文摘

腹主动脉瘤腔内修复术是一个主要的外科手术,降低动脉瘤破裂的风险在腹主动脉瘤(AAA)的病人。Endoleak形成,最终需要额外的手术再次手术,是一个主要的腔内修复术的并发症。理解的病因和演化endoleak从血流动力学角度对推进当前是至关重要的为AAA病人治疗后的腔内修复术。因此,全面执行流评估调查endoleak及其周边病态流场之间的关系通过计算流体动力学和图像处理。六个不同的模型重建,对这些模型和相关的血流动力学进行了量化计算三维的墙压力。提供高度的临床相关性,机械应力分布的计算模型与endoleak计算机断层扫描图像的位置确定病人通过一系列的图像处理方法。endoleak可能形成于一个位置当地墙高压力。改善支架(SG)结构构思相应增加机械强度的SG墙应力峰值位置。提出分析范式,以及数值分析使用不同的模型,可以扩展到其他常见人类心血管手术。

1。介绍

患者腹主动脉瘤(AAA)的风险相当高的遭受破坏性的动脉瘤破裂,这是一种发病率和死亡率的主要来源在人类1]。AAA影响8.8%的人口年龄在65岁以上(2]。断裂的风险,这种情况有11%,这个速度指数级增加时,横向动脉瘤的直径超过5厘米(3]。防止突然动脉瘤破裂,平均增大率和突变的发生AAA的大小也是很重要的检查站为后续跟踪医疗(4]。AAA的特点是elastinous成分的降解,胶原蛋白的自适应增长和改造,平滑肌细胞的损失内侧墙变薄,淋巴细胞和巨噬细胞的浸润,和新血管形成5- - - - - -8]。AAA的主要根本原因尚不清楚,但异常流机械应力作用于血管壁的血液循环是一个已知的关键因素,有助于AAA形成和病理演化[8,9]。因此深入调查从血流动力学方面可以提供宝贵的见解推出的复杂因素导致AAA的形成和传播。

患者年龄超过60年动脉瘤直径超过5.5厘米通常建议接受血管内动脉瘤修复(腔内修复术)或开放AAA修理;然而,这些病人应该anesthetically和医学上准备过程(10]。临床试验表明,腔内修复术的30天的手术死亡率降低大型AAA三分之二患者相比,打开AAA修复(10]。腔内修复术可能是一个理想的替代治疗AAA,但长期临床结果必要支持腔内修复术的有效性。在腔内修复术,支架(SG)引导从股动脉动脉瘤凸出来保护的动脉瘤血液流动。这SG可以作为血液流动管道通过动脉瘤囊(11]intrasac消除血液的动脉瘤,因此降低动脉瘤破裂的风险(12]。然而,血液动力学的复杂性和生物力学动脉瘤地区可能导致一些并发症post-EVAR患者;这些并发症包括动脉瘤扩张和破裂甚至在一个成功的腔内修复术(11),血液渗透到动脉瘤壁之间的空腔和SG墙(称为endoleak) [12)、SG迁移和SG失败(13]。

Endoleak形成与SG植入的失败和在临床试验中用作一个端点14]。Endoleaks根据来源可分为五种类型动脉瘤的血流到intrasac [11]。我endoleaks血流类型源于SG附件网站,包括主动脉颈和远端髂附件网站(15]。这种类型,分离发生在SG和本机动脉壁,和方向之间的通信动脉瘤囊和创建体循环;这种情况会导致SG失败(11]。II型endoleaks指血液流入动脉瘤囊逆行方向通过主动脉的分支的部分是没有收到SG。典型的II型endoleaks来源包括肠系膜下动脉和腰椎(11]。类型III endoleaks SG的结构时出现失败(15]。IV型endoleaks贪污造成的孔隙度,通常发现在完成血管造影术在植入病人完全实际上(15]。动脉瘤扩张没有endoleaks称为endotension或类型V endoleak [11]。然而,I型endoleaks是否与持续动脉瘤破裂的风险和需要立即关注医学治疗仍然是有争议的16]。因此,目前的研究集中在I型endoleaks提供直接的临床影响。

