顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血液動(dòng)力學(xué)分析——基于患者的3D計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、第一部分病人特征性顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維血流動(dòng)力學(xué)剛性壁模型的建立及探討
　　目的：通過病人CTA或3D-DSA數(shù)據(jù)，建立病人特異性三維血流動(dòng)力學(xué)剛性壁模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法分析模型的血流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，并對(duì)可能對(duì)模型計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響的因素，包括網(wǎng)格密度、流體的特性及模型合適的載瘤動(dòng)脈截取方法進(jìn)行探討，確定合適的模型建立條件，使得計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠。材料方法：選取2例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者，通過CTA或3D-DSA數(shù)據(jù)，重建動(dòng)脈瘤幾何模型，然

2、后利用商用CFD軟件ANSYS CFX12.0，并使用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬。再次分別選取1-2例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤進(jìn)行模型重建，計(jì)算并比較不同網(wǎng)格劃分(按照網(wǎng)格最大徑的不同劃分)，不同流體特性(牛頓流體和非牛頓流體)，以及不同模型截取方法(載瘤動(dòng)脈不同的保留方式)對(duì)動(dòng)脈瘤流場(chǎng)的影響。結(jié)果：建立2例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型的血流流速、流線、WSS等血流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)。不同網(wǎng)格密度劃分對(duì)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)存在顯著的影響，隨網(wǎng)格密

3、度的增大，平均WSS增大，在0.4 mm～0.25 mm網(wǎng)格直徑模型，網(wǎng)格最大徑每下降0.05 mm，WSS相應(yīng)變化約8％-15％，0.25 mm～0.15 mm網(wǎng)格直徑之內(nèi)的模型，WSS變化均在5％以內(nèi)。牛頓流體及非牛頓流體模型下，模型的流線及瘤頸部位的流速差別很小，在心臟收縮末期WSS及整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)平均WSS差別也較小，最大約相差3.59％。入口截取過短，會(huì)低估動(dòng)脈瘤區(qū)域流線的復(fù)雜程度，動(dòng)脈瘤沖擊范圍減小，流速減慢，同時(shí)導(dǎo)致沖擊區(qū)

4、域WSS估計(jì)錯(cuò)誤；出口對(duì)模型的流線、WSS等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響較小。結(jié)論：通過建立病人特異性三維血流動(dòng)力學(xué)剛性壁模型，可以獲得動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，為研究動(dòng)脈瘤的生長、破裂等的血流動(dòng)力學(xué)因素提供了良好的平臺(tái)。CTA及3D-DSA圖像，通過第三方軟件均可以建立三維動(dòng)脈瘤模型，3D-DSA重建的模型分辨率更高，模型簡化、光滑化等處理更容易，但CTA可一次重建全腦血管，對(duì)于存在雙側(cè)供血?jiǎng)用}的動(dòng)脈瘤，如前交通動(dòng)脈瘤及基底動(dòng)脈瘤，CTA是更

5、好的選擇。不同的網(wǎng)格密度，對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型，選用的網(wǎng)格最大徑應(yīng)小于0.25mm，以保證計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。牛頓流體及非牛頓流體對(duì)模型內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)影響很小，因此使用牛頓流體代替非牛頓流體進(jìn)行CFD的數(shù)值模擬，結(jié)果是可信的。模型載瘤動(dòng)脈的不同截取方法可能對(duì)CFD的模擬結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，因此在建立模型時(shí)，應(yīng)考慮如何正確的截取模型，入口處應(yīng)位于載瘤動(dòng)脈直管段，且不可距離動(dòng)脈瘤過近，入口段載瘤動(dòng)脈至動(dòng)脈瘤應(yīng)保留足夠的

6、長度，保證血流在其中能充分發(fā)展。出口保留的長度對(duì)動(dòng)脈瘤模型的影響較小。
　　第二部分顱內(nèi)破裂動(dòng)脈瘤與非破裂動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)配對(duì)參數(shù)比較
　　目的：三維重建發(fā)生破裂的顱內(nèi)鏡像動(dòng)脈瘤，利用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行模擬，研究與顱內(nèi)破裂動(dòng)脈瘤相關(guān)的血流動(dòng)力學(xué)因素。材料方法：旋轉(zhuǎn)DSA診斷的9例鏡像動(dòng)脈瘤患者，每例患者均分為破裂組動(dòng)脈瘤及非破裂組動(dòng)脈瘤，計(jì)算WSS及OSI等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)并進(jìn)行比較。結(jié)果：心臟手術(shù)末期，動(dòng)脈瘤區(qū)域平均WSS

7、與載瘤動(dòng)脈平均WSS，在破裂組中，有明顯的差別，8.78±3.57Pa VS6.49±3.48pa(P=0.015)，非破裂在中差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，9.80±4.12Pa VS10.17±7.48pa(P=0.678)。破裂組動(dòng)脈瘤，平均地WSS范圍為12.20±18.08％，非破裂組為3.96±6.91％，兩組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.015)。破裂組的動(dòng)脈瘤區(qū)域平均的震蕩因子(OSI)為0.0879±0.0764，未破裂組為0.018

8、3±0.0191，破裂組明顯高于非破裂組(P=0.008)。結(jié)論：鏡像動(dòng)脈瘤是一個(gè)非常有效的動(dòng)脈瘤疾病模型，可用于研究與動(dòng)脈瘤破裂相關(guān)的血流動(dòng)力學(xué)因素。破裂動(dòng)脈瘤表面平均WSS較低，具有更大范圍的低WSS區(qū)域，同時(shí)OSI明顯高于非破裂組動(dòng)脈瘤。
　　第三部分病人特征性顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維血流動(dòng)力學(xué)彈性壁模型的建立及初步探討
　　目的：通過病人3D-DSA數(shù)據(jù)，建立病人特征性顱內(nèi)動(dòng)脈瘤三維血流動(dòng)力學(xué)彈性壁模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法

9、分析模型的血流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，并分析不同彈性楱量對(duì)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力的影響。材料方法：選取1例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者，通過3D-DSA重建動(dòng)脈瘤幾何模型，然后利用商用CFD軟件ANSYS Workbench12.0及CFX12.0，使用有限元方法進(jìn)行流固耦合模擬。再次選取2例顱內(nèi)動(dòng)脈瘤分別建立動(dòng)脈瘤彈性壁模型(按照假設(shè)動(dòng)脈瘤彈性模量的不同E=2MPa、10MPa、40MPa分別建立)及剛性壁模型，然后利用商用CFD軟件ANSYSWorkbench1

10、2.0及CFX12.0，并使用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬，比較不同彈性模量模型間及與剛性壁模型的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異。結(jié)果：建立顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的三維彈性壁模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，并模擬了血管壁及血流特征性參數(shù)，包括血管壁Von Mises應(yīng)力、變形，血管腔內(nèi)的流場(chǎng)。模型中變形最大的區(qū)域位于動(dòng)脈瘤體部，動(dòng)脈瘤高應(yīng)力區(qū)域集中分布在動(dòng)脈瘤瘤頸部。對(duì)彈性壁模型間比較及與剛性壁模型的比較研究結(jié)果顯示隨著彈性模量的增大，模型變形減小，模型中彈性壁對(duì)WSS分布及大