文摘

这是一个概念验证计算流体动力学(CFD)研究旨在确定在颅内动脉瘤动脉粥样硬化改变。我们选择3多个患者的颅内动脉瘤包括至少一个与动脉粥样硬化的变化和研究一个基于图像的CFD研究是否可以提供有用的信息来识别动脉粥样硬化动脉瘤。获得不同的几何图形是由三维数据使用旋转血管造影术。瞬态模拟进行了在不同入口流速测量相位对比磁共振测速。postanalyses,我们计算时均壁剪切应力(WSS)振荡剪切指数和相对停留时间(RRT)。通过颈部血流进入动脉瘤的体积和平均速度动脉瘤内血流检查。我们应用age-of-fluid方法定量评估动脉瘤内血液的住所。动脉粥样硬化改变恰逢地区暴露在干扰血液流动,WSS和长RRT的低。血液进入动脉瘤与入口流量阶段。血液在动脉粥样硬化动脉瘤的平均速度都低于nonatherosclerotic动脉瘤内。 Blood in atherosclerotic aneurysms was older than that in nonatherosclerotic aneurysms, especially near the wall. This proof-of-concept study demonstrated that CFD analysis provided detailed information on the exchange and residence of blood that is useful for the diagnosis of atherosclerotic changes in intracranial aneurysms.

1。介绍

近年来,计算流体动力学(CFD)吸引了注意力的一种新方法来阐明颅内动脉瘤的血流动力学。CFD的进展使现实的动脉瘤的血流动力学模拟几何图形与准确性和可靠性1]。医学图像CFD已经产生了很多新的知识血液动力学的作用在颅内动脉瘤的病理生理学2,3]。在颅内动脉瘤的管理方针,现在考虑血流动力学特点推荐当评估动脉瘤破裂的风险,除了动脉瘤的大小和位置和患者的年龄和健康状况(4- - - - - -6]。然而,小的工作已经完成的颅内动脉瘤动脉粥样硬化改变是重要的预测动脉瘤历史或评估手术治疗的潜在风险。

血流量的影响动脉瘤的墙上的特点是墙血流动力学参数。壁剪切应力(WSS)是切向摩擦应力引起的血液流动腔的墙上(7]。Tateshima等人发表的研究首次对颅内动脉瘤的血流动力学对动脉粥样硬化的影响变化(8]。使用粒子图像测速技术显现他们的研究表明,动脉粥样硬化改变发生在一个区域暴露unphysiologically WSS低。孟等人推测生物力学途径在颅内动脉瘤动脉粥样硬化改变:低和/或振荡WSS触发炎症细胞介导途径与pathobiological反应如炎性改变内皮细胞、浸润的炎症细胞,平滑肌细胞的增殖(9]。此外,我们之前与颅内血流动力学研究30例大脑中动脉动脉瘤建议相对停留时间(RRT)血流动力学墙参数指示干扰血液流动(10),在动脉粥样硬化比nonatherosclerotic动脉瘤动脉瘤[大大延长11]。

本研究的目的是作为一个概念验证CFD分析识别在颅内动脉瘤动脉粥样硬化改变。我们选择与多个动脉瘤3例包括至少一个与动脉粥样硬化的变化。这个病人的选择是很重要的,因为生物环境源于遗传背景或生活习惯也都一样动脉瘤在同一个主机上,并且只血流动力学条件是不同的。

我们进行了医学图像CFD研究这些不同入口条件下3例。在postanalyses,我们研究了RRT能否成为动脉粥样硬化动脉瘤的判别和进一步研究颅内动脉瘤内血液的交换和住所。使用age-of-fluid从工程领域的概念12),我们估计实际停留时间的血液和血液内动脉瘤的年龄的分布。这项研究表明age-of-fluid方法提供信息交换和住所的有用的血液对动脉粥样硬化的诊断颅内动脉瘤的变化。

2。材料和方法

2.1。患者人群

我们选择3多发性颅内动脉瘤患者包括至少一个每个病人的动脉粥样硬化改变。我们尊敬的动脉粥样硬化改变动脉瘤的墙上,非凡的黄色脂质沉积在手术。临床资料收集来自医疗记录。这项研究是Kohnan医院的机构审查委员会批准。