电脑断层造影(CTA)被广泛用于检测endoleaks因为该方法的敏感性和特异性高(17]。然而,CTA效果低于常规血管造影endoleak类型分类,因为很难确定血液流动的方向从常规CTA的过程。另一个关心CTA成像是辐射。高辐射剂量的CTA在腔内修复术管理造成潜在的放射性皮肤损伤的风险,后来恶性肿瘤(18]。病人腔内修复术应及早发现损害,防止额外endoleak形成。早期endoleak检测减少了需要不懈的后续通过CTA检查,从而减少辐射。目前的研究使用一个三维(3 d)计算流体动力学(CFD)方法结合一系列的图像处理方法来评估endoleak从血流动力学角度形成。

高度的生理意义是必要的CFD分析模拟人类心血管流精度高。除了生理的一致性实施边界和初始条件,直接匹配的血管几何特性数值模拟和病人之间的数据是必需的。Papaharilaou et al。(2007)评估AAA墙应力在结构上相同的3 d患者AAA模型。他们用三维重建软件和开发了从CT图像(特定的AAA模型19]。类似的概念也被用来创建特定的AAA模型体外流动态评估和墙应力评估通过一个实验流动显示技术(8]。李和Kleinstreuer(2006)研究了影响类型的支架后我endoleak AAA模型通过数值模拟技术。他们的研究表明,有一个空腔压力增加由于endoleak从而增加动脉瘤破裂的概率(20.]。各种类型的后果的endoleak硅橡胶AAA模型尝试基于Lu等人保持生理条件下,和他们的研究表明,endoleak提升了的存在意味着囊主动脉压力的压力。这些不同的模型提供有用的见解对AAA的病理方面的影响下endoleak。尽管许多研究人员强调的影响endoleak动脉瘤,很少有研究报道至今,可以预测位置或形成endoleak post-EVAR患者(21]。为了解决这个问题,作为第一步,在目前的工作中,六个不同的模型都是由病人的CT图像,以提供一个全局视图endoleak及其周边流动之间的关系得出结论在识别可能endoleak位置与高度统计学意义基于血流动力学。此外,合规的动脉瘤壁应考虑在AAA流建模研究AAA级患者的血液动力学(22- - - - - -25]。固耦合(FSI)方法开发两壁效应为AAA血液动力学的仿真。这种方法在2001年首次在AAA建模实现(22),复杂的机械血流和墙之间的相互作用动力学三维自定义模型的AAA病人通过FSI方法计算。一些研究人员也验证的重要性将FSI方法较简单的计算模型使用有限元建模(23,25,26在AAA模拟。FSI方法低估了9%的峰值应力(23],它可以增加到12.5%,如果只使用均匀压力有限元模型(19]。目前存在于一个开放的辩论是否兼容的墙应该考虑在美国科学促进会的流体动力学实验和模拟27]。完成FSI血流动力学的耦合模拟提供了一个新的见解AAA-related并发症的检查,如管腔内的血栓(19),其AAA腔与流的关系。FSI方法在目前的工作,被选为综合流评估提供高精度SG血液动态流动行为。

2。材料和方法

2.1。临床总结

临床信息的六名病人被纳入本研究。所有的老年患者(年),动脉粥样硬化的历史。最大直径的动脉瘤囊的病人被发现厘米。此外,动态造影CT扫描显示I型和II型endoleak的存在。CT扫描对所有患者可用,并获得在台北荣民总医院(台北,台湾)通过CT扫描仪(Aquilion 64、东芝、东京、日本)64片成像能力和每个扫描图像体素5毫米大小的空间方向。每个病人收到120 cc的对比材料之前扫描的速度通过注射4.5 cc / s。这个剂量接种到右手臂的肘脉。bolus-tracking技术应用在动脉相图像重新编码的1.5毫米的间隔。

