建立預測頸動脈粥樣硬化斑塊破裂風險的個體化虛擬模型的探索和前期研究.pdf

1、目的:探索建立預測頸動脈粥樣硬化斑塊破裂風險的個體化虛擬模型的方法。
　　方法:基于高分辨率MRI影像學數據建立真實的幾何模型,個體化測量研究病例的材料屬性與邊界條件,建立血液、血管壁及斑塊之間流固耦合作用下的頸動脈分叉處三維有限元模型,以期分析斑塊的形態(tài)、成分與應力分布的關系。通過改變邊界條件來模擬現實中可能導致斑塊破裂的血流動力學變化,例如血壓升高等,計算斑塊應力變化,并嘗試證實其與斑塊破裂的關系,從生物力學方面實現對斑塊破裂

2、風險的個體化預測,為臨床預防和治療決策提供依據。因課題工作量較大,本文僅介紹其前期工作,主要包括:
　　1.影像學數據的采集與處理;
　　2.測量個體化的材料屬性和邊界條件;
　　3.建立初步的幾何模型并進行簡單的數值模擬;
　　4.子課題。
　　1.個體化影像學數據的采集與處理
　　使用GESignaExcite3.0T高分辨率磁共振掃描儀掃描57例頸動脈粥樣硬化病人,觀察分析其斑塊影像,并從中選擇

3、一例作為研究對象,納入標準為:
　　(1)斑塊纖維帽薄或不完整;
　　(2)斑塊有較大的脂質壞死核心;
　　(3)斑塊內出血;
　　(4)斑塊近管腔表面出現鈣化。
　　將此病例MRI數據以dicom格式保存。
　　2.確定材料屬性
　　a)血液的密度和動態(tài)血液黏度
　　方法:抽血獲得該病例血液標本進行血液流變學檢測,獲得該病例的血液密度和動態(tài)血液黏度。
　　b)血管壁彈性模量

4、　　方法:超聲回聲跟蹤技術(echo-tracking,ET):使用ALOKASSD-5500多普勒超聲診斷儀,配置ET技術和內置數字化圖像管理系統(tǒng)(e—DMS)實時在體測量頸動脈壁彈性模量。
　　c)斑塊彈性模量
　　方法:實時定量剪切波彈性成像技術(shear wave elastography,SWE):使用Aix Plorer高頻幀超聲診斷儀及配套探頭測量斑塊(主要為纖維帽和脂質核)的彈性模量。
　　3.定義邊

5、界條件
　　a)血壓
　　方法一:利用Dyna Pulse(DP2000A)電子血壓儀測量肱動脈收縮壓和舒張壓,并利用公式計算頸動脈血壓。
　　方法二:利用上述超聲儀器測量頸動脈血壓。因為所用設備相同,此項測量可以與彈性模量測量同時完成。
　　b)血流速度
　　方法:利用彩色多普勒超聲測量頸總動脈入口,頸內動脈、頸外動脈出口處的血流速度波形,作為脈壓的補充。因為所用設備相同,此項測量可以與彈性模量測量同時完

6、成。
　　4.統(tǒng)計方法
　　興趣病人研究部位的彈性模量及血流速度由同一經驗豐富的超聲科醫(yī)師測量3次,每次間隔5分鐘;血壓由同一經驗豐富的護士測量3次,每次間隔10分鐘。所有測得數據利用SPSS17.0軟件分析處理。針對興趣病例的測量值,以平均值表示;針對所有病例的測量值以平均值±標準差或最小值最大值描述。
　　5.初步建立幾何模型
　　將上述dicom數據導入mimics軟件,初步建立幾何模型并進行必要的前處理。

7、因為本研究結構復雜,尤其是網格劃分部分工作量龐大,本文僅對其做簡單的處理。
　　6.初步數值模擬
　　使用ansys大型有限元軟件進行數值模擬,其中使用測得的個性化的材料屬性和邊界條件,本文僅對模型的流體域進行了初步的計算。
　　7.子課題
　　建立小型豬頸動脈粥樣硬化模型,依據上述步驟進行數值模擬,根據結果進行實車碰撞試驗,嘗試證明碰撞瞬間的沖擊載荷與斑塊破裂的相關性。
　　結果:
　　1.獲得了5

8、7例高分辨率頸動脈MRI的掃描數據。
　　2.共測量了13例病例頸動脈的壓力應變彈性模量(pressure-strain elastic modulus,Ep)值:176.42±32.61kPa。研究病例的頸動脈壁Ep均值為165kPa。
　　3.共測量了17例病例的頸動脈粥樣硬化斑塊的彈性模量(Young’s elastic modulus,E)值:最小值8kPa,最大值689kPa。脂質核的彈性模量為:77±46kPa,

9、平滑肌和膠原纖維的彈性模量1.3±0.91mPa。研究病例的斑塊E均值為114kPa,脂質核的E均值為53kPa,纖維帽E均值為537kPa。
　　4.初步完成了簡單的幾何建模和數值模擬。
　　5.通過初步的數值模擬可見頸動脈分叉處存在著湍流等紊亂血流。動脈狹窄處的血流流速、壁面剪切力和壓力明顯增加,可能成為導致斑塊破裂的血流動力學因素。
　　6.建立了小型豬頸動脈粥樣硬化模型,并完成了碰撞試驗。
　　結論:

10、r>　　1.高分辨MRI可以無創(chuàng)性的測量斑塊形態(tài),對斑塊各成分的大小、形狀判斷較準確,是目前判斷斑塊成分的較好方法。
　　2.實時無創(chuàng)地測量了頸動脈及斑塊彈性模量,由于斑塊的組成成分等因素影響所以彈性模量差別很大。
　　3.目前的體內組織彈性模量的測量方法存在較大的局限性,影響因素較多,導致其數值與真實情況存在一定差距。雖然如此,測量個性化的材料屬性和邊界條件仍然是應該努力的方向。今后需要探索更加精確的技術和合理的算法以實現

11、無創(chuàng)性實時測量體內組織的彈性。
　　4.數值模擬方法可以明確的顯示頸動脈分叉處的血液流速、流線、流場、壁面剪切力、應力等,是分析斑塊破裂生物力學機制的有效方法。
　　5.建立預測斑塊破裂的虛擬模型是一項難度很大的工作,需要經過無數次的實驗、修改、調整,并且需要臨床醫(yī)生、影像學醫(yī)師、生物力學專家、計算機專家等不同學科研究人員的密切合作。
　　6.實車碰撞方式,受力方式、位置、大小不易控制,不容易模擬計算機模擬中的載荷情況