颅内动脉瘤夹闭手术的数值模拟与临床应用研究

胡钧浛 王汝良 胡霖霖

摘  要： 本文使用计算流体力学（CFD）的方法对颅内动脉瘤夹闭手术前后以及正常血管进行数值模拟。通过使用Mimics、3-matic对CT数据进行重建，再使用Ansys进行网格划分、求解计算，获得模拟夹闭手术前后的心动周期不同时刻的血流速度、壁切应力、壁压力数值。数值模拟改变血流动力学的方式可以对动脉瘤治疗前及治疗后的状况进行评估。动脉瘤处的低壁切应力和低速区域与动脉瘤破裂有关。

关键词： 颅内动脉瘤;计算流体力学;血流动力学;夹闭手术

中图分类号： TP319    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.009

本文著录格式：胡钧浛，王汝良，胡霖霖，等. 颅内动脉瘤夹闭手术的数值模拟与临床应用研究[J]. 软件，2019，40（6）：4043+63

【Abstract】： Computational fluid mechanics（CFD） method was used to simulate intracranial aneurysms before and after operation and normal blood vessels. Through the reconstruction of CT data using Mimics and 3-matic， and then using Ansys for mesh division and calculation， the blood flow velocity， wall shear stress， and wall pressure values at different times of the cardiac cycle before and after the simulated clamping operation are obtained. Numerical simulations of changes in hemodynamics can assess the status of aneurysms before and after treatment. The low wall shear stress and the low velocity area at the aneurysm are related to the rupture of the aneurysm.

【Key words】： Intracranial aneurysm; Computational fluid mechanics; Hemodynamics; Folding surgery

0  引言

顱内动脉瘤（intracranial aneurysm，IA）是颅内动脉管壁上局部的、球囊样的异常膨出[1]。颅内动脉瘤在普通人群的患病率为3-5%，在诊断后5年内，总体破裂风险为1.2%[2-4]。血流动力学对颅内动脉瘤的形成和发展过程中起到了非常重要的作用[5，6]，可以通过改变血流动力学来限制动脉瘤的继续发展甚至破裂。计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）对血流动力学的研究取得重大进展[7-9]。本研究将应用计算流体力学的方法对一例颅内动脉瘤进行模拟夹闭手术并将其与夹闭手术前和同一位置的正常血管的血流动力学进行对比。

1  材料与方法

1.1  原始数据采集

采集牡丹江医学院附属红旗医院1例男性颅内CTA影像数据，年龄47岁，采用日本东芝Aquilion64层螺旋CT，扫描参数：管电压120 KV、管电流   250 mA、扫描矩阵512×512、像素尺寸0.481 mm、扫描层厚0.5 mm，以4.0 mL/s经肘静脉注射造影剂150 mL，要求患者在扫描过程中不做吞咽动作，扫描数据以DICOM（Digital imaging and Communica?tions in Medicine）格式储存。

1.2  实验设备

戴尔Precision T7810：Xeon E5-2609 v3处理器、16 G内存、nVIDIA Quadro2200显卡。

1.3  实验应用软件

Mimics 20.0;3-matic 12.0;Ansys workbench 18.0。

1.4  有限元模型的建立

1.4.1  模型的三维重建及修复

将CTA影像数据导入Mimics20.0软件，采用使用阈值分割（Thresholding）、区域增长（Region Growing）、蒙板编辑（Edit Masks）等获得感兴趣区域，去除细小分支，再通过计算三维工具（Calculate Part）对感兴趣区域进行三维重建，在3-matic中对模型进行光滑处理，以stl格式保存重建的模型。正常血管为模型Ⅰ，夹闭手术前为模型Ⅱ，夹闭手术后为模型Ⅲ。

1.4.2  网格划分及数值模拟

在Ansys ICEM CFD中对动脉瘤进行网格划分（图1）。

将血流设定为牛顿流体且为层流，设置血液密度为1060 kg/m3，粘度为0.0035Pas[10，11]。设定动脉瘤壁为刚性，血液和血管壁面无滑动及渗透。入口给与脉动速度（图2），出口处的压力设定为0。

