文摘

不同的预处理和参与脑动脉几何图形的研究从ct血管造影(CTA)重建。三维计算流体动力学模型被用来研究前后脑动脉的血流动力学现象在现实条件下动脉瘤的手术。CFD模拟不可压缩牛顿流体的层流进行利用商业软件ANSYS v15,刚性血管壁的假设。研究发现,流动模式与动脉瘤内的复杂的旋涡的结构是相同的。我们还发现,流入急流是强烈的动脉瘤囊presurgery模型,而参与模型的流模式完全不同于那些在presurgery模型。模型1的平均壁剪应力手术后大约三倍,手术前,虽然它是大约二十倍模型2。低WSS的面积模型2中的女儿囊状动脉瘤地区与动脉瘤破裂。因此WSS动脉瘤地区的分布提供了有用的预测动脉瘤破裂的风险。

1。介绍

脑动脉瘤是一种疾病引起病理食道扩张的血管壁经常发生在动脉分支动脉环。脑动脉瘤的最严重后果是动脉瘤破裂引起的蛛网膜下腔出血(1- - - - - -4]。自的颅内动脉瘤患者在日常生活中不会显示任何症状,检测颅内动脉瘤及其预防和治疗非常困难。最近的增强技术的成像诊断系统,如ct血管造影(CTA)和磁共振血管造影(MRA),促进了颅内动脉瘤的检测,因此允许早期治疗预防蛛网膜下腔出血(5,6]。

之间存在相关性的大小动脉瘤破裂的可能性;例如,动脉瘤越大,越有可能是会发生破裂(7,8]。然而,由于动脉瘤的大小和形状随患者,评估基于这些因素破裂的风险是有限的(9,10]。由于蛛网膜下腔出血的预后仍很难预测,增加预防性手术。目前的治疗方法包括手术动脉瘤颈部和血管内卷的剪裁,但这些手术的风险和并发症如中风和动脉瘤破裂。到目前为止,动脉瘤的大小和位置和多重性和患者的年龄、家族史、和医疗历史被认为是主要因素决定是否应该进行手术。如果动脉瘤的直径大于5毫米,手术通常推荐(11,12]。根据研究堰et al。10动脉瘤的平均尺寸是8.7毫米,在可能发生破裂。

尽管动脉瘤的机制启动、发展和破裂尚未完全了解,血管壁血流动力学力量之间的相互作用是公认的危险因素。脑动脉瘤形成的过程、发展和破裂被认为是与血液动力学有关。内皮细胞可以有能力检测流体壁面切应力(WSS),因此调整其空间组织的血流动力学环境。先前的研究[8,12)表明,一个统一的剪切应力场导致内皮细胞伸展和流动方向一致。另一方面,低和振荡剪切应力场引起的不规则形状和失去细胞的取向。因此,WSS的低和振荡模式促进内膜的壁增厚以及动脉粥样硬化(1,4,11]。许多在体外和数值观察(13- - - - - -15]报道WSS发展的影响,增长,破裂颅内动脉瘤。

根据高流动理论(4),高架WSS可以启动墙改造和削弱墙由于异常剪切应力场。相反,低流理论解释说,低血流量在动脉瘤可能导致血液停滞在圆顶。功能障碍的红细胞(红血球)的聚合,积累和粘附的血小板,白细胞沿着内膜的表面诱导的血液停滞。这个过程可能引起炎症,导致动脉瘤壁削弱并最终遇到动脉瘤破裂。

脑动脉瘤通常发生在外层线形、分岔和脑动脉的分支点。研究表明,这些地区的血液流动具有复杂的流动模式,如强烈的二次流和流动停滞(1,2,16]。特别是,WSS的分布作用于动脉壁定期大小增减。动脉瘤的纵横比越大,越小WSS的圆顶。低WSS内皮表面凝固血液细胞,包括红细胞和血小板,并导致内皮细胞功能障碍和损失。据预测,WSS低会导致动脉瘤破裂的内皮细胞损伤,血栓、炎症动脉瘤墙上。

