1、顱內(nèi)動脈瘤中血流動力學(xué)研究,.,2,簡介,血流動力學(xué)在動脈瘤的病理形成和瘤內(nèi)血栓生成方面起重要作用，雖然在基礎(chǔ)實驗和臨床上都進行了相關(guān)的研究，尤其是體外實驗已經(jīng)進行了詳細的血流動力學(xué)各項參數(shù)的模擬，但是這些研究多是基于理想化的動脈瘤模型或者實驗動物動脈瘤模型，對于具體的臨床病人價值不高，因此針對臨床病人顱內(nèi)動脈瘤進行的血流動力學(xué)個體化研究更有意義。,.,3,簡介,由于技術(shù)手段的限制，目前無法對顱內(nèi)動脈瘤患者實施 血流動力學(xué)參數(shù)的在體檢測。因此，應(yīng)用(computational fluid dynamics，CFD)建立顱內(nèi)動脈瘤的三維實體動力學(xué)分析模型，分析瘤內(nèi)血流運動模式及血流-瘤壁相互作用

2、機制成為可靠的技術(shù)手段。,.,4,簡介,目前研究多應(yīng)用計算流體力學(xué)(computational fluid dynami cs，CFD)來模擬進而獲得動脈瘤內(nèi)血液動力學(xué)的信息，以便更好的理解實際體內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)機理。 其中動脈瘤內(nèi)部的流速、壓力、壁面剪切力等流體力學(xué)參數(shù)對動脈瘤病理生理機制非常重要，利用流利力學(xué)有限元分析方法能在體外對動脈瘤內(nèi)部的血流情況進行數(shù)值模擬，觀測瘤體內(nèi)部血流動力過程。,.,5,簡介,血流動力學(xué)研究中幾個關(guān)鍵的概念： 1、血流沖擊力：其來自于血流的慣性力，垂直作用于血管壁。 2、壁剪切力（wall shear stress，WSS）：WSS是血液流動時血流對血管壁

3、的切向作用力，其作用方向平行于血管壁，大小與血流速度有關(guān)，血流速度越快，血流速度梯度越大，血流產(chǎn)生的WSS也就越大 *Shojima M, Oshima M,Takagi K,et al. Role of the blood stream impacting force and the local pressure elevation in the rupture of cerebral aneurysms J. Stroke,2005,36:1933-1938.,.,6,研究目的,（1）基于影像DSA圖像，應(yīng)用醫(yī)學(xué)軟件MIMICS及有限元軟件ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)個體化顱內(nèi)動脈瘤血流動力學(xué)模擬，

4、觀察顱內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)變化。 （2）探討顱內(nèi)動脈瘤的血流動力學(xué)特征與其發(fā)生、發(fā)展、破裂和復(fù)發(fā)的關(guān)系。,.,7,技術(shù)路線,（1）基于MIMICS軟件對顱腦DSA圖像進行三維重建。 （2）使用ANSYS ICEM CFD 進行網(wǎng)格化 （3）采用計算流體動力學(xué)軟件對研究對象重建模型進行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算 （4)采用計算流體動力學(xué)軟件研究對象重建模型進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算對比分析手術(shù)前后的血流動力學(xué)變化,.,8,技術(shù)路線,一、血流動力學(xué)模型 1 控制方程假定血液是層流且為粘性的，不可壓縮的牛頓 流體。一般情況下的流體力學(xué)控制方程包括連續(xù)方程、動量方程和能量方程。本研究不考慮能量的傳遞，例如熱量 的傳

5、遞等，因此不考慮能量方程。同時假設(shè)重力不計，控制流動的基本方程是不可壓縮Navier-Stokes方程來控制 2.邊界條件 將動脈瘤壁設(shè)定為剛性，因此忽略了動脈瘤壁彈性和厚度對血流動力學(xué)結(jié)果的影響。血流和管壁之間沒有滑動和穿透。 3.數(shù)值計算 NS方程組采用守恒形式的有限體積法來離散，時間采用 隱格式，網(wǎng)格單元為四面體型網(wǎng)格。在每個網(wǎng)格節(jié)點周圍構(gòu)造控制體 ，通量通過位于兩個控制體界面上的結(jié)合點來計算 。,.,9,技術(shù)路線,二、動脈瘤三維實體重建模型 建模環(huán)境：在微機的Windows平臺下建立腦動脈瘤的三維有限元幾何模型。 1.原始數(shù)據(jù)采集：進行DSA造影，3D旋轉(zhuǎn)取得血管影像，剪切無關(guān)血管，保