2.2。3 d特定的解剖模型

提供血流动力学评估结果与高度的临床相关性,六个计算模型与特定的SG几何重建从AAA SG植入患者的CT图像。一系列的图像处理方法用于3 d重建和平滑的表面。特别是,三个软件,即Simpleware (Simpleware有限公司,英国埃克塞特),Geomagic(美国NC Geomagic Inc .)和Pro /工程师(美国MA参数技术Corp .),用于三维重建以及平滑的表面特定的模型。CT图像通过一个强度阈值分割方法提取植入SG的几何特征。然后,图像平滑使用递归进行了高斯滤波器来进一步过滤背景噪音。随后的三维解剖模型在有限元格式,三角形网格的应用形成了重建SG的外壳。一旦SG的3 d模型,应用表面细化算法,和模型的表面和边界随后通过非均匀样条方法理性基础。在文献中可以找到详细的3 d重建(8,9,21,28]。图1显示选定的重建与SG AAA模型的示意图。在目前的工作,病人数据都获得了SG植入后几个月。成年结缔组织细胞和组织植入物。因此,SG是假定有一个类似的物质财产动脉瘤壁。SG壁是由压痕SG周边向外扩张;这堵墙是建模为齐次不可压缩超弹性的各向同性材料的均匀厚度2毫米(19),密度为2000公斤/米³、2.7 MPa,杨氏模量和泊松比为0.45 (29日]。

2.3。计算流体动力学(CFD)分析

FSI方法加上不可压缩n - s方程提供详细的流动模式,专为流体流动在SG附近的准确性,提高在SG墙结构应力分布计算。FSI模拟,流体部队(血液)应用到结构(SG),然后是结构变形改变了流体域。占主导地位的流体变量(压力和速度)和墙位移被选为解决变量的流体流动30.]。施加边界条件和初始流被认为是相同的六个不同的模型提供了一个系统性的调查公布的几何特征之间的交互植入SG和包含血流动力学。血液使用和SG属性也以类似的方式决定的。血视为均匀,不可压缩牛顿流体的动力粘度0.004 Pa和密度的1055公斤/米³(29日]。生理上代表速度流入和流出压力波形建模中应用1.2秒的脉冲时间内(12),和雷诺数(再保险)被设置为2234 (9,31日]。展示网格独立性,细胞再保险计算,收敛了近似的元素数量为155000。元素的总数量在建模中选择为每个病人稍有不同,因为不同的几何性质的患者进行测试。商用软件艾迪娜(艾迪娜水城,MA)是用于有限元分析。•冯•米塞斯应力(压力墙)分布计算和分析对于每个仿真用例代表复杂的应力分布在每个虚拟AAA的墙。·冯·米塞斯应力是源于材料的畸变能用于研究失败和计算的6个组件应力张量(32]。血流动力学的研究•冯•米塞斯应力允许显著解释SG结构流影响,先前的研究证明了墙应力是几个数量级大于壁剪切应力在AAA模型(1]。

2.4。图像处理的CT图像的量化Endoleak几何学

一系列的图像处理步骤是用来描述endoleak的几何特性与SG-implanted AAA模型。Endoleak位置,对SG重心,通过介绍图像处理流量化。结果如图所示2。除了图像二值化,区域(ROI)从原始CT图像进行裁剪。裁剪分割进行增强和隔离的ROI。这一步之后,一系列的图像过滤技术,比如降噪锐化边缘和ROI由模糊变清晰。降噪是至关重要的,以避免工件和保持解剖细节。这个操作是通过替换每个像素的平均像素在一个方形窗口周围的像素。精明的边缘检测是通过一个2 d空间梯度图像上测量,和区域与边缘被高亮显示。这种方法通常被用于确定近似绝对梯度进口的每一点的灰度级图像。endoleaks和SG结构的边缘后,图像形态学操作应用于关闭所有空洞的ROI。随后,每个分段的质心计算结构。 The entire process was conducted with an in-house imaging processing Matlab (MathWorks, Natick, MA, USA) programming code.