2.2。测量动脉流速的父母

定量核磁共振(MR)测速进行3 t MR图像扫描器(标记HDxt;通用电气医疗集团日本,日本东京)手术治疗前13]。协议使用标准的颅骨三维(3 d)飞行时间血管造影术先生选择片方向动脉血流测量。确定最优扫描平面垂直的飞行时间获得图像。坐标获取指定的位置斜快速二维相位对比序列,然后执行这些坐标的基础上使用周边封闭的二维相位对比序列用下面的成像参数:重复时间/回波时间/数量的作用,25毫秒/ 5.4毫秒/ 1;的视野,mm;矩阵,;立体像素大小,mm;100厘米/秒速度编码;成像时间,约5分钟;方向,transaxial;外围的把关与心电图(ECG);和阶段,30岁。后天相衬显微镜的图像传输到工作站为流量化与专用软件(CV流;通用电气医疗集团日本)。感兴趣的区域被半自动地相衬显微镜的图像在一个心动周期。速度在船内的所有像素边界综合计算流毫升/秒,和这些值被用来获得定量在心动周期波形。

2.3。CFD建模

2.3.1。几何模型建设

传统的数字减法和3 d旋转血管造影术是由标准施行导管插入术双翼飞机单位(英诺华3131或IGES 630;通用电气医疗集团,日本东京,日本)。这些图像中获得的6秒注射对比剂和200年与成像以每秒30帧的旋转5秒。150年的投影图像重建的三维数据集各向同性体素覆盖200毫米的视野3方向。3 d数据集获得旋转血管造影术是出口到个人电脑,形成一个3 d等位面的动脉瘤模型。3 d表面提取与行进的立方体方法使用开源软件(血管建模工具;VMTK (http://www.vmtk.org/))(14]。然后分段3 d表面处理商业软件(魔法RP 13.1;实现,比利时鲁汶)清除小树枝从感兴趣的区域,使飞机的进水口和出水口。入口设置在颈部分同侧颈内动脉(ICA),以确保适当的长度计算。几何建模的结果验证了二维常规血管造影前后的和侧面视图和术中videograms的船只和动脉瘤手术期间暴露。为每个动脉瘤颈部飞机是手动定位测量的体积血流通过颈动脉瘤(图1)。

2.3.2。数值模拟

所有的模型用于计算研究网状使用商业软件(ICEM CFD;美国ANSYS Inc .、黎巴嫩、NH)创建四面体元素5层细棱镜元素的边界,导致大约150万个元素。有限体积方法包,ANSYS 14.5 (ANSYS Inc .),用于解决控制方程:三维非定常n - s方程和连续性方程。至于计算算法,使用简单的方法。Green-Gauss的基于节点的梯度法应用微分和梯度计算,和很快!法和快速法被用于压力完成和对流离散化,分别。先生英格尔脉动的流速测量的测速是规定在进口边界。扩散通量的方向正常入口平面被假定为零,和正常的梯度是被忽视的。媒体流量的比例是决定根据最小工作原理(默里定律)。

关于流体的粘度,我们测试了两个设置。一个遵循惯例CFD在大型船只2]。血液被建模为一个不可压缩牛顿流体密度为1050公斤/米³和粘度0.0035公斤/女士。另一个是进行非牛顿流。非牛顿血液粘度与Herschel-Bulkley建模公式,占血液屈服应力和剪切稀化特性(15,16]: 在哪里是应变率和屈服应力。金姆被用于报告的实验值系数和(17]。Herschel-Bulkley模型在最近的研究很受欢迎,因为它捕获剪切稀化和符合一系列剪切率(15,16,18- - - - - -20.]。

刚性墙无滑动边界条件实施血管壁。三个跳动的周期模拟保证数值稳定了,结果从第三周期被用于分析。

2.4。墙血流动力学参数

三个墙血流动力学参数计算:RRT、时均WSS,振荡剪切指数(OSI) [7,10]。补充内容1(在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/2386031WSS)给出了一个详细描述,OSI, RRT。RRT的最大、最小WSS和最大OSI的动脉瘤。