血流速度为脉动血流，心动周期均为0.8 s，步长为0.01 s，总共计算200步。计算两个周期，以0.88 s、1 s、1.1 s时刻的结果进行分析。

2  数值模拟结果分析

2.1  血流速度

图3是三个模型分别在0.88 s、1 s、1.1 s三个时刻的血流速度流线图。从模型Ⅱ中可以看出，载瘤动脉中心血流速度不断降低，血流状态为层流。血液在动脉瘤中形成涡流，随着血流速度的降低，瘤腔内的血流反而增多，远离瘤腔中心部位的血流速度更低。模型Ⅲ与模型Ⅱ相比，原瘤腔部位的血流已经消失。模型Ⅱ、Ⅲ与模型Ⅰ相比，同一时刻的血流速度要高。

2.2  壁切應力

图4是三个模型分别在0.88 s、1 s、1.1 s三个时刻的壁切应力图。三种模型的壁切应力随着血流速度的降低均有所下降。模型Ⅱ的瘤壁始终保持在低壁切应力状态，瘤颈部的壁切应力随血流速度的降低逐渐降低。模型Ⅱ和模型Ⅲ比较，除了动脉瘤部分外未发生明显变化。模型Ⅰ整体的壁切应力低于模型Ⅱ和模型Ⅲ。

2.3  壁压力

图5是三个模型分别在0.88 s、1 s、1.1 s三个时刻的壁压力图。在0.88 s，模型Ⅱ和模型Ⅲ入口处的压力明显高于模型Ⅰ。模型Ⅱ和模型Ⅲ除了动脉瘤部分，各处压力值也未有没有变化。模型Ⅱ和模型Ⅲ的壁压力整体高于模型Ⅰ。

3  讨论

本文采用数值模拟的方法对动脉瘤夹闭前、夹闭后以及正常血管的血流动力学参数进行对比分析。对比后发现，夹闭后动脉瘤内没有血流，夹闭前动脉瘤内血流丰富、涡流，但流速较慢。夹闭前后血管的血流速度高于正常血管。夹闭前的动脉瘤壁切应力处于低的状态，壁压力较高。Lu等人[12]和Xiang[13]等人发现破裂组的动脉瘤的平均WSS要比未破裂组低。Liu等人[14]的研究中评估了动脉瘤破裂前的血流动力学特征，发现了低WSS与未破裂动脉瘤破裂有关。低WSS同时会导致血管壁发生变化，从而进一步导致了血管壁的破裂[15]。Jou等[16]和Acevedo-Bolton等[17]研究发现低WSS和动脉瘤生长之间的相关性。Meng[18]等人研究表明低WSS和高震荡剪切指数与大的动脉粥样硬化性动脉瘤表型的生长和破裂有关，而高WSS和正的WSS梯度与小的或继发性囊性动脉瘤表型的生长和破裂有关。Wang[19]等人建立虚拟支架植入术CFD仿真模型，模拟了15例动脉瘤支架植入，结果表明血流速度和WSS在不同类型的动脉瘤均降低。而我们所模拟的是夹闭术，直接让动脉瘤排除在血液循环之外，通过将其排除在血液循环之外，可以避免动脉瘤的继续发展甚至破裂。

4  结论

本研究的目的是探讨动脉瘤夹闭术前后的血流动力学特征，我们对夹闭术前后以及正常血管基于CT影像数据的进行了计算流体力学模拟。通过数值模拟改变血流动力学的方式可以对动脉瘤治疗前及治疗后的状况进行评估。动脉瘤处的低壁切应力和低速区域与动脉瘤破裂有关。

参考文献

[1] Seo， J.， et al.， A Highly Automated Computational Method for Modeling of Intracranial Aneurysm Hemodynamics. Frontiers in Physiology， 2018. 9： 681.

[2] Bonneville F， Sourour N， Biondi A. Intracranial Aneurysms： an Overview. Neuroimaging Clinics of North America. 2006; 16（3）： 371-382.