动脉瘤血流动力学部队行动以来,血流动力学因素,如WSS,动脉瘤,压力和二次流模式,动脉瘤破裂的重要参数。这些因素不仅强烈依赖的几何动脉动脉瘤的形状也。本研究的目的是比较前后脑动脉的血流动力学现象在现实条件下动脉瘤的手术。探讨脑动脉瘤的血流动力学特点,针对病人的预处理和参与脑动脉几何图形从医疗数据重建和血液流动模拟使用计算流体动力学(CFD)。

2。配方的问题

2.1。血管模型重建

医学研究中的数据都是通过收购DSA(数字减影血管造影,Axiom Artis西门子医疗系统、德国)Chung-Ang大学医院的两个病人。从医学图像,生成合适的几何模型来进行所需的血液流动模拟。从DSA图像产生体积数据组成的101片2172×1860像素的图像。模拟软件进口这些DICOM医学数字成像和通信图像文件重建脑动脉瘤模型。扫描的切片厚度是9.11μm。加载图片文件到模仿后,用户可以看到图像的轴向(飞机),冠状(),矢状()方向。最重要的第一步把图像文件转换成3 d模型是一个细分的过程。在细分用户创建3 d模型基于灰值在这些DICOM文件使用的阈值。用户可以使用“区域增长”工具来删除任何浮动像素图像和血管的骨分离。最后从医学图像的几何模型来自DSA如图1和2获得使用图像分割和三维模型创建,如前所述。这两种情况下的模型1和2是动脉瘤破裂,所以这些治疗动脉瘤血管内卷(指的是红圈的数据1和2)也称之为血管内手术。

在模型1中,血液流动从M1段左大脑中动脉(MCA)将左侧大脑中动脉分叉和流入的上级部门MCA伪劣左MCA分工。相比之下,模型2显示了直接在左侧远端椎动脉血液流动。动脉瘤破裂的可能原因是长宽比,大小和位置以及女儿囊的形状。在模型2中存在女儿囊红星在图所示2(一个)。

2.2。计算模型和模拟

从模拟生成的几何图形是导入到ANSYS workbench进行预处理,处理和后处理。虽然血液的非牛顿行为,它被认为是牛顿流体,因为没有显著差异之间的大动脉血管WSS牛顿和非牛顿例(3,15,17]。此外,非牛顿效应可以忽略不计,如果雷诺数范围从100年到850年(18]。刚性脑动脉壁的假设是用来简化计算。因此,质量和动量守恒方程为不可压缩牛顿流体忽略体积力的影响,如重力,可以写成 在哪里,,表示血液速度矢量,血液密度(1050公斤/米³),和血液动态粘度(0.0035 Pa-s),分别。

边界条件如下:由于没有针对病人的血流信息,如图生理速度剖面3在进口(1]。每个时间步进速度可以计算使用零阶插值法(指ANSYS流利的使用手册)。生理髂动脉和肾的出口压力将有所不同。然而,我们没有任何的压力信息插座在髂和肾动脉。因此我们假设零压力出口边界采用,并无滑动条件应用于动脉壁表面。入口速度均值在0.35和0.61之间变化在1 m / s心动周期。雷诺数的最大、最小和平均血流量率大约是220年,124年和154年,分别。收缩期峰值发生在流动如图3。Womersley数,,被定义为。代表的角频率和脉动的流是进口的直径。在这个仿真,Womersley数量大约是0.823。在图35个不同的时间()选择分析血流动力学行为。大脑中动脉的流入在进口加速在入口速度的早期时序波形,年代,达到最大的0.61 m / s年代。在这一点上,速度大小开始下降,下降到0.42 m / s年代。然后,血流量的轻微震荡区间0.38 (和0.35米/秒(年代)。

使用商业软件的控制方程是解决方案流畅,ANSYS 15 (ANSYS Inc ., Canonsburg PA)。快速方案用于离散化变量使用庇索的速度和压力(压力隐式与分裂的运营商)算法。隐式呢一阶时间步的计划是用于计算,每个时间步的最大迭代被设置为2000。

