顱內動脈瘤的血液動力學分析——基于患者的3D計算機模擬.pdf

1、第一部分病人特征性顱內動脈瘤三維血流動力學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力學剛性壁模型，應用計算流體力學的方法分析模型的血流動力學特征參數(shù)，并對可能對模型計算結果產(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脈截取方法進行探討，確定合適的模型建立條件，使得計算結果穩(wěn)定可靠。材料方法：選取2例顱內動脈瘤患者，通過CTA或3D-DSA數(shù)據(jù)，重建動脈瘤幾何模型，然

2、后利用商用CFD軟件ANSYS CFX12.0，并使用有限元方法進行數(shù)值模擬。再次分別選取1-2例顱內動脈瘤進行模型重建，計算并比較不同網(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(載瘤動脈不同的保留方式)對動脈瘤流場的影響。結果：建立2例顱內動脈瘤的三維模型并進行數(shù)值模擬，計算模型的血流流速、流線、WSS等血流動力學特征參數(shù)。不同網(wǎng)格密度劃分對動脈瘤血流動力學存在顯著的影響，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相應變化約8％-15％，0.25 mm～0.15 mm網(wǎng)格直徑之內的模型，WSS變化均在5％以內。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及整個心動周期內平均WSS差別也較小，最大約相差3.59％。入口截取過短，會低估動脈瘤區(qū)域流線的復雜程度，動脈瘤沖擊范圍減小，流速減慢，同時導致沖擊區(qū)

4、域WSS估計錯誤；出口對模型的流線、WSS等血流動力學參數(shù)影響較小。結論：通過建立病人特異性三維血流動力學剛性壁模型，可以獲得動脈瘤的血流動力學特征參數(shù)，為研究動脈瘤的生長、破裂等的血流動力學因素提供了良好的平臺。CTA及3D-DSA圖像，通過第三方軟件均可以建立三維動脈瘤模型，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，對于存在雙側供血動脈的動脈瘤，如前交通動脈瘤及基底動脈瘤，CTA是更

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

6、長度，保證血流在其中能充分發(fā)展。出口保留的長度對動脈瘤模型的影響較小。
　　第二部分顱內破裂動脈瘤與非破裂動脈瘤血流動力學配對參數(shù)比較
　　目的：三維重建發(fā)生破裂的顱內鏡像動脈瘤，利用計算流體力學方法進行模擬，研究與顱內破裂動脈瘤相關的血流動力學因素。材料方法：旋轉DSA診斷的9例鏡像動脈瘤患者，每例患者均分為破裂組動脈瘤及非破裂組動脈瘤，計算WSS及OSI等血流動力學參數(shù)并進行比較。結果：心臟手術末期，動脈瘤區(qū)域平均WSS

7、與載瘤動脈平均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)計學意義，9.80±4.12Pa VS10.17±7.48pa(P=0.678)。破裂組動脈瘤，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)計學意義(P=0.015)。破裂組的動脈瘤區(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)。結論：鏡像動脈瘤是一個非常有效的動脈瘤疾病模型，可用于研究與動脈瘤破裂相關的血流動力學因素。破裂動脈瘤表面平均WSS較低，具有更大范圍的低WSS區(qū)域，同時OSI明顯高于非破裂組動脈瘤。
　　第三部分病人特征性顱內動脈瘤三維血流動力學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動脈瘤三維血流動力學彈性壁模型，應用計算流體力學的方法

9、分析模型的血流動力學特征參數(shù)，并分析不同彈性楱量對動脈瘤血流動力的影響。材料方法：選取1例顱內動脈瘤患者，通過3D-DSA重建動脈瘤幾何模型，然后利用商用CFD軟件ANSYS Workbench12.0及CFX12.0，使用有限元方法進行流固耦合模擬。再次選取2例顱內動脈瘤分別建立動脈瘤彈性壁模型(按照假設動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力學參數(shù)差異。結果：建立顱內動脈瘤的三維彈性壁模型并進行數(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應力、變形，血管腔內的流場。模型中變形最大的區(qū)域位于動脈瘤體部，動脈瘤高應力區(qū)域集中分布在動脈瘤瘤頸部。對彈性壁模型間比較及與剛性壁模型的比較研究結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WSS分布及大