主动脉弓计算流体力学模型的建立与应用

贺嘉嘉 陈 鹏 周广全▲

1.广州中医药大学第一附属医院，广东 广州 510407；2.广州中医药大学，广东 广州 510405

主动脉弓平右第2胸肋关节后方接升主动脉，呈弓形向左后行至脊椎左侧第4胸椎下缘续为胸主动脉。弓的上缘平胸骨柄中部或稍上方，下缘平胸骨角。主动脉弓部疾病主要是主动脉弓上血管狭窄和主动脉弓粥样硬化，这两种病变均可通过血流动力学的变化引起脑缺血的症状，从而导致缺血性脑卒中。脑卒中是造成人类死亡的三大疾病之一，对患者的生命安全构成严重的威胁[1]。因此，深入了解主动脉弓血管的血流动力学特性，对研究主动脉弓疾病引起缺血性脑卒中的发生风险有着重要的指导意义。随着计算机技术和流体动力学仿真研究的发展，以及三维重建技术和逆向工程技术的进一步推广，使得无创性主动脉弓的流体动力学研究成为可能[2-3]。本研究旨在通过Mimics 14.1交互式图像控制系统和大型有限元分析软件ANSYS Fluent软件建立主动脉弓的计算流体力学模型，模拟血液的流体运动，为科研的、合理的数字化主动脉弓疾病研究提供一个虚拟的执行平台，为主动脉弓疾病的诊断提供一种临床预警辅助诊断手段。

1 材料与方法

1.1 实验设计

运用逆向工程等技术建立主动脉弓计算流体动力学模型并对其进行流体动力学分析。

1.2 主要软件及设备

影像资料获取通过广州中医药大学第一附属医院提供的Philips MR system Achieva 1.5T实现；三维重建利用广州中医药大学中医骨伤科实验室提供的Mimics 14.1交互式图像控制系统实现；流体动力学分析通过ANSYS Fluent实现。

1.3 对象和图像获取

受试者为健康志愿者，男性，30岁，无心脏病、高血压、糖尿病和心血管疾病病史。对患者胸部进行MRI断层扫描，共300层，层厚为 0.5 mm，每层为1024×1024像素，保存为DICOM格式文件。

1.4 方法

主动脉弓三维重建和实体化：将所得MRI图像数据导入到Mimics 14.1中。通过阈值分析、空洞修补等功能，重建出主动脉弓三维模型（图1），基于主动脉弓三维模型，利用Mimics的“Fit Centerline”可计算获得主动脉弓的中心线，从而充分了解主动脉弓的解剖特性；然后把STL格式的主动脉弓文件导到入RapidForm XOR3逆向工程软件，通过“Mesh”、“Smooth”和“Auto Surfacing”等功能对主动脉弓进行曲面拟合生成实体模型（图2）；最后，把实体模型导入到ANSYS Fluent流体力学分析软件进行网络划分，生成满足研究需要的主动脉弓流体力学模型。

边界设定和材料参数设置：按照人体心脏正常舒张状态下血液流动性质设定血液入口与出口（图3），然后确定流体介质为血液，血液密度为 ρ＝1.06×103kg/m3[4-5]，最后求解计算。

2 结果

交互式医学图像控制系统Mimics 14.1对基于主动脉弓MRI数据重建的三维模型立体直观，三维效果逼真，清晰反映了主动脉弓的形态；通过测量功能可测量任意血管弯曲程度、长度及内径，并可通过系统的手术模拟功能进行三维可视化手术操作，可重复性强，操作简单易学。在此基础上，本研究结合有限元技术、计算流体力学技术建立主动脉弓计算流体力学模型，通过血流出入口的设置，确定血液的流动方向并赋予相应的材料参数，计算获得主动脉弓内血液流速分布（图 4）。

3 讨论

计算流体力学是多种领域的交叉学科，它涉及流体力学、数学理论、数值分析和三维有限元技术。随着计算流体力学的飞速发展和广泛应用，心血管研究人员逐渐利用计算流体力学技术解决临床实际问题。利用三维重建技术建立主动脉弓的三维模型，为临床医生直观地理解主动脉弓的完整形态具有重要意义，也为临床医生实施术前规划和个性化手术路径设计提供执行平台[6]；而利用计算流体力学仿真技术分析主动脉弓的血流动力学特性，为医生临床诊疗提供了可靠的数据支持，有助于提高主动脉弓病变引发脑卒中诊治的准确度。

主动脉弓是以心脏为中心的力学系统的重要组成部分，主动脉弓内血液流动、血管变形、血液和血管的相互作用，无不受着力学因素的影响，因此，力学因素的改变对主动脉弓血管重建及由此引起的相关疾病起到至关重要的作用。所以，本研究基于影像学、解剖学、血流动力学等基础理论，结合三维重建技术、计算流体力学技术、有限元分析方法，从计算力学角度模拟主动脉弓血流运动，分析血管内血流力学特性，为进一步阐明主动脉弓疾病引起缺血性脑卒中的发病机制提供新的计算力学方法，也为主动脉弓疾病的虚拟手术模拟创造条件，还可以为主动脉弓疾病的诊断提供一种临床预警辅助诊断手段。

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