[3] Keedy A. An overview of intracranial aneurysms. McGill Journal of Medicine. 2006; 9（2）： 141-146.

[4] Wermer MJH， Van Der Schaaf IC， Algra A， Rinkel GJE. Risk of rupture of unruptured intracranial aneurysms in relation to patient and aneurysm characteristics： An updated meta- analysis. Stroke. 2007; 38 （4）： 1404-1410.

[5] Lasheras JC. The biomechanics of arterial aneurysms. Annual Review of Fluid Mechanics. 2007; 39： 293-319.

[6] Sforza DM， Putman CM， Cebral JR. Hemodynamics of cerebral aneurysms. Annual Review of Fluid Mechanics. 2009; 41： 91-107.

[7] Miura Y， Ishida F， Umeda Y， Tanemura H， Suzuki H， Matsushima S， et al. Low wall shear stress is independently associated with the rupture status of middle cerebral artery aneurysms. Stroke. 2013; 44（2）： 519-521.

[8] Fukazawa K， Ishida F， Umeda Y， Miura Y， Shimosaka S， Matsushima S， et al. Using computational fluid dynamics analysis to characterize local hemodynamic features of middle cerebral artery aneurysm rupture points. World Neurosurg. 2015; 83（1）： 80-86.

[9] Tsuji M， Ishikawa T， Ishida F， Furukawa K， Miura Y， Shiba M， et al. Stagnation and complex flow in ruptured cerebral aneurysms： a possible association with hemostatic pattern. J Neurosurg. 2016; 3： 1-7.

[10] Hua， Y.， J. H. Oh and Y. B. Kim， Influence of Parent Artery Segmentation and Boundary Conditions on Hemodynamic Characteristics of Intracranial Aneurysms. Yonsei Medical Journal， 2015. 56（5）： p. 1328.

[11] Paliwal， N.， et al.， Association between hemodynamic modifications and clinical outcome of intracranial aneurysms treated using flow diverters. Proc SPIE Int Soc Opt Eng， 2017. 10135.

[12] Lu G， Huang L， Zhang XL， Wang SZ， Hong Y， Hu Z， et al. Influence of hemodynamic factors on rupture of intracranial aneurysms： patient-specific 3D mirror aneurysms model computational fluid dynamics simulation. AJNR American journal of neuroradiology. 2011; 32（7）： 1255-61.

[13] Xiang J， Natarajan SK， Tremmel M， Ma D， Mocco J， Hopkins LN， et al. Hemodynamic-morphologic discriminants for intracranial aneurysm rupture. Stroke; a journal of cerebral circulation. 2011; 42（1）： 144-52.

[14] Liu J， Fan J， Xiang J， Zhang Y， Yang X. Hemodynamic characteristics of large unruptured internal carotid artery aneurysms prior to rupture： a case control study. J Neurointerv Surg. 2016; 8： 367-72.

[15] Pentimalli L， Modesti A， Vignati A， Marchese E， Albanese A， Di Rocco F， Coletti A， Di Nardo P， Fantini C， Tirpakova B， Maira G. Role of apoptosis in intracranial aneurysm rupture. J Neurosurg. 2004;101： 1018-25.

[16] Jou LD， Wong G， Dispensa B， et al. Correlation between luminal geometry changes and hemodynamics in fusiform intracranial aneurysms. AJNR Am J Neuroradiol 2005;26： 2357-63.

[17] Acevedo-Bolton G， Jou LD， Dispensa BP， et al. Estimating the hemodynamic impact of interventional treatments of aneurysms： numerical simulation with experimental validation： technical case report. Neurosurgery 2006;59： E429-30.

[18] Meng H， Tutino VM， Xiang J， Siddiqui A. High WSS or low WSS？ Complex interactions of hemodynamics with intracranial aneurysm initiation， growth， and rupture： toward a unifying hypothesis. AJNR. American journal of neuroradiology. 2014; 35： 1254-1262.

[19] Wang， C.， et al.， Hemodynamic alterations after stent implantation in 15 cases of intracranial aneurysm. Acta Neurochirurgica， 2016. 158（4）： p. 811-819.