2.5。流入卷动脉瘤体积的比例

我们测量的体积动脉瘤动脉瘤体积(毫米³)从数据的3 d几何。我们也计算的体积通过颈部血流进入动脉瘤(流入卷(毫米³从数值结果/周期)。我们计算的比例流入体积动脉瘤体积的汇率(1 /周期)来评估动脉瘤内血液的交换,因为可怜的交换血液导致长时间的停留时间。我们也计算平均血流速度在每个动脉瘤。

2.6。Age-of-Blood方法

CFD领域的,哈伊姆首次提出的概念停留时间为液体的时间一直在(或居民)域12]。这个概念作为“空气”时代在加热、通风和空调(HVAC)设计或“流体的时代”在海洋研究为了估计地方通风或由CFD流体交换的测量是不可能的21]。

岁的流体被定义为欧拉拉格朗日时代的转换(12,21]。流体包裹的时代以来的时间包裹离开了入口,它的年龄规定是零。当我们考虑流体包裹后路径所描述的位置矢量在时间,有关速度两个瞬间和。 的年龄流体包裹的位置在时间是由 我们可以假设是时候当流体包裹离开的入口年龄规定为零:。因此,我们获得的基本表达式 这意味着一个流体包裹时间的年龄。

的导数(3)沿着路径和欧拉等效如下:

我们应用“age-of-fluid”概念的停留时间的血。因此,我们称之为“age-of-blood”方法,获得的价值是“血的时代”或“血的年龄。“在我们初步研究使用简单的几何图形,我们确认我们可以使用age-of-blood方法评估血液的停留时间(22]。评估血液的年龄在这项研究中,5个额外的心脏周期模拟根据(6)后3心脏周期获得流场。

我们计算了空间上的平均价值和“血时代”的最大价值在动脉瘤的域/ 5心脏周期。

3所示。结果

3.1。患者信息

3.1.1。案例1

一个62岁的女性面对7颅内动脉瘤(表1)。四人的左侧前循环(图1和2):一个分岔的左侧颈内动脉(ICA)和脉络膜前动脉(AN1),两个相邻的水平左大脑中动脉(MCA)的一部分(AN2和AN3),和一个在左侧大脑中动脉分叉(AN4)。其余3动脉瘤包括正确的ICA在床形的部分之一,在右侧大脑中动脉的分支,和一个分岔的基部的动脉和小脑上动脉。剪裁手术计划4左前循环动脉瘤。在手术,左边M1动脉瘤(AN2)与黄色厚壁脂质沉积在穹顶,而其它3动脉瘤(AN1 AN3, AN4)与白色红色穹顶补丁(图2)。很难执行左M1动脉瘤颈部剪裁,因为著名的动脉粥样硬化改变。三个红色的动脉瘤都剪,但包装进行了动脉粥样硬化的动脉瘤。

3.1.2。案例2

一个65岁的女性出现颅内动脉瘤(表31)。两人在左侧大脑中动脉(数字1和3):一个分岔的劣质躯干和中间的树干(角动脉)(AN5)和一个分岔的中间部分(角动脉)和优越的树干(AN6)。另一个动脉瘤是正确的MCA。剪裁手术计划2在左侧大脑中动脉动脉瘤。在近端动脉瘤手术,(AN5)异构圆顶与动脉粥样硬化改变,而远端(AN6)有一个红色穹顶薄气泡(图3)。近端动脉瘤颈部剪裁是困难的,因为动脉粥样硬化改变包括颈部、执行和不完整的剪裁圆顶。

3.1.3。案例3

一61岁男性出现颅内前循环动脉瘤在正确的(表1,数据1和4):一个在左ICA和脉络膜前动脉的分支(AN7)和一个分岔的MCA (AN8)。剪裁手术计划在2动脉瘤。在手术中,大脑中动脉动脉瘤(AN8)与动脉粥样硬化改变,异构圆顶而ICA-anterior脉络膜动脉动脉瘤没有动脉粥样硬化改变(图有一个红色的圆顶4)。在这种情况下,我们可以执行颈动脉瘤的剪裁。

