建立預(yù)測頸動脈粥樣硬化斑塊破裂風(fēng)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(yù)測頸動脈粥樣硬化斑塊破裂風(fēng)險的個體化虛擬模型的方法。
　　方法:基于高分辨率MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)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(yīng)力分布的關(guān)系。通過改變邊界條件來模擬現(xiàn)實中可能導(dǎo)致斑塊破裂的血流動力學(xué)變化,例如血壓升高等,計算斑塊應(yīng)力變化,并嘗試證實其與斑塊破裂的關(guān)系,從生物力學(xué)方面實現(xiàn)對斑塊破裂

2、風(fēng)險的個體化預(yù)測,為臨床預(yù)防和治療決策提供依據(jù)。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(xué)數(shù)據(jù)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(jìn)行簡單的數(shù)值模擬;
　　4.子課題。
　　1.個體化影像學(xué)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)為:
　　(1)斑塊纖維帽薄或不完整;
　　(2)斑塊有較大的脂質(zhì)壞死核心;
　　(3)斑塊內(nèi)出血;
　　(4)斑塊近管腔表面出現(xiàn)鈣化。
　　將此病例MRI數(shù)據(jù)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(biāo)本進(jìn)行血液流變學(xué)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(shù)(echo-tracking,ET):使用ALOKASSD-5500多普勒超聲診斷儀,配置ET技術(shù)和內(nèi)置數(shù)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(shù)(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(zhì)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(shè)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(nèi)動脈、頸外動脈出口處的血流速度波形,作為脈壓的補(bǔ)充。因為所用設(shè)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(jīng)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(jīng)驗豐富的護(hù)士測量3次,每次間隔10分鐘。所有測得數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)差或最小值最大值描述。
　　5.初步建立幾何模型
　　將上述dicom數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics軟件,初步建立幾何模型并進(jìn)行必要的前處理。

7、因為本研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尤其是網(wǎng)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(shù)值模擬
　　使用ansys大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)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(jìn)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(jù)上述步驟進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)結(jié)果進(jìn)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(guān)性。
　　結(jié)果:
　　1.獲得了5

8、7例高分辨率頸動脈MRI的掃描數(shù)據(jù)。
　　2.共測量了13例病例頸動脈的壓力應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(shù)值模擬。
　　5.通過初步的數(shù)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(dǎo)致斑塊破裂的血流動力學(xué)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(jié)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(zhǔn)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(nèi)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(dǎo)致其數(shù)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(yīng)該努力的方向。今后需要探索更加精確的技術(shù)和合理的算法以實現(xiàn)

11、無創(chuàng)性實時測量體內(nèi)組織的彈性。
　　4.數(shù)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(yīng)力等,是分析斑塊破裂生物力學(xué)機(jī)制的有效方法。
　　5.建立預(yù)測斑塊破裂的虛擬模型是一項難度很大的工作,需要經(jīng)過無數(shù)次的實驗、修改、調(diào)整,并且需要臨床醫(yī)生、影像學(xué)醫(yī)師、生物力學(xué)專家、計算機(jī)專家等不同學(xué)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(jī)模擬中的載荷情況