6、留載瘤動脈和動脈瘤，將動脈瘤橫斷圖切片以圖片格式輸出。 2.將圖片進行圖像處理，使imics的橫斷圖窗、縱切圖窗、軸位圖窗的血管影像能清晰完整顯示，進行三維重建。再對重建后的影像進行平滑處理。將三維模型導(dǎo)出為格式文件。 3.劃分網(wǎng)格：將上一步生成的格式文件導(dǎo)入ICEM CFD，用Block分塊，并用O-Block法劃分三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 4.醫(yī)學(xué)3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics，有限元分析軟件ANSYS進行數(shù)據(jù)建模。,.,10,建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析,1.MIMICS重建顱內(nèi)動脈瘤模型與DSA工作站重建模型對比,MIMICS重建模型,DSA工作站重建模型,.,11,建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析,2

7、 面網(wǎng)格模型與體網(wǎng)格模型網(wǎng)格模型,面網(wǎng)格模型,體網(wǎng)格模型,.,12,建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析,(1)壁面總壓力,不同注射速度壁面總壓力比較,.,13,建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析,不同注射速度壁面剪切力比較,(2)壁面剪切力,.,14,建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析,不同注射速度血流流線圖比較,（3）血流流線圖,.,15,4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,進口條件,.,16,4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,(1)壁面總壓力,t1,t2,t3,.,17,4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,(2)壁面剪切力,t1,t2,t3,.,18,4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,t1,t2,t3,（3）血流流線圖,.,19,4.手術(shù)前后模型數(shù)值模擬結(jié)果,壁面總壓

8、力,術(shù)前,術(shù)后,.,20,4.手術(shù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,壁面剪切力,術(shù)后,術(shù)前,.,21,4.手術(shù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果,血流流線圖,術(shù)后,術(shù)前,.,22,血流沖擊力：可造成被沖擊區(qū)域壓力的增高，當(dāng)血流的速度降低時，血液的機械運動能力轉(zhuǎn)化為壓力，在血流場中，稱作動壓力 (dynamic pressure)。在血流沖擊瘤壁或者動脈壁時血流改變方向 ，速度立刻隨之降低，這樣大部分動壓力轉(zhuǎn)化為靜壓力，結(jié)果導(dǎo)致被沖擊區(qū)域局部壓力的增高，動脈瘤內(nèi)復(fù)雜的速度分布可導(dǎo)致動脈瘤內(nèi)壓力增高*。,.,23,壁剪切力(WSS),壁剪切力（wall shear stress，WSS）：是粘性的血流通過固體表

9、面形成的動態(tài)摩擦力。血管內(nèi)皮細胞會通過釋放血管舒張因子和收縮因子來調(diào)節(jié)局部血管張力，它對于震蕩的剪切力較為敏感，與直接的機械壓力相比，這種震蕩的剪切力通過刺激各種內(nèi)皮細胞的功能而產(chǎn)生很強的生物學(xué)效應(yīng)增加的WSS可以刺激內(nèi)皮細胞分泌一氧化氮一氧化氮是一種強的血管擴張因子，也是一種血管壁退化的潛在因子因此局部WSS的增加會導(dǎo)致局部血管壁的擴張和退化口，進而形成動脈瘤或者導(dǎo)致動脈瘤的生長。,.,24,壁剪切力(WSS)與動脈瘤的發(fā)生,多認為高WSS是動脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動脈瘤新的生長點。 Tanoue T, Tateshima S, Vil

10、lablanca JP, et al. Wall shear stress distribution inside growing cerebral aneurysm. AJNR Am J Neuroradiol, 2011, 32: 1732-1737.,.,25,壁剪切力(WSS)與動脈瘤的發(fā)生,血流的剪切力對動脈瘤的發(fā)生發(fā)展具有直接的作用，該剪切力會隨心動周期的改變而改變。血流動力學(xué)所產(chǎn)生的剪切力、搏動力和壓力引起腦動脈分叉處頂端內(nèi)彈力層損害和中層缺損擴大，血流速度越快所在部位剪切力越大，剪切力增大到一定程度即可造成動脈壁損傷，動脈血管壁受到血流的連續(xù)沖擊后發(fā)生局部膨出，逐漸形成大小不同