3.2。计算血流动力学仿真的结果

我们进行了血流动力学模拟2边界条件下血液粘度。我们发现Herschel-Bulkley模型非牛顿流一般没有显示出任何偏离牛顿粘度对动脉瘤没有动脉粥样硬化改变(AN1, AN3, AN4、AN6 AN8),但不是动脉瘤和动脉粥样硬化(AN2、AN5和AN8)变化,预测更高的粘度。补充内容2展示了每个动脉瘤血液粘度的分布。后者偏差是由于血液流速的降低,这可能会延长停留时间在特定的动脉瘤。因此,以下演示了使用Herschel-Bulkley模型数值结果。

3.2.1之上。案例1

墙血流动力学参数。RRT的最大、最小WSS和最大OSI左侧大脑中动脉动脉瘤和动脉粥样硬化改变(AN2)长,低,高于其他3动脉瘤与红色穹顶(表2)。在这三个参数的等高线地图,AN2面对长RRT和低WSS(数字5(一个)- - - - - -5 (f))。

动脉瘤内血流动力学。定期的血流进入动脉瘤(数字6(一)- - - - - -6 (c))。流入的体积在AN2 AN1大于和小于AN3和AN4(表3和图6 (b))。然而,流入体积的比例动脉瘤体积较小(汇率)AN2比AN1(表3)。此外,AN2内的平均流速小于其他3动脉瘤包括AN1(图6 (c))。

动脉瘤内血液的时代。停留时间的血液内动脉瘤是评估使用age-of-blood方法。均值和最大年龄的血液在每个动脉瘤定期改变,相反与入口流量阶段,流入体积和平均流速脉动的变化(数据6(一)- - - - - -6 (e))。血液内的最大年龄3动脉瘤微红的墙(AN1、AN3 AN4)定期改变血液的平均年龄(数字6 (d)和6 (e))。另一方面,内部的最高年龄AN2线性增加,倾向是统一(图6 (e)),这意味着有一个地区极其缓慢的再循环。AN2,血液的年龄的分布类似于RRT(数据的分布5(一个)和6 (f))。在剖切面,旧血恰逢回流流以缓慢的速度(数字6 (g)和6 (h))。

3.2.2。例2和3

墙血流动力学参数。RRT的最大、最小WSS和动脉粥样硬化的最大OSI动脉瘤(AN5例2和AN8以防3)长,低,高于其他nonatherosclerotic的(AN6例2和AN7以防3)(表2)。在这三个参数的等高线地图,两个动脉粥样硬化动脉瘤(AN5和AN8)面对长RRT和低WSS(数字7(一)- - - - - -7 (c)和8(一个)- - - - - -8 (f))。术中影像的目视检查记录和RRT的等高线地图,AN8和动脉粥样硬化改变AN5恰逢长RRT(数据区域3,7(一),4,8(一个)、职责)。

动脉瘤内血流动力学。定期的血流进入动脉瘤(数字9(一个)- - - - - -9 (c)和10 ()- - - - - -10 (c))。动脉粥样硬化的流入卷动脉瘤(AN5和AN8)几乎是等于其他nonatherosclerotic (AN6和AN7)(表3,数据9 (b)和10 (b))。然而,平均流速和汇率在动脉粥样硬化小动脉瘤比其他nonatherosclerotic动脉瘤(数字9 (c)和10 (c)和表3)。

动脉瘤内血液的时代。血液的平均年龄在每个动脉瘤与进气流速在相位相反,流入体积和平均流速(数字9 (d)和10 (d))。年龄最大的血液在动脉粥样硬化动脉瘤(AN5和AN8)也改变了定期但波动以更高的价值比其他nonatherosclerotic动脉瘤(AN6和AN7)。