建立网格独立我们的计算结果,我们已经测试了范围广泛的网格密度。模型1典型的网格用于计算结果包含156万个元素的细胞,而对模型2适应网格元素是187万细胞的数量。在这个网密度,WSS的偏差值相对于细孔网小于1%。通常的网格大小,dx,大约是1.7410⁻⁴~ 8.7710⁻⁴毫米。

获得稳定的解决方案,计算执行四个心脏周期和第四个心动周期的结果用于分析以减少数值错误相比,结果在第三个心动周期小于1%。连续性和速度残差的收敛宽容被设定为10⁻⁵。电脑用于模拟是基于Intel®核心™i7 - 3770 k与3.5 GHz处理器时钟速度和32 GB RAM内存运行在64位Windows 7。计算域的仿真时间用于研究约96 CPU时间。

3所示。结果与讨论

3.1。流结构比较之前和之后的动脉瘤手术

数据4和5显示血管的流线与动脉瘤手术前后模型1和2。流的一般特征的几何图形的动脉瘤模型1和2是复杂的流动模式与多个漩涡。跟presurgery模型不同的是,手术后的流结构几何图形显示简单的流动模式。presurgery模型1中,可以看出,左大脑中动脉的血液来自M1段打左边的上级部门的外墙MCA左侧大脑中动脉分叉。在加速和收缩峰值和0.08(见图4(一)和4(b)),血液是主要介绍了MCA的上级部门。然而,在减速和舒张中晚期(见图4(c)和4(d)),血液流蔓延在整个地区的动脉瘤和演示复杂流动模式的形成。结果,这导致螺旋流结构和循环走向左MCA分工低劣。血液通过颈动脉瘤的飞机可以影响该地区向上级部门MCA在左侧大脑中动脉分叉了。

在参与模型1,如图4(e) ~4(h),来自M1射流段左MCA的脖子可以影响动脉瘤在左侧大脑中动脉分叉。然后流几乎均匀地分为左MCA的上级部门伪劣左MCA分工。沿着外墙的大小再循环区在左MCA的劣质部门增加血流速度降低。参与模型1中传入的喷射分布均匀传播领域的动脉瘤,而流入喷气对小区域在动脉瘤囊包含在图的垂直结构4。

在比较流分布和模型时间均在图25顺利,可以看出,血液流经左侧远端椎动脉动脉瘤地区除外。在presurgery模型2中,结果表明,强劲的螺旋流生成内动脉瘤。参与模型2,来流有离心力进口地区由于曲率和血液导致对手术区域的影响。

数据6和7显示结果的压力分布在动脉壁和参与模型1和2。presurgery模型1,最高压力徒在拐角处左颈动脉瘤在左侧大脑中动脉分叉。然而,最高压力发生在右侧颈部切除动脉瘤的劣质离开MCA分工参与模型1。模型2,峰值压力可以看到出现在左边的动脉瘤颈部区域。相信动脉瘤的惯性增加在该地区,而最大压力行为增加势头由于强烈的血管曲率。

基于模型1和2的结果,我们可以看到,流入急流presurgery模型飞到动脉瘤囊更强烈的参与模式。强劲、集中急流presurgery模型有一个强有力的影响小动脉瘤的表面。另一方面,流动的模式参与模型相当。例如,流入急流在参与模型扩散更快。因此,喷射流冲击更广泛的地区在动脉瘤和影响并不严重。

3.2。在动脉瘤壁剪切应力前后手术

WSS等血流动力学部队以来,压力,和流动模式,对动脉瘤动脉瘤破裂的重要因素,WSS变化取决于容器几何和动脉瘤不规则。搜索引擎优化和Byun [15]提到,通过增加动脉瘤的长宽比,周围的WSS的圆顶动脉瘤变小和损伤内皮细胞,从而导致动脉瘤壁的炎症。因此,可以预测将发生动脉瘤破裂。

如果动脉瘤的大小大于10毫米和纵横比大于1.610),动脉瘤破裂的概率很高。宽高比,定义为(c - d) / (a - b)行,动脉瘤模型1中2.04,模型2的长宽比是1.58。根据这些标准,模型1相比可能会破裂模型2。