11、的動脈瘤*。多認為高WSS是動脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動脈瘤新的生長點*。 Meng H, Tutino VM, Xiang J, et al. High WSS or Low WSS? Complex Interactions of Hemodynamics with Intracranial Aneurysm Initiation, Growth, and Rupture: Toward a Unifying Hypothesis. AJNR Am J Neuroradiol, 2013. Tanoue T, Tateshima S,

12、Villablanca JP, et al. Wall shear stress distribution inside growing cerebral aneurysm. AJNR Am J Neuroradiol, 2011, 32: 1732-1737.,.,26,壁剪切力(WSS)與動脈瘤破裂,目前，大多數(shù)對于未破裂和破裂動脈瘤的研究發(fā)現(xiàn)，破裂動脈瘤平均瘤體WSS低于未破裂動脈瘤，因而推測低WSS促進動脈瘤的破裂*。 國內(nèi)黃清海*等研究發(fā)現(xiàn)，處于即將破裂狀態(tài)的動脈瘤平均瘤體WSS比破裂組動脈瘤更低，正是這種低WSS的存在可能導(dǎo)致了動脈瘤的破裂，而動脈瘤破裂后，動脈瘤形態(tài)改變，產(chǎn)生了對

13、瘤體WSS的影響，導(dǎo)致WSS數(shù)值較破裂前狀態(tài)升高。 *Goubergrits L, Schall J,Kertzscher U,et al.Statistical wall shear stress maps of ruptured and unruptured middle cerebral artery aneurysms J. J R Soc Interface, 2012,9:677-688. *Jou LD,Lee DH,Morsi H,et al.Wall shear stress on ruptured and unruptured intracranial aneurysms

14、at the internal carotid artery J. AJNR Am J Neuroradiol,2008,29:1761-1767. *黃清海，劉建民，等。破裂前期后交通動脈動脈瘤的形態(tài)學(xué)及血流動力學(xué)分析J. 中華神經(jīng)外科雜志2014,30,4:364-367.,.,27,壁剪切力(WSS)與動脈瘤破裂,國外研究*表明，動脈瘤破裂出血則與低WSS有關(guān)，動脈瘤生長后由于瘤頂部位的剪切應(yīng)力不足，直接導(dǎo)致血管內(nèi) 皮細胞出現(xiàn)形變，瘤壁的內(nèi)皮細胞間隙逐漸加大，導(dǎo)致血液中的有害物質(zhì)不斷侵入，影響內(nèi)皮細胞的更新，最終使內(nèi)皮細胞的屏障功能喪失，瘤壁發(fā)生退行性變并且薄弱，從而導(dǎo)致動脈瘤破裂風(fēng)險增

15、加*。 Jeong W, Rhee K. Hemodynamics of cerebral aneurysms: computational analyses of aneurysm progress and treatment. Comput Math Methods Med, 2012, 2012:782801. Frsen J, Tulamo R, Paetau A, et al. Saccular intracranial aneurysm: pathology and mechanisms. Acta Neuropathologica, 2012, 123: 773-786.,.,2

16、8,壁剪切力與動脈瘤復(fù)發(fā),術(shù)后若動脈瘤殘頸處壁面剪切力普遍減小，能夠降低動脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險。而如果術(shù)后動脈瘤殘頸處壁面切應(yīng)力出現(xiàn)局部明顯升高，則增大了動脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險，動脈瘤易復(fù)發(fā)*。 *Utter B, Rossmann JS. Numerical simulation of saccular aneurysm hemodynamics:influence of morphology on ruture risk. J Biomech.2007;40(12):2716-2722. *于紅，楊新健,等.基于影像數(shù)據(jù)的三維顱內(nèi)動脈瘤血流動 力學(xué)數(shù)值：手術(shù)前后壁面切模擬對比J. 中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010,14,39:7327-7330.,.,29,壁剪切力與動脈瘤復(fù)發(fā),吳永發(fā)，黃清海*等也在研究中發(fā)現(xiàn)栓塞后在殘留瘤頸部 位的血流方式改變、WSS和血流速度在治愈和復(fù)發(fā)組間存在顯著差 異。在復(fù)發(fā)組，瘤頸部位具有高壁面切應(yīng)力 區(qū)域，4例壁面切應(yīng)力高于局部；而且高WSS的區(qū)域與動 脈瘤復(fù)發(fā)的區(qū)域完全一致。,.,30,高WSS與動脈瘤發(fā)生有關(guān)，而極低WSS與動脈瘤破裂有關(guān)-基于計算流體力學(xué)技術(shù)的個體化顱內(nèi)