AN5,血液的年龄的分布类似于RRT(数据的分布7(一)和9 (e))。剖切面,旧血在漩涡的中心内部AN5(图9 (f))。

AN8,血液的年龄的分布类似于RRT(数据的分布8(一个)和10 (e))。旧的血液被认为在不稳定的涡内动脉瘤(图10 (f))。

4所示。讨论

这个计算研究显示2主要动脉粥样硬化和nonatherosclerotic动脉瘤的血流动力学差异。第一个问题干扰血液流动。动脉瘤和动脉粥样硬化的变化受到干扰血液流动,由长RRT表示,此前报道11]。特别是,动脉瘤与著名案例1动脉粥样硬化改变(AN2)表现出非凡的延长RRT (117.3 (1 / Pa))。另一方面,动脉瘤没有动脉粥样硬化改变接触更多的生理条件(RRT < 2.0 (1 / Pa))。

第二点担忧动脉瘤内血液的停留时间。age-of-blood方法显示,血液在动脉粥样硬化的平均和最大年龄动脉瘤是高于nonatherosclerotic动脉瘤内,和旧的血液在动脉粥样硬化动脉瘤局部区域暴露在扰流,当用长RRT(和低WSS)表示。特别是里面的最高年龄AN2线性增加,倾向是团结,这意味着有一个地区极其缓慢的再循环。流入动脉瘤成交量较小体积的比例比nonatherosclerotic动脉瘤在动脉粥样硬化,和平均血流速度慢比nonatherosclerotic动脉瘤动脉粥样硬化。我们推测,收益率低的局部血流干扰WSS和长血住所时由于动脉瘤动脉瘤体积的增加增长,和平均血流速度降低到一定阈值。

Himburg等人提出RRT作为一个指标存在的干扰血管壁附近的血流量(10]。根据数学定义,RRT WSS大小成反比,与OSI成正比,也就是说相对停滞的血墙附近(10]。在先前的研究30例颅内动脉瘤,统计分析表明,延长RRT的雄性是动脉粥样硬化的独立的重要指标变化在颅内动脉瘤11]。在目前的研究中,我们调查了情况下多个动脉粥样硬化和nonatherosclerotic动脉瘤和证实,两岁的延长血液和RRT在动脉粥样硬化而不是nonatherosclerotic动脉瘤。我们强调这一事实的重要性生物环境周围动脉瘤是平等的在同一主机,只有血流动力学条件是不同的。然而,我们应该注意时间的差异后动脉瘤的起始。

在CFD模拟,典型的简化模型生成了,相关的边界条件设置墙合规和流出条件,和数值技术用于解决控制方程。这些影响被认为是相当小的,如果血管几何是正确建模(23]。测量的体积流入或动脉瘤的体积,我们手动定位脖子上飞机。获得更客观值,计算自动技术应该用于识别颈部颅内动脉瘤(面24]。

一个重要的限制是,我们只研究出现动脉瘤的手术,没有检查标本。虽然在颅内动脉瘤动脉粥样硬化的变化可能是由相同的炎症通路在大血管动脉粥样硬化,他们似乎有不同的病因。例如,脆弱的斑块或出血在动脉粥样硬化斑块内常见大动脉血管而不是在颅内动脉瘤。我们应该努力检查颅内动脉瘤标本使用病理和生化方法和特别注意的炎症反应可能导致动脉粥样硬化改变,虽然几乎没有机会获得标本的动脉瘤壁剪切后同时保持完整的安全。

这个概念验证研究表明使用age-of-blood方法使计算血流动力学分析的详细描述在颅内动脉瘤血流停滞不前。低WSS导致内皮功能障碍。长期居留的血液使炎症细胞或动脉粥样硬化粒子渗透到动脉瘤壁。既可以促进动脉粥样硬化颅内动脉瘤的变化。然而,进一步的研究与一个更大的群体和/或未来的设计应具有足够的统计能力使应用程序计算血流动力学分析,动脉粥样硬化的诊断动脉瘤很难夹和应该接受血管内治疗。

相互竞争的利益

作者没有个人财务或机构感兴趣的任何药物,本文中描述的材料,或设备。

确认

作者感谢若清水博士(日本仙台东北大学研究生医学院)的技术支持。Shin-ichiro Sugiyama, Kuniyasu Niizuma, Teiji Tominaga承认日本教育部拨款的支持,文化,体育,和技术(没有。15559290)。

补充材料