2.5。匹配指数

六个不同型号的AAA与SG重建小心,因为他们的高几何不规则。每个SG的墙沿高度应力分布结构是通过FSI计算。提供重要的临床意义,endoleak CT切片图像选择并与相应的片墙应力分布来确定可能的相关性endoleak和当地墙压力峰值。片和位置匹配之间的墙应力峰值和SG endoleak外观结构中突出显示的数字3和4。报道位置协议的程度进一步量化和作为一个匹配的索引使用 在国网公司表示SG的重心。

3所示。结果与讨论

3.1。壁应力分布在特定的模型

墙应力分布在六个不同的模型计算(图3)。分布是复杂和大型的地区差异以及每个模型的长度。一般来说,墙应力峰值集中在地区相对较高程度的扭结和弯曲的分岔,以及进口和出口附近的模型。这些发现也同意以前公布的研究结果,更高的壁面切应力是证明这些提到的地区(12,33]。最大计算壁应力范围从0.81 MPa模型我0.2 MPa模型六世因为模型结构的变化即使在相同的边界条件。此外,计算壁剪切应力值与先前的研究结果相似级(20.),作者证明墙应力升高0.3 MPa的分叉点附近的SG模型。在模型我,当地最大的墙应力是位于一个女儿的后壁分支区域。峰值大小相当接近分支插座和柱头地区相对比SG(前区域)。值得注意的是,这个压力峰值出现只有一个女儿。这个结果表明,应力分布不对称的两个女儿分支。对称的出口压力边界条件应用到两个分支;因此,这种不对称墙应力分布的主要贡献是SG几何之间的差异。第二墙分布模型的进一步分析表明,峰值集中不仅在SG进口和出口,而且前壁的分岔。峰壁应力计算0.66 MPa。分布式墙应力集中在这些提到的位置; hence, additional attention should be given to these regions in terms of mechanical strength reinforcement of the SG. Consistent wall stress distribution was found in models III, IV, V, and VI. Aside from the wall stress concentrated on the previously referred locations, local peak wall stress was also found along the length of one daughter branch in model V. This result can be attributed to the fact that the SG was significantly oriented out of the plane in the posterior end of this daughter branch with respect to the anterior side. The flow was diverted significantly, which resulted in high local wall stress distribution due to the pronounced flow impingement on the posterior wall.

3.2。Endoleak和墙应力峰值位置之间的相关性比较

李和Kleinstreuer (2006) (20.)计算模拟支架后的I型endoleak AAA模型,表明存在endoleak最大化EVG墙分叉点附近的剪切应力,同时减少其大小,当然不同的假设有海拔EVG壁剪应力对应endoleak位置。钻研endoleak形成的可能的发病机制,endoleak和墙应力峰值的位置被量化。因此,每个病人的CT图像块匹配的墙应力峰值位置对应的三维仿真模型综述了通过图像处理和量化。获得endoleak位置与墙应力峰值的位置,结果如图所示4。在图4(一),第一个临床患者数据和建模结果表明,一个endoleak出现在远端SG的区域。我们测量的二维CT图像endoleak(黄色)中概述是位于265°的SG女儿分支重心(表示为红色实心点)。这个位置非常接近230.9°墙应力峰值对SG女儿分支重心在建模的结果。这个位置协议(14.8%)的匹配指数揭示了一个可能的相关性endoleak形成和局部集中壁的压力。然而,不止一个墙墙上发现压力峰值应力分布。另一堵墙应力峰值位于右边的SG重心没有endoleak外观。这些结果表明,endoleak形成可能发生在当地的墙压力高。

