计算流体动力学与颅内动脉瘤

2016-09-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

数学是一个很好的工具,它可以通过数学公式与推理将隐匿的真理提示,这就是数学的奥秘,数学之美。

颅内动脉瘤从发生至破裂的自然病程是多因素作用的结果,但从现有的研究看,它的发生发展与血液在血管内的流动、血管分叉位置、血压均有关联,血流动力学在其中起重要作用,而现有技术无论是有创的还是无创的,尚不能提供与正常生理状态相一致的颅内动脉瘤信息,依据现有检查手段所得到的临床颅内动脉瘤数据,是否可以借助一种方法来建立动脉瘤模型,为深入研究颅内动脉瘤创造了条件,为颅内动脉瘤的生长、破裂风险预测以及治疗抉择,复发再处理等临床问题提供帮助。计算流体动力学就是这样的一个数学工具,可能是颅内动脉瘤深入研究的一个重要方法。

一、什么是计算流体动力学?(Computational Fluid Dynamics,CFD)

计算流体动力学,是流体力学的一个分支,简称CFD,它是近代流体力学,数值数学和计算机科学结合的产物,是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际问题。

血流动力学因素与颅内动脉瘤的发生、发展、破裂和转归密切相关,因此也成为近年来国内外动脉瘤研究的热点。以病人影像学数据为基础,应用计算流体力学来模拟进而获得颅内动脉瘤内血流动力学的信息,对颅内动脉瘤的几何形状可以进行精确重建,得出相应的血流动力学参数,以便更好地理解实际体内动脉瘤的血流动力学机理,能够有效解决颅内动脉瘤临床研究中的技术难点。这就是计算流体动力学在颅内动脉瘤的应用。

二、应用CFD应用于颅内动脉瘤研究的方法

原始数据来自于临床上采用的三维数字减影血管造影(3D—DSA)影像。

分析软件有:美国ACD公司的ACDSee 5.0图像处理软件,比利时Materialise公司的Mimics 14.0医学建模软件,美国Geomagic公司的Geomagic Studio 12.0逆向工程软件,美国Ansys公司的Ansys 13.0有限元分析软件包,包括ICEM CFX13.0网格划分软件、Ansys CFD 13.0流体力学分析软件等。软件还包括有:Matlab7.0、Ansys ICEM,Ansys CFX等。

过程:图像导入、Mimics建模、模型优化、网格划分、血流动力学模拟。三维DSA图像,去掉不重要的分支,重点分析动脉瘤及其载瘤动脉。设定血流为牛顿流体,层流,取血液粘性系数为常数0.0035Pa/s,密度为1060Kg/m3,血管壁为刚性壁,忽略能量的传递和血液的重力。血流设为脉动流,设心动周期为1s,计算步长为0.05s,血管入口压力为随时间变化的函数,计算10个心动周期,取第10心动周期计算结果为实验结果。其中边界的设定,起重要作用。

三、颅内动脉瘤的CFD应用研究

颅内动脉瘤的基本CFD特征

血流的冲击会形成两种不同方向的生理压力。一种是冲击力,其来自于血流的惯性力,垂直作用于血管壁;另一种为壁剪切力(wall shear stress,WSS),是血流对血管壁的粘性摩擦力,平行作用于血管壁。目前对于动脉瘤生长和破裂的理解有两种相反的理论。①低血流理论:认为瘤顶处于低WSS状态,这种状态会触发削弱动脉壁的一系列机械生物过程,进而造成动脉瘤的生长和破裂,这一理论的根据是在理想化模型、CFD模型和临床上观察到的动脉瘤瘤顶的低WSS现象;②高血流理论:认为瘤壁(尤其在血流冲击区)异常大的WSS所触发的另一种不同的机械生物过程,进而削弱了血管壁并且导致动脉瘤的破裂和生长。二者其实并不统一。

颅内动脉瘤的生长相关因素?