图8显示了WSS分布沿着黄线(1号线)preaneurysm和postaneurysm双方在五个不同的时间点。preaneurysm模型1,WSS的大小在上级部门的喉咙左MCA血流峰值由于撞击的动脉瘤。穹顶,WSS会急剧下降由于低流速和流循环。WSS的平均价值在圆顶线为最大流量(3.64 Pa),而平均WSS 2.14 Pa。Fukazawa et al。19)报道,平均WSS圆顶是2.27 Pa。postaneurysm模型1,WSS的大小增加到43.8 Pa和19.7 Pa在。先前的研究[20.,21)表明,WSS健康大脑中动脉的大小大约18 - 22。特别是,Lindekleiv et al。22)发现的最大WSS 33.17 Pa在女性大脑中动脉分叉血液速度0.75米/秒。甚至很难比较不同模型和Lindekleiv等人理想化模型(22]。MCA的最大WSS高出24%相比,我们的模拟的结果Lindekleiv et al。22]。

与模型1、模型2中的非常低WSS的小于2.5 Pa可以看到圆顶区。WSS低丘地区因为血液速度缓慢,而模型1中的血液流动分离在两个方向上的地方血流动力可以冲击。然而,可以看出WSS作用于模型2的血管手术后的最大107.36 Pa和最低42.37 Pa。比较的模型1和2之间的几何形状,可以看出,正常血管模型2中的WSS手术后大约3倍的模型1。

在我们的研究低WSS圆顶沿着1号线在图中找到1符合CFD研究Shojima et al。12]。图9显示了模型1和2的WSS分布在四个不同的时间手术前。在图9WSS动脉瘤模型1的表面在高峰流量,分布不均。然而,WSS分布与复杂流模式(参见图发生了极大的改变4(d))在舒张期阶段。此外,整个地区的动脉瘤被暴露在低WSS。

由于压力梯度(参见数据7(一)-7(d))有利的左侧远端椎动脉,血流在该地区是统一的,如图5(一)-5(d)。因此,在整个心动周期左边WSS远端椎动脉是均匀分布在模型2。WSS的异构分布动脉瘤的地区(见图所示9(e) -9(h))。血流速度降低,可以看出,该地区的低WSS的女儿囊状动脉瘤由红星presurgery模型表示在图22扩大。它更可能导致这个地区的动脉瘤破裂。

4所示。结论

本研究的目的是探讨手术前后脑动脉的血流动力学特征的现实流条件下动脉瘤。我们进行计算流体动力学模拟从CT图像几何图形生成特定的几何图形前后采取手术。研究中的两个病人接受脑血管造影术使用图像处理与三维重建软件开发的3 d设计和建模的实现。非定常流的区别、压力和WSS pre -和postaneurysms模型在本研究的特点。

即使血管几何十分不同,本研究发现,流动模式与动脉瘤内的复杂的垂直结构是相同的。流模式模型1和2的结果手术后是完全不同的。研究还发现,最高压力发生在远端颈动脉瘤。模型1的平均壁剪应力手术后大约三倍,手术前,虽然它是大约二十倍模型2。模型1和2之间的比较表明,正常血管模型2中的WSS手术后大约三倍比模型1。

WSS的最大值出现在左大脑中动脉近端上级部门的远端动脉瘤颈的模型1和模型2。在舒张期阶段WSS动脉瘤地区的大小和分布模型1和2明显减少,扩大。特别是低WSS的面积模型2中的女儿囊状动脉瘤地区与动脉瘤破裂。因此WSS动脉瘤地区的分布提供了有用的预测动脉瘤破裂的风险。

本研究有局限性。虽然血管壁弹性在这项研究中,我们不考虑血管的弹性。然而,相信合规的血管可能有重要作用影响血流动力学变化。边界条件在进口和出口处标没有特定的但从高雄应用等。1]。的研究也只看到了两个病人模拟大气压力的渠道。考虑弹性和真正的生理条件下,我们希望执行模拟未来分析。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这是由格兰特sg(探索性研究小额赠款)通过韩国国家研究基金会(NRF)(批准号2015 r1d1a1a02060227)由教育部(MOE)。