进一步调查的第二个病人数据集显示endoleak同意与墙应力峰值位置,只有4.4%(图的匹配指数4 (b))。不符合前面的第一个病人数据集的endoleak被确认在女儿分支的地区之一,endoleak出现在分支的顶点第二个病人数据集。缩小SG直径被发现在当地的几何endoleak周围地区。这扭曲的几何可能会增加当地墙压力和随后引发endoleak形成由于高机械负荷作用于SG结构。不同的边界条件,如当地的水动力学和SG的力量,应该考虑验证导致endoleak形成错综复杂的影响。第三个病人数据集如图4 (c)。准确的泄漏网站SG是很难识别的CT图像,因为endoleak分布在两个SG分支。另外,中间点的endoleak边界接触两个SG分支界限被选为泄漏。匹配指数计算是12.5%,这仍然是在可接受的范围之内的。发现了类似endoleak几何边界的细长通过女儿SG(图的分支4 (d))。再次确认了中间点,其位置与墙的应力峰值的SG女儿分支。匹配指数测量在这种情况下是5.2%,这显示了一个很高的位置匹配endoleak和墙之间的压力峰值。第五个病人数据集如图4 (e)与职位匹配发生在SG女儿分支endoleak和墙之间的压力峰值。具体来说,endoleak网站是由一名有经验的放射科医师(提出研究的主要作者)通过考试的顺序CT片。次生壁压力峰值再次出现在对面的墙应力峰值网站调查。然而,没有发现endoleak这次生壁附近的应力峰值。因此,墙上的匹配指数计算应力峰值的验证endoleak接近9.4%的价值。另一个病人数据集如图4 (f),endoleak和墙应力峰值被发现女儿SG的分支之一。匹配指数计算在这种情况下是6.0%,表明之间的匹配程度高的位置endoleak和墙上的压力峰值。病人数据表明,一个好的协议之间存在位置endoleak外观和当地墙压力峰值。

表1提出了一种位置比较总结评估通过匹配指数计算的六个病人的数据集。以下描述的结论性的观点是。首先,计算匹配索引值从这些数据集是在一个高水平的协议从4.4%到14.8%不等。这些一致的结果支持的想法endoleak形成是因为当地的高墙压力由当地流和SG结构相互作用。这一发现可以有利于更好的SG设计减少的可能性中等切口植入SG先前的失败造成的。辐射的影响在典型的长期随访护理使用CT成像因此可以省略。然而,密集的调查应该关注特定病人的血流动力学。结果的精度可以通过考虑增加流动边界条件的病人在建模墙应力分析。第二,endoleak形成可能发生在女儿SG的分支,在墙上压力通常是扭曲的几何的高,因为这两个分支。因此,SG设计阶段应主要考虑减少endoleak形成的可能性。 Third, a significant barrier was posed while searching for the exact leaking point from the SG for the endoleak angle calculation. A well-trained radiologist or clinic physician should assist with the endoleak identification. An efficient imaging-based method that can capture the dynamic blood flow behavior nonintrusively is necessary to accurately identify the endoleak position. Moreover, the image processing steps, such as image segmentation and 3D reconstruction, are labor intensive. Thus, future advances in automatic imaging software development are warranted to reduce processing time and human errors in this regard. Experimental flow visualization tools, such as particle image velocimetry, can be used to provide a validation test case as a follow-up study in revealing the causes of endoleak formation.

3.3。限制

当前研究的主要局限是血栓的机械性能没有考虑在计算分析。动脉瘤血栓负荷大大影响支架内的血流动力学和可能发展endoleak [34,35]。然而,这些生物力学属性因人而异很难考虑这些属性计算,因此被排除在外。将进行额外的研究在这方面曾经上述问题得到解决。

4所示。结论

匹配的索引值的6个病人数据集都低于15%计算。这个发现显示的位置之间的高度相关性endoleak和当地墙压力。这个调查是通过执行一系列的成像处理方法分析病人的CT图像不干扰的方式与特定的模型墙应力计算。提出了分析范式与高可靠和健壮的临床意义。这项研究的结果可以作为未来改进的SG的基础设计,以减少SG手术的可能性。尽管有一些局限性,提出技术可以扩展到其他地方感兴趣的血液动力学。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是通过科技部支持台湾的合同。大多数105 - 2628 - e - 006 - 006 - my3和104 - 2221 - e - 006 - 169 (Chia-Yuan Chen)。作者要感谢Kuang-Ting刘,刘Hsing-Hung林,Yen-Heng成像分析和建模验证他们的支持。这项研究是在教育部支持的部分,台湾,通过目标顶尖大学项目国立成功大学(国立)。