颈动脉分支,在一只狗的动物模型,发现墙壁的空间组织特征与血流动力学变量通过CFD分析计算。他们的研究结果表明,破坏细胞壁的本地化,类似于动脉瘤的起始,与高WSS和高WSS梯度。Mantha et al。37]构建计算模型基于病人的颈动脉侧动脉瘤三维血管造影数据,并执行之前进行了CFD的分析父容器动脉瘤形成。他们发现重大WSS的时间方向变化之间的相关性和动脉瘤形成的位置。
由于内皮感官WSS,积极响应机械应力(34- - - - - -36,38,40),血管重建启动动脉瘤的形成可能与高WSS大小或高时空WSS的变化。尽管很难确定负责动脉瘤的血流动力学变量初始化,复杂流场流撞击点附近高WSS大小,时间和空间WSS高梯度和高压力梯度可能前提血流动力学环境的一部分相关脑动脉瘤的起始。
3所示。动脉瘤生长
组织学研究显示变性的内膜和动脉瘤血管壁变薄的媒体(39,41]。此外,各种蛋白水解酶分泌物如弹性蛋白酶(42)和基质金属蛋白酶(43导致退行性细胞壁。病理墙装修流程,各种酶的分泌有关,与内皮细胞的炎症反应44和平滑肌细胞的凋亡45,46),可能会影响到血液动力学(47]。CFD研究已经进行调查影响动脉瘤的血流动力学因素的增长。许多CFD研究一直在进行的生长和破裂动脉瘤使用不仅理想的曲线和分叉血管模型(31日,48- - - - - -51),但还动脉瘤模型基于真实病人数据通过MRI或CT成像(13,14,52,53]。
冯et al。54,55)模拟了变形和动脉瘤气泡的增长曲线简化脑动脉模型船。他们认为,动脉瘤生长与变性引起的动脉壁高WSS。动脉瘤形成建模为血管壁变形是由于降低了墙刚度使用流体固体交互(FSI)。WSS分布计算,动脉壁的杨氏模量被认为是减少如果WSS大于阈值。他们的方法的缺点是,动脉壁的力学性能不能被建模为一个简单的WSS的函数。此外,动脉重塑不能简单的建模通过使用一个基于FSI血管壁扩张模型,没有考虑和动脉瘤的时间数列增长。Boussel et al。56)计算了WSS的颅内动脉瘤患者的血管造影术先生的基础上的数据,与相关WSS动脉瘤生长利用图像在两个不同时间点先生(的意思2个月之间的时间点):他们发现低时均WSS和动脉瘤增长之间显著相关。
动脉粥样硬化血管壁变化由于低和振荡WSS已经被广泛的研究,在动脉粥样化形成和血液动力学的作用是良好的57- - - - - -59]。虽然在动脉瘤血管壁重塑增长不同于动脉粥样硬化墙改造(46,60由于紊流),炎症反应或减少WSS可能影响动脉瘤生长和断裂通过退行性血管壁重构。低WSS(< 4达因/厘米2)导致内皮细胞增殖61年和细胞凋亡62年]。此外,低WSS缓慢流动循环引起的复杂流场在动脉瘤的分岔53,63年)与动脉瘤增长呈正相关。一项研究发现,WSS的动脉瘤是明显低于周围血管的53]。此外,当地动脉瘤增长之间的关系和地区低WSS的管腔内的表面被发现使用患者动脉瘤模型(53,56]。
低,振动WSS附带的复杂流动模式可能与动脉瘤的生长。轻微凸起的动脉瘤壁可能诱发紊流区域,可以加速和动脉瘤增长由于低和振荡WSS扩大血管通过正反馈机制。血管壁重塑维护WSS以恒定水平倾向于高WSS动脉瘤增长的假设。然而,它无法解释动脉瘤生长,因为颅内动脉的血管壁结构不同的动脉动脉重塑的观察(64年- - - - - -67年]。
4所示。动脉瘤破裂
动脉瘤破裂发生在壁张力超过壁组织的机械强度。壁张力校内的压力和半径成正比,和球形的墙壁厚度成反比的气球。因此,高压、大动脉瘤大小、薄壁墙张力增加。当地削弱动脉瘤壁的特点是薄的媒体和缺乏胶原纤维,病理壁重构密切相关。此外,血流动力学环境可能会影响墙改造过程。因此,血流动力学,包括高压和WSS,可能直接影响壁破裂,而低WSS和扰流模式可能会影响动脉瘤壁削弱通过细胞壁在一段时间。