高WSS 血管内皮细胞会通过释放血管舒张因子和收缩因子来调节局部血管张力,它对于震荡的剪切力较为敏感,与直接的机械压力相比,这种震荡的剪切力通过刺激各种内皮细胞的功能而产生很强的生物学效应,增加的WSS可以刺激内皮细胞分泌一氧化氮。一氧化氮是一种强的血管扩张因子,也是一种血管壁退化的潜在因子。因此局部WSS的增加会导致局部血管壁的扩张和退化,进而形成动脉瘤或者导致动脉瘤的生长。Alnaes等采用颅底动脉环模型进行了血流动力学的模拟研究,结果显示血管的曲度和非对称分支角度会影响WSS的大小和空间分布。高WSS常出现在动脉瘤经常发生的部位和解剖变异处,因此认为高WSS与颅内动脉瘤的发生有关。Meng等通过动物模型制作出血管分叉处的模型研究,结果发现在分叉处血管壁两个明显的病理变化:在分叉处出现增生的内膜垫,在血流加速区附近出现破坏性重塑形。该处的病理特点表现为内弹力板的破坏、中层平滑肌细胞的减少和消失、平滑肌细胞增生的减少以及纤维连接的消失。而这与颅内动脉瘤发生的病理机理类似。因此认为分叉部位的高WSS和高梯度剪切力是形成动脉瘤的危险因素。

颅内动脉瘤破裂相关因素?

1. 血流的稳定性未破裂动脉瘤大部分具有简单稳定的血流模式,而破裂动脉瘤却相反。动脉瘤内血流模式的复杂性和其是否稳定可能与动脉瘤的破裂相关。因此Cebral等闸研究了62例动脉瘤病人.包括25例破裂和34例未破裂以及3例不明原因出血者。按血流冲击区域的位置和大小以及冲击血流的大小,将这些动脉瘤进行分级,然后与动脉瘤病人的破裂史进行统计分析,结果观察到72%的破裂动脉瘤具有复杂和不稳定的血流模式,80%有小的冲击区域,76%有狭窄的冲击血流。相反,未破裂动脉瘤中73%表现为稳定的血流模式。82%有较大的冲击区域。75%有较宽的冲击血流;与有大冲击血流的动脉瘤相比。小冲击血流的动脉瘤破裂几率要高6.3倍。

2.几何形态动脉瘤的几何形状是其破裂的危险因素之一。Hassan等研究了68个动脉瘤(45个破裂和23个未破裂),按载瘤动脉的形态将囊性动脉瘤分为三种:旁瘤、有分支的旁瘤和末端瘤,动力学分析结果显示:动脉瘤深度、颈宽以及引流血管的口径与动脉瘤破裂有关。宽颈动脉瘤和那些有宽径引流血管的动脉瘤表现为高血流特点,这样的病变倾向于在较大体积时破裂;窄颈动脉瘤和有小口径引流血管的动脉瘤表现为低血流特点,这样的病变倾向于在小的体积时破裂。

3.WSS是动脉瘤破裂的主要血流动力学因素。WSS和OSI被认为是可以提示动脉瘤是否破裂的重要血流动力学参数。目前的观点认为动脉瘤的破裂与WSS的不足密切相关,维持正常动脉瘤壁的形态需要WSS约为2.0 Pa,WSS低于1.5 Pa时会导致内皮细胞的变性与调亡,促进动脉瘤的生长以及最后的破裂。WSS不足,直接导致血管内皮细胞出现形变,内皮细胞间隙加大,屏障功能丧失,血液内的有害物质侵入,使瘤壁弹性纤维及胶原纤维断裂、缺失,从而形成了动脉瘤壁的特有病理学形态。随着动脉瘤的生长,WSS进一步下降,形成恶性循环直至动脉瘤破裂。OSI作为评价脉动血流的一个重要参数,代表在收缩期和舒张期动脉瘤内的血流方向的快速变化引起WSS的振荡大小,大的OSI表示WSS的方向变化较大。变化着方向的WSS不断作用于瘤壁内膜上,达到一定阔值时造成内膜上内皮细胞损伤、脱落,胶原纤维暴露,血小板在颈部、顶部受损的内膜表面聚积,附着于胶原纤维上,导致内膜增厚。反复的内膜损伤造成内膜进行性增厚,血栓形成。在瘤顶低流速导致附近血栓及炎性反应,由纤维蛋白溶解反应导致了瘤的破裂。OSI 切应力震荡区(oscillating shear index,osi)是一个衡量WSS方向变化的无量纲参数。

