基于个性化Willis环体外模型的脑动脉瘤血流动力学研究

摘要

我国蛛网膜下腔出血的年发病率为5/100，000-20/100，000人，其中动脉瘤所致者占52％。颈内动脉眼动脉段动脉瘤发生在颈内动脉和眼动脉的分叉处，占颅内动脉瘤的0.47％-9.26％。由于其手术空间狭小，一直是神经外科手术的技术难点。另一方面，由于有许多因素都会影响动脉瘤的形成和增长，有必要采用能够反映局部和整体脑血流特性的方法，以揭示动脉瘤形成因素之间的相互作用。
　　 为了探究动脉瘤的形成机理，本文通过生物力学方法研制出基于脑部计算机断层扫描图像的个性化脑Willis环体外模型，保证了模型结构的真实性，实验模型的透光性和可重复性。并通过体外灌流实验观测颈内动脉眼动脉段动脉瘤以及整个Willis环内的流动和溶液传输特性，考察了Willis环通过交通动脉的血液调节作用，揭示了动脉瘤的存在对脑部供血的影响。
　　 本文的研究内容包括以下三个方面:
　　 复杂血管的计算机三维重建。首先基于Simpleware软件构建了Willis环的三维有限元模型。然后开发了图像处理和结构化六面体网格生成算法，解决了复杂血管分叉连接问题，并成功应用于不同分叉血管及肾脏的三维重建，经过适当扩展，可以应用到Willis环的三维模型重建。为真实结构血管内血流动力学分析提供了较好的计算建模方法。
　　 个性化Willis环透明体外模型的研制。开发了一套基于医学图像制作复杂结构体外模型的方法。这一方法通过单纯的模板堆砌，及不同热物性及光学材料的组合，实现了复杂血管网模型的一次成型。为复杂血管体外模型的制作，提供了除三维打印机以外的低成本、快捷有效的方法。
　　 Willis环内流动特性的可视化实验。首先搭建了体外灌流实验平台。通过植入U型管超声体模实验确立了压力，流量以及温度等参数的测试方法。并通过在左右两侧颈动脉以及基底动脉注入墨水溶液，考察了不同结构Willis环内的溶液传输特性。最后，运用特殊的示踪粒子灌注液，并结合高速摄影仪考察了Willis环内的流动特性。首次获得了脑动脉瘤与Willis环内流动特性相互作用的实验结果。
　　 Willis环墨水溶液传输特性实验表明，不同动脉所供给的组织区域不同，其中，颈动脉基本仅供应同侧的中脑动脉、前脑动脉、眼动脉区域，而来自基底动脉的溶液所供给的区域较广，甚至可以覆盖整个Willis环。当Willis环结构改变后，颈动脉和基底动脉所供给的区域将会发生变化。
　　 流动可视化实验进一步表明，发生颈动脉-眼动脉瘤后，除了两侧眼动脉流
　　 量外，左右两侧Willis环内的流量较没有动脉瘤时更加平衡，三个交通动脉的流量明显升高，说明Willis环通过交通动脉的调节作用增加显著。另外，当发生动脉瘤以后，同侧的眼动脉的流量增大，左右两侧眼动脉流量差距明显升高。最后，从瞬时速度分布中可以看出，在无瘤和有瘤的完整Willis环结构内，后交通动脉的瞬态速度波动最为明显，有时会出现回流。
　　 这些结果表明，颈动脉-眼动脉瘤的存在明显地改变了整个Willis环内以及眼动脉的流动和传质特性，在Willis环内通过交通动脉使得脑组织内的血流达到重新分配。这一研究从整体和局部揭示了动脉瘤对脑血流的影响，将为探究动脉瘤的发生机制提供有益的帮助。

目录

声明

摘要

中英文词汇对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 Willis环简述

1．1．2 脑动脉瘤

1．1．3 脑动脉瘤的检测与治疗

1．1．4 颈动脉-眼动脉瘤

1．2 国内外研究进展综述

第二章 Willis环三维有限元模型的重建

2．1 基于Simpleware软件的Willis环模型的三维重建

2．2 基于医学影像建模的算法开发

2．2．1 图像处理

2．2．2 网格划分

2．2．3 基于连续堆砌方式的三维重构

2．2．4 复杂分叉血管模型的重建

小结

第三章 个性化Willis环体外模型的制作

3．1 Willis环模板的制作

3．1．1 基于Simpleware软件的模板截面获取

3．1．2 基于MATLAB图像处理

3．1．3 基于作图软件CorelDRAW的图像加工

3．1．4 模板加工及保存

3．2 Willis环实体骨架的制作

3．3 透明硅橡胶体模的制作

3．3．1 硅橡胶体模的制作流程

3．3．2 骨架模型的移除

3．3．3 透明硅橡胶Willis环体模

3．4 瘤变Willis环体外模型的制作

小结

第四章 实验台的措建以及实验方法探究

4．1 实验台的搭建以及装置简介

4．2 参数测试实验--植入U型管的仿生体模的流动及传热特性实验

4．2．1 实验控制

4．2．2 压力监控系统的测试

4．2．3 速度测量系统的测试

4．2．4 测试结果与讨论

4．3 Willis环流动特性测试实验台的扩展

4．3．1 实验装置的改进

4．3．2 Willis环模型及入出口连接的改进

4．3．3 示踪粒子的改进

小结

第五章 基于个性化Willis环体外实验

5．1 溶液传输实验

5．2 流动可视化实验的参数设定

5．3 结果与讨论

5．3．1 Willis环内溶液传输特性

5．3．2 Willis环内的流动特性

5．4 基于Fluent软件的数值模拟

小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

附录Ⅰ 生物组织形态获取方法之石蜡切片的制作流程

附录Ⅱ 在体血管观测方法

Ⅱ．1 背部视窗支架的设计

Ⅱ．2 老鼠背部视窗的在体实验

Ⅱ．3 大鼠背部微循环血管网的拍摄

附录Ⅲ 体外仿生物超声体模的制作及温度场测试方法

Ⅲ．1 仿生物超声体模的制作

Ⅲ．2 温度场测试方法

附录Ⅳ 流动可视化-示踪粒子的选择

附录Ⅴ 流动实验中注射泵的使用方法

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果