文摘

计算流体动力学集中用于加深了解动脉瘤生长和破裂为了支持医师在治疗计划。然而,许多研究只考虑血管腔内的血液动力学没有找到满意的破裂风险评估标准。仿真模型,可用来提高刚性血管壁的假设已经被丢弃在这工作和特定的壁厚是在模拟。为此,破裂颅内动脉瘤制备体外,紧随其后的是收购当地的壁厚μCT。内部和外部容器表面作为固耦合的固体域(FSI)模拟。比较壁应力分布在动脉瘤壁破裂的网站,FSI计算重复使用一个常数在虚拟模型壁厚的方法。虽然墙上强调了两个当平均在很好的完成动脉瘤sac-are协议,强烈的差异发生在他们的分布。占实际壁厚分布,断裂部位展品更高的应力值相比,配置在恒定的壁厚。这项研究揭示了几何重建的重要性,准确描述FSI模拟的壁厚。

1。介绍

虽然颅内动脉瘤集中调查在过去二十年(1),许多问题仍然需要进一步的研究。特别数值方法越来越多地使用,因为它们使高度详细的了解疾病过程个别病人没有风险。在这方面,计算流体动力学(CFD)的数值方法建立经典工程,应用于人体血管中的血液流动模型(2]。几位作者,调查患者动脉瘤模型关于intra-aneurysmal流模式,确定了今后破裂的危险因素,但结果是不一致的。例如,香等。3)相关低壁面切应力(WSS)动脉瘤出血,而Cebral et al。4)内检测到高WSS的动脉瘤破裂。在随后的评论文章,孟et al。5),两种可能的途径是假定分配低和高WSS关于动脉瘤生长和破裂了至关重要的作用。此外,Cebral et al。6)提出了一个气泡的形成之间的关系和地区高WSS的流压紧区。

然而,由于患者个体属性未知(如脑流速和重要参数下活动)或由于快速计算的要求,所有数值研究是基于一些简化模型。最严重,但常用的假设是治疗腔内血管表面刚性,non-flexible墙与无限的阻力。因为病相呼应的三维分割通常获得的超声造影成像模式,只代表血管腔;获得实际的墙结构的任何信息。然而,一项由Frosen et al。7]表明大脑血管的异质性,特别是当疾病发生。

扩展先前的数值研究通过考虑机械交流血液流动和周围血管组织,固耦合(FSI)进行了模拟。已经在2009年Bazilevs et al。8)提出了一个简单的方法来构造血管壁厚度与变量,根据进口和出口的半径。Cebral et al。9)使用当地WSS刚性井壁模拟估算出壁厚分布,因为它可以诱发血管壁的一些病理生理过程。壁厚之间的相关性及其刚度和给出了破裂的网站。研究Raut et al。10)关注FSI模拟人类的主动脉。他们强烈建议使用的患者,地区不同壁厚,尤其是断裂风险评估。

虽然这些研究是重要步骤现实在颅内动脉瘤血流动力学和FSI模拟预测,没有人认为不同的壁厚。因此,目前的研究,作者的知识,包含第一的动脉瘤破裂的血管壁厚度测量FSI计算。评估patient-specificity的重要性,墙壁是常数的模拟是进行比较。完整的动脉瘤囊内的应力分析预测以及在特定破裂网站地址的问题,是否需要特定的壁厚在相关的模拟。

2。材料和方法

2.1。例描述和准备

与当地伦理委员会批准,一个完整的动脉环(牛)的一名33岁男性病人研究,移植在法医尸检。两个颅内动脉瘤被发现,一个在沟通前动脉(Acom),另一个在颈动脉t .死亡是由于动脉瘤破裂引起的蛛网膜下腔出血。Acom动脉瘤可以明确确定为破裂的,因为它是包含在一个大血凝块和墙上缺陷清晰可见(见图1)。

使外植体的进一步检查和影像,牛被放入甲醛(4%)固定后立即移出。然后,血凝块是仔细用甲醛和动脉被刷新。破裂动脉瘤的成像,大脑前动脉解剖大约10毫米近端和远端前动脉进行沟通。之后,塑胶管插入大脑前动脉,以避免崩溃的腔。塑料使用,因为它有一个不同的x射线密度相对于生物组织,因此下面的后处理步骤,尤其是分割,促进。管被困成硅胶块这样的标本没有联系到硅胶表面。

2.2。图像采集

工业计算机断层扫描对图像采集系统(Nanotom年代180年,通用电气测量与控制、费尔菲尔德康涅狄格,美国)被选中。尽管低对比度分辨率和因此不可能区分不同组织层次的血管壁装置被选中,是因为优越的空间分辨率相对于临床CT和MRI扫描仪。这允许的精确测量壁厚和可视化的内外边界的标本。成像参数如下:150年50 kV,管的管电压电流μ,重建体素7.5×7.5×7.5的大小μ米³。

