文摘

颈动脉分叉倾向于发展动脉粥样硬化狭窄可能干扰大脑血液供应。在动脉堵塞的情况下,最常见的临床解决方案是通过颈动脉内膜切除手术去除菌斑(CEA)手术。手术后动脉关闭沿着前沿主要使用闭包可能导致动脉狭窄和限制血液流动。另一种方法是修补血管成形术,需要长时间和导致更多的在手术并发症。本研究使用与固耦合数值方法(FSI)来探索和比较这两个方案在血液动力学和动脉壁的应力和应变场发达。

1。介绍

颈动脉分叉往往形成动脉粥样硬化狭窄,这可能会干扰大脑血液供应,会导致昏迷,血流动力学干扰,中风,甚至死亡。常见的临床解决方案是通过颈动脉内膜切除手术去除菌斑(CEA)手术1),在美国每年约100000届经济表现(2- - - - - -4]。很少有方法闭包(时间均5关闭,首选技术仍然是一个争论的问题(6,7]。

CEA手术常与内膜的增生(8]或动脉粥样硬化的进展动脉重建区(9),由于炎症过程由于外国材料在血管重建10]。

常规缝合关闭(主要)是最简单的方式关闭一个动脉切开术,导致小动脉直径和增加结构的刚度。因此,常规使用补丁贪污一直提倡减少再狭窄,中风和死亡(11,12]。补丁血管成形术可以减少直接的术后并发症的风险,导致一个更大的颈动脉直径,并显著降低血管再狭窄和闭塞率(13),尤其是在女性(14]。

然而,修补缝合的过程花费的时间,因此在手术过程中可能增加中风和死亡的风险。此外,关心的是提出的自然形成血栓的常规使用补丁和保护作用,特别是从晚期再狭窄15]。补丁血管成形术也伴随着特定的并发症,如补丁破裂或扩张,增加感染的风险(16]。此外,颈动脉斑块显示促进不规则新生内膜衬与著名的增殖活动(17]。

根据曼海姆的统计研究等。18),2年restenosis-free率是97.6%为主要关闭补丁血管成形术比90.9%。然而,总体死亡率或发病率关闭程序(都是类似的,13,19,20.]。因此,使用补丁移植今天只有患者靶向选择性很小(< 4毫米)或高度限制和曲折的船只7,20.]。

有几种类型的补丁修复补丁等(机织涤纶或聚四氟乙烯),静脉补丁,和生物材料补丁(牛心包)[6,21]。静脉补丁被认为是首选之一,由于其高依从性和生物相容性14];它的主要缺点是需要额外的切口来获取它和偶尔的恶化与动脉瘤的扩张和破裂16]。立即修复补丁的优点包括可用性,避免额外的切口,和保护其他心血管手术的静脉,以供将来使用。的主要缺陷修复补丁thrombogenicity更高,增加感染的风险(22),和更高的感染风险6]。牛心包补丁最近证实高耐用性和更好的长期存活率,相比其他补丁23]。总的来说,尽管使用生物补丁的偏好,但临床结果与大多数可用合成补丁目前类似足以防止任何特定一个明确的建议(6]。

一些研究利用计算流体动力学(CFD)探讨血液流态post-CEA地区在特定的几何图形。哈里森et al。24)显示,合并的一个补丁确实增加了动脉直径,但却是更大领域的矮墙剪切应力(WSS)和high-oscillatory剪切指数(OSI)分岔,因此,其好处是有问题的。同样,Guerciotti et al。25)和Domanin et al。26]分析了WSS,涡度、时均OSI和相对停留时间(RRT)。根据这些研究,病例与主缝合导致更好的血流动力学参数和扰动流较小的地区相比,补丁贪污案件。尤其是OSI和RRT值高出一般在补丁贪污情况下对主关闭,尤其是对高颈动脉或当灯泡的动脉切开术主要地区。

尽管这些研究讨论了关闭的方法对血流的影响血流动力学支持临床决策,并提供一个血流动力学洞察补丁并发症,他们忽略了生物力学影响动脉组织和人工嫁接。过度的压力和循环压力相关补丁狂喜的风险,动脉瘤,壁损伤,再狭窄,不规则的血管内膜衬27]。Kamenskiy et al。22]使用固耦合(FSI)数值模拟探讨组织应变和应力除了WSS参数模型与不同的补丁类型,宽度和位置。在他们的研究中,他们发现,窄补丁优于宽补丁,和前动脉切开术优于侧动脉切开术。