强流撞击被怀疑是负责动脉瘤血流动力学因素破裂。Cebral et al。52利用62年针对病人的模型)进行了CFD研究。他们发现流模式更为复杂和撞击射流窄在动脉瘤破裂颅内动脉瘤。最近,同一组扩展了以前的研究包括210连续128年颅内动脉瘤患者和更多的血流动力学特性研究[68年]。定量血流动力学研究表明,集中流入飞机,小撞击地区,复杂的流模式和不稳定的流动模式与临床相关的历史前动脉瘤破裂。因此,强大的飞机从父容器流入动脉瘤囊可能提供一个血流动力学环境容易动脉瘤破裂。血液撞击在墙上产生冲击力和高WSS,这可能影响到血管壁的疲劳。流影响的网站包括本地高压力和高WSS梯度。高度压力的贡献由于撞击流喷射很小(31日,69年),但冲击力的影响仍然未知。Shojima et al。53在人类大脑中动脉)计算了WSS使用CFD分析。他们报告说,动脉瘤的空间平均WSS地区在收缩峰值明显高于(大约2倍)在颅内破裂模型相比,模型。高空间平均WSS破裂病例是由于高WSS的身体或颈部动脉瘤引起的直接从父母动脉流流。因此,高WSS不得与动脉瘤破裂。WSS的动脉瘤的尖端,这是更容易破裂,破裂的情况下要低。但是他们的计算结果可能不检测intraaneurysmal流的二次流和其他详细的功能模式,因为计算船模型重建在他们的研究极其截断。卡斯特罗et al。18]研究了上游的父母动脉几何intraaneurysmal血流动力学的影响。他们表明,重建模型使用截断父容器低估了WSS和影响区转移到了脖子。因此,进一步的研究需要阐明的影响低和高WSS动脉瘤破裂。
复杂不稳定流动伴随低和振荡流可能负责血管壁重构与断裂相关(70年),因为它是与凋亡墙改造(62年]。瓦伦西亚et al。71年)表明,低WSS地区更大比的颅内动脉瘤的破裂。他们还报告一个线性相关性的平均WSS动脉瘤囊在高峰收缩面积指数,它被定义为动脉瘤和动脉区域之间的比例。陆et al。72年)进行了CFD分析使用3 d重建血管造影破裂和未破裂脑动脉瘤。破裂组的比例低WSS区域(< 1.5 Pa)对整个区域的动脉瘤是显著降低,而振荡剪切指数更高。因此,大空间和时间变化WSS动脉瘤囊内复杂的不稳定流动可能与动脉瘤破裂。
压力可能是一个血流动力学参数影响动脉瘤破裂。先前的研究表明,周围的复杂的撞击流流型在动脉瘤动脉瘤导致压力升高(30.,48,69年),尽管它比系统性压力很低。大压力梯度沿墙撞击点附近可能影响内皮功能和重构。鸟居et al。73年,74年]研究高血压的影响在使用基于图像的建模FSI WSS动脉瘤模型。他们的研究结果显示,高血压血压造成重大WSS在动脉瘤壁分布的变化。因此,高血压可能影响动脉瘤壁损伤。
因为动脉瘤破裂不是与当地压力异常高,壁完整性的丧失由于血管壁重构和壁张力增加由于系统性压力可能负责动脉瘤破裂。Isaksen et al。75年)计算壁张力和弹性位移使用FSI脑动脉瘤壁。他们显示领域的最大张力和位移是坐落在动脉瘤最容易破裂。本地更改引起的壁厚和力学性能动脉瘤壁重建并不认为,因为他们认为一个统一的动脉瘤壁厚。当地的壁厚和动脉瘤壁的属性是很难衡量,这限制了壁张力的估计。
5。动脉瘤卷
直到1990年代初,手术剪断被用来消灭动脉瘤囊。然而,血管内治疗如线圈栓塞和支架植入以来一直使用非手术血管内的发展方法。线圈装进动脉瘤囊诱导流动停滞和血栓形成76年- - - - - -78年],疤痕组织形式由于动脉瘤性闭塞(异物反应完成76年,79年,80年]。很难完全填补一个动脉瘤的腔由于复杂动脉瘤囊的形状和线圈压实由于血流动力学的力量。不完全栓塞诱导残余流动从父容器,导致动脉瘤的复发。因此,线圈栓塞治疗后血流动力学是一个高度预测复发的相关因素和动脉瘤的再生。