2.3。分割

两个3 d曲面网格,一个内在的外在的血管壁,从层析提取μCT数据。然后,一个单独的两墙进行了细分。动脉瘤的工作流来源于管道表面提取中描述(11]。最初,基于阈值的分割是应用于MeVisLab 2.8 (AG) MeVis医疗解决方案,不莱梅、德国)(12]。最初的分割是手动修正MeVisLab由于低血管壁,血管腔之间的对比μCT数据以及小工件,例如,独立组织部分或血凝块,由于体外准备。在图2(一个)提供一个例子,显示小动脉瘤内分离的组织部分。

接下来,内部和外部的表面网格提取血管壁与游行立方体MeVisLab基于分割的面具。后处理的表面网格包括手动平滑的小疙瘩和工件Sculptris 1.02(美国洛杉矶Pixologic)。此外,动脉瘤,网点的人为挤压和垂直地削减了搅拌机2.74 (Blender基金会,阿姆斯特丹,荷兰)提供足够足够长和直船部分随后FSI模拟。曲面网格生成的3 d图中描述2 (b)。

2.4。模拟流固

自增长和破裂颅内动脉瘤的复杂问题连接血液流动和动脉壁行为,FSI模拟进行。因此,分段动脉瘤模型分为两个子域组成的流体区域和固体区域,分别。第一个使用CFD数值求解基于有限体积离散化,而后者被视为一个结构性问题用有限元方法。域都是耦合界面,腔内表面。这种耦合是实现数据传输、交换流体压力和WSS以及墙位移,分别。

建模为不可压缩流体,非牛顿(Carreau-Yasuda模型:mPa年代,mPa年代,年代,,,在当地的流变学参数获得实验室)流体密度为1055公斤/米³。流入条件获得一个健康的志愿者使用7 T PC-MRI [13)和缩放的幂律Valen-Sendstad et al。14]。无滑动条件所有墙边界和零压机构被定义。血管壁的变形和耦合流体固体域。后者被认为是使用线性均匀和各向同性弹性材料模型,考虑密度,杨氏模量,泊松比1050公斤/米³1 MPa,和0.45,分别15,16]。根据鸟居et al。17),这个模型是合理调查FSI颅内动脉瘤。常数的壁厚配置将根据平均值0.3毫米为男性患者Costalat et al。18)和通过正常的挤压腔的墙。和媒体的固体域是固定的;所有其他表面是自由的。流体域空间离散的多面棱镜细胞的细胞和五层墙,下面的建议Janiga et al。19]。关于固体域,结构化网格和六面体的元素与二次基函数。解决STAR-CCM + 9.04(美国纽约CD-adapco,梅尔维尔)流体和有限元分析有限元分析6.14(达索系统公司股价Simulia Corp .)、普罗维登斯,罗得岛,美国)的固体域。表1列出了离散化卷的数量,细胞(流体),和元素(固体);这两个图所示3。

流体域的时间步长设置为0.001秒,而固体域可变时间步是有限的耦合时间步0.01 s。两个心脏周期模拟,但是只有第二个从初始化位避免错误。含FSI模拟进行一个标准的工作站,使用四个与3.3 GHz Intel Xeon E3核心和32 GB内存,导致计算时间约30小时每箱。

2.5。定性和定量分析

流体和固体域被认为是后处理。流线和WSS不久提供血流动力学流模式的定性的印象。然而,焦点位于temporal-averaged动脉瘤壁内的应力分布,这是最初的内外表面。进行定量比较,墙出口压力值感兴趣的两个区域:(a)完整的动脉瘤囊(约。29000分)和(b)破裂站点(约。6000点),这是特别感兴趣的由于它的位置。随后,这两个地区的利益spatial-average压力水平计算,分为500 Pa的垃圾箱。

3所示。结果

3.1。定性的比较

提出了图4相比,动脉瘤内的流速是小到父容器。这将导致低WSS整个动脉瘤圆顶。只有在颈部区域高值25 Pa。由于时间上变形是1毫米以下,这里只显示特定的配置。

主要的两种配置之间的区别问题动脉瘤壁内的有效应力。数据5和6比较外和内表面上的压力为常数((a)和(c))和特定的配置((b)和(d)),分别。不仅强调不同级别,但强大的地方是可见的变化,导致不同的结构。特别有趣的是,网站与破裂点的高压力当使用特定的配置(见图6 (b)和6 (d)),而没有特定的观察到在这个地区一个恒定的壁厚是用来计算的。

3.2。定量比较

图7说明了分与完整的动脉瘤囊相关联。压力值绘制直方图阴谋使用500 Pa的垃圾箱。冲(恒壁厚)和固体(不同的壁厚)行显示的高相似性有关spatial-averaged应力水平配置,尽管当地庞大的变化。这两种方法的区别是关于平均只有3.8%,这不是明显的只考虑空间情节。

进一步研究动脉瘤的破裂的网站,现在的定量比较感兴趣的集中在一个较小的区域,在破裂的网站。图8显示了被认为是固体网格节点的选择进行分析。直方图图表明在恒壁厚配置值低于3 kPa,而对于他们达到6.5 kPa的特定的配置分析区域。同样,spatial-averaged强调(虚线和实线在图8)揭示相对偏差为55.2%。

