腦室系統(tǒng)數(shù)字模型的建立及腦脊液循環(huán)的計(jì)算流體力學(xué)分析.pdf

1、目的:腦脊液(cerebral spinal fluid CSF)是一種無色透明的液體，產(chǎn)生于各腦室脈絡(luò)叢，在腦室和蛛網(wǎng)膜下隙內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。腦脊液循環(huán)素有人體第三循環(huán)之稱，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)起著淋巴液的作用。除了運(yùn)輸和營養(yǎng)作用之外，腦脊液對(duì)緩沖腦和脊髓的壓力，對(duì)腦和脊髓具有重要的保護(hù)和支持作用。此外，腦脊液對(duì)顱內(nèi)壓的調(diào)節(jié)起著主要作用。顱腦病變導(dǎo)致顱內(nèi)壓改變時(shí)，檢測(cè)腦脊液循環(huán)變化是重要的觀測(cè)指標(biāo)。本研究的目的第一是運(yùn)用真實(shí)人體頭部核磁共振數(shù)據(jù)，

2、建立腦室系統(tǒng)的三維數(shù)字模型，以探索快速個(gè)性化建模的方法;第二是利用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)中腦導(dǎo)水管進(jìn)行雙向固-流耦合流體力學(xué)分析，對(duì)正常中腦導(dǎo)水管不同位置的腦脊液流動(dòng)方向，流速、剪切力、變形等進(jìn)行計(jì)算分析，以其初步探索腦組織與腦脊液相互作用關(guān)系。
　　腦脊液的可視化流體力學(xué)分析可以對(duì)臨床病情的發(fā)展及治療進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。本研究采用真實(shí)的顱腦MR數(shù)據(jù)建模，建立腦室系統(tǒng)三維立體模型，對(duì)正常顱腦中腦導(dǎo)水管處腦脊液循環(huán)進(jìn)行雙向固-流耦合

3、力學(xué)分析，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。
　　方法:
　　本研究包括兩部分內(nèi)容;
　　1建立腦室系統(tǒng)的數(shù)字模型:首先常規(guī)采集一例正常受檢者的顱腦MR圖像，將MR掃描圖像以DICOM格式導(dǎo)入到mimics14.0軟件中，設(shè)定域值，利用mimics工具在MR的T2、T1圖像上手動(dòng)分割出腦室系統(tǒng)。利用mimcs
　　三維重建功能，將平面圖像重建出立體圖像。將三維圖像進(jìn)行平滑處理后再導(dǎo)入3-matic軟件，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格加密

4、，最后生成包括整個(gè)腦室系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型。
　　2中腦導(dǎo)水管的計(jì)算流體力學(xué)分析:在3-matic軟件中，對(duì)腦室系統(tǒng)數(shù)字模型進(jìn)行切割，將中腦水管切出。然后對(duì)中腦水管進(jìn)行偏移，以生成管壁。利用mimics的輸出模塊將文件輸出。將模型文件導(dǎo)入Workbench13.0建立的流固耦合程序內(nèi)，分別對(duì)中腦水管管壁和流體域（腦脊液）進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性、邊界條件等設(shè)置。然后進(jìn)行流體分析設(shè)置和計(jì)算。最后設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。
　　

5、結(jié)果:本研究構(gòu)建了真實(shí)的腦室系統(tǒng)三維數(shù)字模型，及正常中腦水管處的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了瞬態(tài)雙向流-固耦合分析，得到以下相關(guān)
　　結(jié)果:
　　11本實(shí)驗(yàn)探索了利用活體MR數(shù)據(jù)建立個(gè)性化腦室系統(tǒng)數(shù)字模型的方法，對(duì)進(jìn)行不同疾病、外傷等情況下的顱內(nèi)壓力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)分析提供了模型基礎(chǔ)。
　　2建立的腦室系統(tǒng)模型可以清晰地看到各腦室的解剖結(jié)構(gòu)，包括側(cè)腦室的前角、后角、下角、中央部、室間孔;第三腦室的各個(gè)隱窩;第四腦室的正中孔、外側(cè)

6、孔等。此模型可以進(jìn)行任意角度觀察和分析。
　　3建立了中腦水管的有限元數(shù)字模型，并對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)分析。探索了可視化立體分析腦脊液循環(huán)的技術(shù)方法。
　　4通過計(jì)算得出了中腦水管處腦脊液流動(dòng)的一系列力學(xué)數(shù)據(jù)，包括上、下口的壓力、流速;腦脊液的流線、流速矢量;耦合面的壓力、剪切力;腦脊液與管壁的相互影響及管壁的變形等。
　　結(jié)論:本研究結(jié)果顯示:
　　1利用臨床顱腦MR掃描圖像及mimics軟件，可以迅速建立腦