Byun和李(81年)由于部分屏蔽侧动脉瘤血流动力学的变化,研究和调查的影响动脉瘤形状和父容器几何使用CFD分析。计算机模拟终端的动脉瘤也执行,和线圈密度的影响探讨76年]。因为动脉瘤壁重建和流动停滞可能是重要的,动脉瘤的WSS研究采取流体(血液)和固体(血管壁)考虑相互作用[82年]。在这些分析,线圈被建模为固体材料(块元素);这些分析可能完全thromboembolized线圈有效。
为了调查内部的流线圈,线圈被建模为多孔介质。CFD分析使用动脉瘤病人的真实照片,和多个线圈的影响intra-aneurysmal血液动力学研究[83年,84年]。多孔介质模型可能是有用的在线圈插入的早期阶段,但里面的血栓形成线圈栓塞过程中包应该建模后血管内治疗。计算模拟的理想化的侧动脉瘤内血液凝结模型的基础上进行了粘度模型定义为一个函数的停留时间和凝固液浓度(85年]。然而,进一步细化凝固模型是必需的,因为它的验证是不完整的。
血液动力学和线圈之间的交互的主要物理原因是线圈压实和错位,引起动脉瘤的血管再通和增长。线圈之间的相互作用和流动模拟。一个应用程序的模拟是模拟线圈部署在初始阶段的干预。这种模拟的结果可能有助于为线圈提供特定的准则选择和预测术后预后。最近,魏et al。86年)模拟线圈部署和变形而考虑无功流动的力量,和计算流场线圈和线圈免费域名。由于动脉瘤的血流动力学的模拟在线圈和流动之间的相互作用是有限的,应该进行进一步的研究来阐明血流动力学在线圈压实和位错的作用。
6。动脉瘤支架
支架作为支架来保持线圈在梭状回和宽下巴动脉瘤的腔。目前,相信支架仅可用于减少流向thromboembolize从父动脉动脉瘤囊。尽管thromboembolization与支架可能效果低于线圈,支架的优点包括稳定的能力没有碰动脉瘤动脉瘤囊和阻止动脉瘤颈部诱导neointima支架表面形成。预测支架植入后的血流动力学变化可能有助于设计和选择支架有效动脉瘤栓塞。
流模式,涡度、滑移速度和WSS相关血流动力学参数影响支架的thromboembolization效率。流动显示方法已经用于动脉瘤幻影模型阐明支架孔隙度的影响(87年- - - - - -90年]。定量实验方法使用粒子图像测速技术显现的[91年,92年)和激光多普勒测速技术(93年,94年)也被用来评估血液动力学改变根据不同船舶几何图形和支架设计。
计算分析已经阐明了流场变化引起的支架,并评估他们的能力转移流动和诱导瘀动脉瘤的腔内(95年,96年]。特定的动脉瘤模型也被分析来阐明流变化引起的支架(11,70年,97年- - - - - -102年]。最近,Cebral et al。103年)进行了CFD分析的脑动脉瘤显然是成功治疗使用支架但后来受到复杂动脉瘤出血。他们表明,流分流支架会造成intra-aneurysmal压力增加,这可能导致破裂。在支架动脉瘤的CFD模拟的挑战,存在的主要困难与啮合动脉支架由于规模差异和支架支撑厚度。一些自适应嵌入技术开发来解决这种啮合困难(104年- - - - - -106年]:血管壁body-fitted处理非结构化网格,和支架是嵌入在网格;此外,自适应支架附近的网格进行细化。