杨新健研究表明,小中大动脉瘤的WSS值顺序减小而OSI的值顺序增大。直径较大的动脉瘤具有较低的WSS值和较高的OSI值,提示更高的破裂风险。小中大三型动脉瘤的血流均符合侧方动脉瘤的流动模式。小中大三型进行对比时发现动脉瘤越大,其内部涡流就越复杂。且小中大三型动脉瘤的肇面切应力(WSS)值顺序减小而切应力震荡因子(OSI)的值顺序增大。结论未破裂动脉瘤随直径增大所具有的紊乱的涡流和低WSS高OSI可能跟其破裂风险增大有关。

刘建民研究表明,破裂前期组与破裂组在形态学指标及瘤体低壁面切应力面积比(LSA)、瘤体剪切震荡指数(OSI)等血流动力学指标上差异无统计学意义,而破裂前期组平均瘤体壁面切应力(WSS)较破裂组显著降低(P=0.024);其中颈体比(AR)与LSA和OSI存在正相关关系,体径比(SR)与平均瘤体WSS存在负相关关系。结论处于破裂前期的颅内动脉瘤与破裂颅内动脉瘤有着相似形态学及血流动力学特征,较低的WSS和子囊的形成可能是促进动脉瘤破裂的重要因素。而处于即将破裂状态的动脉瘤平均瘤体WSS比破裂组动脉瘤更低,大多数带有子囊的动脉瘤的OSI与其他不带有子囊的动脉瘤并不一样。几乎子囊的整个瘤壁都相对于母囊WSS更低,而目血流流速自子囊颈部开始即出现—个明显的下降。将子囊作为潜在的破裂出血点,并通过子囊的形态差异评估动脉瘤破裂的风险。目前大多数研究认为,低WSS和高OSI与动脉瘤破裂相关。

CFD辅助颅内动脉瘤治疗选择?

对于巨大动脉瘤和分叶状动脉瘤很难完全栓塞,部分栓塞动脉瘤内的血流在影响动脉瘤栓塞进程的同时,也会被弹簧圈的位置所影响;动脉瘤内的流场也会被载瘤动脉的形状所影响。Byun等应用旁瘤模型研究了弹簧圈的位置以及载瘤动脉的形状对动脉瘤栓塞的影响,结果发现,与瘤顶栓塞的动脉瘤相比,远端瘤颈栓塞的动脉瘤入口处血流速度较小而低剪切力区域较大,因为流入量小和低剪切力等因素更易于形成血栓,所以远端瘤颈应该是栓塞的有效部位。

介入是处理椎基底动脉瘤的重要手段,通过改变血流动力学模式促进瘤内血栓形成,但是阻塞哪一侧椎动脉则需要分析研究其阻塞后的结果。Hassan等研究了一个巨大椎基底动脉瘤,比较阻塞左侧和右侧椎动脉的结果;球囊实验显示右侧椎动脉的阻塞是处理该动脉瘤的最好选择,它可以改变动脉瘤的血流动力学,造成血栓形成。该数值模拟结果支持了球囊闭塞实验的结论。Canton等研究弹性硅胶旁瘤模型Neuroform支架治疗中,瘤颈部支架放置后流速、涡流状态以及剪切力减少的情况。作者先后测量在放置1个、2个和3个支架后,血流的最大平均速度、涡流状态以及剪切力等出现持续的降低,因此认为多个支架的应用可以明显减少动脉瘤腔内涡流的强度,导致作用于瘤壁压力强度的降低。这些研究均表明CFD的重要作用。