据我们所知,没有研究调查了生物力学方面的主缝合修补血管成形术相比。在这项研究中,我们使用FSI数值模型为了检查血液动力学和生物力学方面的补丁程序相比,主要的缝合。

2。方法

2.1。案例研究和模型几何

FSI数值模拟使用的研究探索血液流动和颈动脉的墙在五个不同的动力学模型。表中列出的检查情况1。

表1
病例研究。

健康和参与分岔模型的几何规格是基于数据指定的大作和塔(28)和17 et al。29日]。几何图形是理想化的代表一个典型的模型框架内的解剖变异。几何尺寸如图1和详细的表2。流体和结构域模型的图所示2。


图1
几何的动脉分叉。
表2
分岔模型的几何尺寸。

图2
液体( )和结构( )中指定的域和相应的边界条件(方程(1)- (3))。
2.2。数学模型

血液被认为同质和牛顿流体的粘度µ= 0.0035克/厘米⋅年代和密度ρ= 1.05克/厘米3。流动是层流,动脉壁是线性弹性的弹性E= 5×106达因/厘米2和泊松比ν= 0.499 (30.]。小位移假定/微小应变公式。补丁和缝合参数表中列出3。

表3
材料属性。

流体的流量和压力场域( )计算通过求解流体域的控制方程为层流,牛顿,和不可压缩流nongravity字段: 在哪里 静态的压力, 是速度矢量, 是时间, 是流体密度, 动态粘滞度。

固体域的控制方程( )拉格朗日动量守恒方程: 在哪里 柯西应力张量, 是向量的结构位移, 墙上的密度, 代表了身体力量应用于结构。

我们使用人工边界条件(BC) (22,31日流体域如下)。规定的速度条件 强加在ICA和ECA网点(标记为 和 在图2),反映出一个典型的生理波形(30.)一个正常的健康的人体心率的60 bpm,如图3。CCA入口( ),无应力条件,因此CCA流实现从质量守恒。此外,一个典型的生理时间压力,如图4根据120/80毫米汞柱的收缩压/舒张压: 在哪里 是表面的正常压力。公元前的结构域是固定的( )在边缘上 ,和无压力条件( )设置在外层的脸吗 。


图3
时间流在三个动脉网点(CCA、ICA和ECA) [30.]。

图4
对动脉压作为时间的函数(30.]。

BC FSI接口( 和 )州(i)位移的液体和固体域必须一致,(ii)牵引在这些边界必须平衡,和(3)流体遵循无滑动\没有突破的条件。这些条件在下列方程: 在哪里 , , ,和 墙结构,流体应力张量,分别和墙位移。

2.3。数值模型

商业使用的模拟包艾迪娜(艾迪娜研发有限公司诉9.0.0)解决数值控制微分方程(方程(1)和(2)使用有限元素法(FEM)。

流体域( )使用三维网状1圣阶四面体元素,并使用三角形的3 d结构域是网状2nd阶四面体元素。几个网格和时间步长进行独立测试,从几个数值模型的模拟结果与不同的网格和时间步骤比较(附录)。基于这些测试,数值模型选择与∼100000流体元素和∼20000结构元素。每个心动周期由28个0.035秒的时间步骤,和automatic-time-stepping过程用于细分装载步骤在必要时增加。三个心脏周期计算获得结果独立于初始条件。第三个周期计算的结果完全周期。收敛达到当所有质量,速度分量,和能量的变化,从迭代到迭代,实现小于10−5均方根误差(RMSE)。

三个网格模型(健康、缝合和补丁),如图所示5。缝合或修补元素(图中红色标记)完全连接到动脉元素(绿色)。在缝合模型中,817个元素被定义为“缝合”,修补模型,5790个元素被定义为补丁。缝合或修补元素被定义为完全连接到动脉的元素。

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图5
健康的动脉的网格模型(a),缝合(b)和(c)。

艾迪娜迭代解算器是用于FSI耦合(32]。流体和结构动力学解决迭代直至收敛达到或迭代,直到它达到150。FSI算法包括线性模型墙位移和压力。为了控制下的移动网格的变形流动领域,场(ALE)方法是定义在几何实体。ALE方法集成的欧拉描述流体域与移动网格使用曲率修正的拉格朗日公式(32,33]。牛顿迭代法解决节点矩阵(34,35]。一阶欧拉向后隐式时间积分法用于行进。