4所示。讨论

关于现实的血流量预测在颅内动脉瘤,重建几何(有至关重要的影响3]。此外,李et al。20.)假设动脉瘤破裂动脉瘤形态强烈相关。在这些研究结果的基础上,适当的几何重建的重要性对动脉瘤的墙力学是在目前的研究中解决。在这方面,一个变量患者颅内动脉瘤血管壁和一个常数,几乎挤塑壁厚都认为使用FSI模拟和比较。调查的配置都是相同的对流体域及其条件。唯一的区别在于壁厚的治疗。这导致几乎没有血流动力学参数的差异。因此,研究集中在墙上的壁力学特别是压力,其分布变化之间的强烈配置,由于局部壁厚的变化。因此,建议FSI的壁厚是一个重要的因素模拟,类似于腔形态的流动特性的分析。

然而,使用不同的壁厚是有限的收购的困难甚至体外。这可能是一个原因,持续使用壁厚在几乎所有类似的研究颅内动脉瘤。然而,承诺模型存在,这墙力学相关,但不考虑壁厚本身。Cebral et al。9)使用价值的当地WSS操纵壁厚和刚度,分别。基于研究结果,又薄又硬壁区域结合异常高WSS断裂与观察到的网站。桑切斯et al。21,22)利用流固模拟来量化的体积在心动周期变化,假设材料属性产生重大影响。因此,大量变异是由弱墙壁,表明增加破裂的风险。不过,这两种方法的应用在这项研究中提出的动脉瘤可能是困难的,因为无论是WSS整个动脉瘤内异常高,也不是受到相当大的变形。

比较的主要焦点在于已知的破裂。不同壁厚的配置好相关景点的高压力,相反恒壁厚配置。后者显示较低的平均应力的55.2%在该地区接近破裂的位置。考虑到整个动脉瘤,高相似度的两种方法的平均壁压力存在;不同的是只有3.8%。因此,壁厚的选择人工常数配置不负责不同的压力水平破裂部位;这是一个不同的壁厚的直接结果。需要指出,然而,它的断裂位置并不与整体最高有效应力值。原因可能是动脉瘤的更复杂的结构组织或周围的血管,并没有考虑在建模。可能有一般危险的应力水平,使破裂取决于墙条件。 However, this was not the objective of this study, which only aims at the comparison with constant wall thickness—a common assumption that is often used in FSI computations. Considering this particular case, obvious differences in the local stresses are observed, pointing at limitations associated with the constant wall thickness approach.

另一个有趣的方面对网站由在其位置的女儿动脉瘤破裂了bleb-like形状。Cebral et al。6]研究了局部血流动力学之间的关系特别是WSS和气泡的形成。根据作者,气泡主要发生在或邻近动脉瘤流压紧区附近区域。在这种情况下,这种假设是合理的;参见图4。此外,WSS下降到一个较低的水平主动脉瘤相比,所观察到的Cebral et al。在本研究的框架,只有最后阶段的动脉瘤几何是已知的和气泡的生长过程仍不清楚。然而,动脉瘤壁内的应力分布可能与气泡的形成。因此,针对病人的动脉瘤壁厚的气泡可能发挥重要作用,深化的理解这个复杂的过程,需要在将来的研究中得到解决。

为了得到数值预测与合理的计算工作,必须接受不确定性和简化,肯定影响结果。关于成像,船舶位置和安排以及固定不同于体内设置。此外,该决议是有限的,虽然μCT为详细的细分过程提供了一个良好的基础。然而,它需要大量的手工消除工件和地方提供适当的容器表面平滑。对于流入条件和墙属性,代表7 T PC-MRI测量和文学价值,分别。必须牢记,均匀,各向同性、线性弹性材料模型在这项研究中的应用是远离真实的,现实中复杂的组织结构随着年龄的函数,活动,地点,生物宪法,等等。然而,鸟居et al。17]指出线性弹性模型可能适用于相应的计算。

未来的工作应该考虑一个更详细的数值描述动脉瘤几何和材料。这可以通过从组织学添加额外的信息,例如,船层和病理之间的区别。周围的组织可能发挥重要作用,被指定的固体边界条件。最后,必须包括更高的病例数,即使获得真正的壁厚是困难和耗时的任务。

5。结论

本研究的结果强调适当的几何重建的重要性,准确的描述局部壁厚对血流动力学FSI模拟。不同壁厚的预测似乎发挥重要作用在动脉瘤壁应力分布。而完整的动脉瘤囊的spatial-averaged墙应力显示几乎没有区别(只有3.8%)可以同恒壁厚相比,高差异(55.2%)观察到周围已知的破裂。尽管有很多简化,提出结果顺向更深一步了解动脉瘤的墙的行为。未来的研究需要和应该包括更多的病例以及更高级的墙的力学建模。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者热情地承认PD伊丽莎白的普尔博士(德国马格德堡大学医院)对她的支持和富有成果的讨论关于组织学检查。这项工作有部分是由德国联邦教育和研究在研究校园内刺激下批准号13 gw0095a。