支架横向流动和终端动脉瘤被建模模拟支架作为多孔介质(107年]。在这项研究中,一个粗略的支架几何模型可以复制流特性定量以及定性。加快速度考虑减少造成支架植入提前使用支架定位效应也已发展到预测支架后的thromboembolization动脉瘤(108年- - - - - -110年]。模拟支架部署也是具有挑战性的。在某些模型中,一个弹性圆柱沿着父容器支持生成表面变形,直到它接触血管壁(104年,111年]。入口和出口边界条件,以及父血管壁弹性支架植入前后,应准确地指定。进一步的研究需要模型支架部署以及血管壁和流场变化由于支架,neointima形成沿支架,thromboembolization建模。
7所示。讨论和结论
血流动力学实验研究已经使用各种脑动脉瘤模型执行为了研究流体动力学的作用在动脉瘤的病因48,94年,111年- - - - - -115年)和血管内治疗(31日,105年,116年]。这些研究试图找到复杂血流动力学变量之间的相关性和脑动脉瘤形成、发展和破裂与理想化模型的几何图形。支架植入后血流动力学改变和卷也观察到在体外模型(81年,90年)以及在外科手术创造了动脉瘤动物模型(117年]。因为流模式是影响船的细节和动脉瘤几何图形,现实的血管几何被认为是最重要的一个因素精确分析流动动脉瘤和动脉。
最近,详细的患者的血管几何图形已经成为可用的高分辨率的血管造影技术的进步。此外,信息技术和最新进展使血液动力学的预测使用CFD分析针对病人的血管。难以准确确定从病人血管造影血管几何腔的分割、定义计算域和计算网格的形成。因为这些困难需要大量的手工,费时,和operator-dependent工作需要克服,努力发展内部编码特定的CFD分析。
其他困难的CFD分析相关定义材料特性和边界条件对现实的体内动脉血液流动。考虑流变粘度特性的血液和血管壁弹性动脉血流分析在过去的几十年里一直存在争议。尽管非牛顿粘性特征分析不重要大动脉血管的血液循环(11,118年- - - - - -121年),他们可能影响WSS分布在动脉瘤的流10]。在CFD计算非牛顿粘性定律需要的实现相对微不足道的努力和计算负荷,尽管验证粘度法在复杂流场是非常困难的。考虑到动脉壁弹性计算分析需要额外的信息在船径向壁运动,当地墙属性,和压力waveforms-all是很难获得的。CFD分析使用动态造影一直试图[122年- - - - - -124年)定义径向血管壁运动。指定流出边界条件也需要仔细的注意,适当的阻抗的远端血管应提供多个网点。
虽然可以获得准确的船舶几何医学成像技术和血流动力学分析利用高分辨率的帮助下可以执行先进的计算技术,预测动脉瘤血流动力学参数的应用增长和破裂仍是有限的。虽然有关血管壁结构信息是非常有用的,它是很难获得体内动脉瘤壁结构的信息。基于细胞力学生物学血管细胞壁模型的基础上开发了FSI [125年- - - - - -127年]。在这个特定的增长和重构模型,血流动力学分析提供了墙的墙牵引力学计算提炼墙属性和几何图形。流体和固体之间的解迭代墙力学,和压力mediated-growth和动脉瘤的改造进行了分析。建模的变化属性、配置和质量分数的动脉瘤的墙由于机械压力需要进一步研究[49,125年,128年]。此外,困难与自适应网格生成(129年- - - - - -131年)和边界条件用于描述墙牵引计算分析时应考虑血管壁重构。
针对病人的血流动力学模拟为计划和后续决策提供有价值的信息在脑动脉瘤治疗。需要额外的努力开发快速、准确计算方法中使用高分辨率的医学图像应用CFD模拟脑动脉瘤的诊断和干预计划工具。此外,基本mechanobiological研究血流动力学对动脉瘤生长的影响,断裂,thromboembolization应该执行为了完善并完成计算模型。
承认
本文是由韩国卫生技术研发的资助项目,卫生和福利,大韩民国(A111101)。