2.4。检查参数

模拟研究了几个血流动力学和生物力学参数为了解决补丁的影响在颈动脉分叉或主缝合,包括有效应力、流动模式,时均WSS(鞭打)和OSI。这些参数被称为关键因素在动脉阻塞和血栓形成36]。

壁动脉组织的应力计算和人工移植血液粘度的产品和当地速度梯度的方向当地表面正常( ):

鞭打和OSI计算根据方程(6)和(7): 在哪里 代表了瞬时WSS向量和 代表心动周期的周期。

3所示。结果

3.1。结构的结果

墙的有效应力计算每一点根据·冯·米塞斯标准。发现在所有情况下,高有效应力分岔的起源和分岔结(数字6和7)。在缝合和补丁中、低弹性的情况下,有更高的有效应力(值高于70 kPA)沿着缝合线。的灵活性高,应力分布就像健康的情况下的值。

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图6
有效stresses-top视图健康的动脉(a),缝合(b),高灵活性补丁(c),中灵活性补丁(d)和低灵活性补丁(e)。
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图7
有效stresses-cut视图健康的动脉(a),缝合(b),高灵活性补丁(c),中灵活性补丁(d)和低灵活性补丁(e)。

4所示。流体的结果

图8礼物中腔速度矢量在放大视图的五种型号的灯泡后最大流量t= 0.385秒。在所有五个情况下,一个循环区出现在分叉外一侧的灯泡。在健康的情况下,再循环区很小,大部分的流动是单向的。模型的主要缝,小直径导致持续的速度流离开房间少一条狭窄的涡与再循环。补丁模型中,虽然球直径宽,水流有足够的空间,更大的直径可以促进一个大漩涡,接管几乎整个球空间,这妨碍了轴流流。

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图8
速度vectors-magnified视图健康的动脉(a),缝合(b),高灵活性补丁(c),中灵活性补丁(d)和低灵活性补丁(e)。

图9礼物上壁剪切应力(鞭打)和图10介绍了振荡剪切指数(OSI)分布在五个模型。更低的鞭打和更高的OSI值大多出现在灯泡地区和OSI值鞭打和高值低的很少被发现在主缝合(尊重和其他情况下),因为较小的直径在灯泡。

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图9
WSS定在健康的动脉(a),缝合(b),高灵活性补丁(c),中灵活性补丁(d)和低灵活性补丁(e)。
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图10
OSI健康动脉(a),缝合(b),高灵活性补丁(c),中灵活性补丁(d)和低灵活性补丁(e)。

5。讨论

高浓度强调在缝合和low-flexibility补丁情况(数据6和7)。应力集中是一个不连续的结果的材料属性补丁和动脉壁的缝合。高效应力值也发现在分叉路口。值(-70年0.5 kPa)同意报告的值Kamenskiy et al。22]。应力集中在人工移植可能意味着破裂的风险更高。高压力可能会导致动脉粥样硬化和动脉壁neointima增长(37- - - - - -39]。当有应力集中在更大的区域(如低灵活性补丁),发展中再狭窄的可能性更大。高灵活性补丁导致低应力(> 35 kPa),人工嫁接和动脉壁。因此,在特定的情况下,当它决定喜欢一片缝合动脉相对较小的患者,高灵活性补丁(如静脉或牛补丁)会导致较低的风险压力诱导动脉再狭窄,因为它的性质相似。然而,他们有一个更大的风险形成动脉瘤。最终,主缝合展品动脉的有效应力分布类似于健康的动脉,表明,从我们的研究中,主要对动脉组织缝合潜力下降影响。

从考试的流模式在不同的模型(图8),我们得出这样的结论:一些旋转的流模式被发现在所有情况下,但在不同的大小。在主缝合模型中,在灯泡大多是单向流动,只有微不足道的漩涡。在补丁和健康模型,大直径球促进优势种的大漩涡流。根据Gimbrone et al。40),漩涡和流的中断因素导致内皮功能降低,最终狭窄或其他血管疾病的风险可能会增加。此外,这些漩涡扰乱流和可能导致血栓的形成,从而增加中风的风险。

