脑动脉瘤介入性放射学治疗前后的脑动脉形态学与力学有限元研究

摘要

目的:脑动脉瘤或称颅内动脉瘤，是自发性蛛网膜下腔出血最常见病因，严重危害人类健康。本研究应用有限元分析方法，利用一个右侧颈内动脉后交通动脉瘤患者的三维数字减影血管造影(3-dimensional digitalsubtraction angiography,3D-DSA)影像，建立脑动脉瘤栓塞前后的三维血管模型并使用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)软件分别对脑动脉瘤栓塞前后的血管模型进行三维血流数值模拟，分析动脉瘤及载瘤动脉的血流动力学特征。论证此方法的科学性与实用性;探讨动脉瘤血流动力学特征与动脉瘤发生、发展和破裂的关系，为动脉瘤的介入治疗提供理论依据。
　　 方法:对自发性蛛网膜下腔出血的患者行数字减影血管造影(digitalsubtraction angiography, DSA)检查，在常规二维造影影像中发现动脉瘤后，进行三维造影，获得高分辨率的3D-DSA影像。利用血管机自带AW4.3影像工作站进行三维重建并输出动脉切片影像。使用Mimics14.0软件将动脉切片影像重建出动脉瘤及载瘤动脉的三维轮廓，保存为STL格式文件。再使用Geomagic Studio12.0软件对STL模型进行裁剪、打磨等处理，使模型优化。再采用有限元的方法对模型进行计算流体力学分析。分析过程包括前处理、求解、后处理三部分。前处理包括使用ICEM CFD13.0软件对模型进行三维网格划分;使用ANSYS CFX13.0软件对血流的控制方程和密度、压力等相关参数进行设置。求解过程为利用ANSYS CFX13.0软件进行三维血流动力学数值模拟，分析脑动脉瘤内的速度场，压力分布、壁面切应力分布等重要血流动力学参数。后处理过程是利用ANSYSCFX13.0软件设置观测点，提取数据。观测指标包括各时间步的整体矢量图、整体流线图、壁面压力图、壁面切应力图、观测点压力曲线变化及对比图表、动画演示等。在患者行脑动脉瘤栓塞后再按前面的方法建立术后血管的三维血流动力学模型，分析相关的血流动力学参数，并与术前模型的计算结果比较差异。
　　 结果:脑动脉瘤及载瘤动脉内的血流动力学参数均存在差异。动脉瘤内部的血流速度及壁面切应力有在瘤颈最高，瘤顶部及子瘤顶部最低的特点，瘤内压力差异不显著。栓塞术后的流速、壁面切应力和压力在原瘤颈部与在载瘤动脉处无显著差异。动脉瘤及载瘤动脉内的壁面切应力和壁面压力都与血流速度正相关。
　　 结论:
　　 1、基于患者个体高分辨率的三维数字减影血管造影影像建立的动脉瘤计算流体力学模型，可以模拟临床实际的血流动力学变化。
　　 2、动脉瘤顶部血流流速、壁面切应力值均为最低，这种特殊血流动力学改变可能是导致这些区域动脉瘤壁变薄弱的因素而与动脉瘤的发生、发展和破裂密切相关。
　　 3、动脉瘤瘤壁压力与动脉瘤附近载瘤动脉壁面压力无明显差异，压力可能不是动脉瘤的破裂主要原因。
　　 4、完全栓塞后动脉瘤，被排除在载瘤动脉血流循环之外，相应部位的血流动力学参数同等水平载瘤动脉其他区域的血流动力学参数相当。
　　 5、典型动脉瘤的数值模拟很好的反应了脑动脉瘤的血流动力学特性，结合血流动力学分析，对动脉瘤的实验及临床研究有很高的价值。
　　 6、对于基于患者个体的动脉瘤模型的血流动力学研究，有助于临床医生了解动脉瘤形态结构以外的深层次特性，更科学的制定动脉瘤治疗方案及评估预后。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1 临床资料

2 血流动力学数值模拟

3 统计分析

结果

1 动脉瘤模型速度场

2 动脉瘤壁面切应力分布

3 动脉瘤瘤壁压力分布

4 栓塞术后载瘤动脉速度场

5 栓塞术后载瘤动脉壁面切应力分布

6 栓塞术后载瘤动脉壁面压力分布

附图

附表

讨论

结论

参考文献

综述 脑动脉瘤计算流体力学模型的构建方法

致谢

个人简历