鞭打的结果(图9)和OSI(图10灯泡地区)显示,WSS值相似的健康情况和补丁的情况下,在缝合的情况下,更高的值。它可以得出的结论是,灯泡直径是WSS的变化的原因。地区大直径、速度较小,因此,WSS规模较小,OSI更高。低WSS和高OSI与斑块沉积,动脉阻塞,内皮功能障碍(41]。因此,从我们的研究中,高WSS和低OSI的缝合的情况也比较倾向于这种参数。这些结果同意Domanin et al。26)显示高值的OSI和RRT补丁贪污与直接缝合的情况下特定的模拟,并与Kamenskiy et al。22],显示动脉狭窄的补丁都有了明显的改善血液动力学相比,更广泛的补丁。

流体剪切力对结构动力学的影响相对较小。WSS可以忽略不计(< 70达因/厘米2)相比,影响压力由于静水压力(< 70000达因/厘米2)。因此,当一个简化的模拟需要估计当地的有效应力,它可能是有效的考虑结构域与流体域分开。

研究假设相对简化模型的一个特定的解剖学、线性弹性材料和牛顿流体,而不考虑可能的生理健康和post-CEA之间或解剖变异29日]。实际值是高度geometry-dependent因此,针对病人的。此外,在现实中,在东航的过程中,媒体层的一部分被删除,只剩下动脉外膜层。这可能进一步增加的有效应力分岔墙与健康的情况下,增加的风险狂喜或动脉瘤。此外,结果和结论只讨论机械方面和临床方面作为参数。

另一个限制是指时间和空间离散化参数。注意,0.035秒的时间步长间隔相对升高,对收缩间隔(0.4秒),并可能限制捕捉收缩期流体动力学。最小化这种限制,automatic-time-stepping过程用于细分装载步骤在必要时增加。根据我们的网格和时间离散化细化研究(附录),WSS的离散化计算中的错误是高达10%。

然而,模型结果与临床协议和先前的研究25,26,42),和不同模型之间的比较结果是清晰和明显。大多数指南建议喜欢主要缝合ICA狭窄(> 4毫米),和当前模型假定ICA 5毫米,显示首选性能与主要补丁。这项研究可能描绘的主要参数影响合并后的血流动力学和生物力学的补丁和缝合方法。因此,其结果可能让阳光照射医生之间的争议有关的首选方法和解释的原因不重要的补丁程序CEA的优势。

6。结论

在这个手稿,我们检查了生物力学方面的补丁血管成形术相比,主要的缝合。检查参数包括压力升高,除了之前检查血流动力学参数(WSS)。基于我们的研究结果的压力和OSI值和低鞭打值升高,主缝合在我们的研究已经显示出更好的性能比补丁,补丁和高灵活性降低灵活性补丁相比表现出了更好的性能。

附录

答:模型验证

. 1。时间步独立测试

网格和时间步独立测试进行验证数值模型。评估最优时间步大小的瞬态模拟,FSI模拟健康情况100000年的网格元素使用28执行步骤0.035秒和0.01秒的98步。造成极大值的域两种情况详细表4。

表4
结果值和不同的时间步骤(在括号表示错误%)。

评价离散误差,我们计算之间的相对差异(ERR)的最大价值和优良的时间分辨率,如下: 在哪里 域的最大的价值(速度和剪切应力在流体域和有效应力的结构域)。导致错误详细的表中。结果表明,时间步长dt= 0.035秒就足够了,犯错< 2%的三个关键参数。因此,对于瞬态分析在这项研究中,28个步骤设置每循环。

注意,只有最大值检查(空间和时间),因此瞬时差异在一个给定的实例(例如,收缩)没有检查。注意,这个时间步长间隔相对升高,对收缩间隔(0.4秒),并可能限制捕捉收缩期流体动力学。最小化这种限制,automatic-time-stepping过程用于细分装载步骤在必要时增加。

由信用证。网格独立测试

评估最优网格分辨率,三种模式的健康基本情况与不同的网格分辨率建成(50000 - 500000个元素)。模型模拟一个心动周期,期间每个28日时间步。造成最大的值在每个模型的域网表中列出5最好,连同他们的错误相对于网格(方程(. 1))。基于这些结果,发现了100000个元素的网格分辨率适合我们的模型与犯错≤10%最好的网。

表5
最大值为不同的网格分辨率在括号(错误%表示)。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现是包括在本文和附录。原始数据文件的模型和模拟可以在应用发布相应的作者((电子邮件保护))。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究部分由Ariel研究权威。