張 婭，習(xí)曉楠，張家鳴，孫景浩，李 騰，詹 桐，宗會(huì)遷

（1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院，石家莊050000；2.河北醫(yī)科大學(xué)，石家莊050017）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，人體虛擬器官三維模型因其立體、直觀的特點(diǎn)在臨床診斷、手術(shù)仿真、術(shù)前規(guī)劃和生物力學(xué)分析等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。頸動(dòng)脈狹窄在中老年人中最為常見(jiàn)，且經(jīng)常伴有各種心腦血管危險(xiǎn)因素，嚴(yán)重影響患者生活健康。頸動(dòng)脈狹窄的治療經(jīng)歷了藥物治療、顱內(nèi)外動(dòng)脈吻合術(shù)、頸動(dòng)脈內(nèi)膜剝脫術(shù)、血管內(nèi)支架置入術(shù)幾個(gè)階段[4]。1990年，Mathias首先報(bào)道臨床上使用Wallstent支架行經(jīng)皮腔內(nèi)血管成形術(shù)（percutaneous transluminal angioplasty，PTA）治療頸動(dòng)脈狹窄，Higashida于1997年首先報(bào)道臨床上采用支架置入結(jié)合彈簧圈治療顱內(nèi)動(dòng)脈瘤[5-6]。現(xiàn)在支架正廣泛應(yīng)用于出血性和缺血性腦血管疾病的治療，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展也取得了令人矚目的療效[7-9]。目前臨床上多采用頸動(dòng)脈支架血管成形術(shù)（carotid artery stenting，CAS）治療頸動(dòng)脈狹窄。該方法適應(yīng)證廣泛，但無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可行性有待進(jìn)一步研究。

支架置入術(shù)費(fèi)用比較高，尤其是進(jìn)口支架，一般普通患者難以支付。若要在取得較好治療效果的前提下，減少不必要的醫(yī)療投入，則應(yīng)該根據(jù)患者臨床表現(xiàn)、頸動(dòng)脈狹窄程度和嚴(yán)格手術(shù)適應(yīng)證對(duì)患者實(shí)施個(gè)體化治療。由于血流動(dòng)力學(xué)障礙引起的低灌注是頸動(dòng)脈狹窄或閉塞的關(guān)鍵機(jī)制，而頸動(dòng)脈支架置入可以引起急性血流動(dòng)力學(xué)改變，顯著影響血流灌注、狹窄血流恢復(fù)，使全腦血流動(dòng)力學(xué)變化經(jīng)歷一個(gè)由平衡被打破到另一個(gè)平衡全新建立的復(fù)雜過(guò)程。如果術(shù)前對(duì)這種血流變化進(jìn)行評(píng)估，可預(yù)估頸動(dòng)脈狹窄的治療效果[10-13]。

在三維重建中，Mimics和Geomagic 2個(gè)軟件較為常用[14]。Mimics軟件是由比利時(shí)Materialise公司研發(fā)的一種可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的逆向軟件，但Mimics軟件建立的3D模型會(huì)因模型不均勻而出現(xiàn)孔洞、釘狀物等不符合真實(shí)結(jié)構(gòu)的缺陷。故本研究在使用Mimics軟件對(duì)頸動(dòng)脈狹窄圖像進(jìn)行三維重建的基礎(chǔ)上，采用Geomagic軟件對(duì)模型進(jìn)行處理，得到更加真實(shí)的血管3D模型。再使用Solidworks軟件對(duì)完整的模型進(jìn)行修整編輯，模擬手術(shù)去狹窄治療，以便于提前制訂個(gè)性化手術(shù)方案，預(yù)估手術(shù)效果，提高治療的安全性。

1 方法

1.1 病例選擇

本研究從河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院影像科篩選出頭頸部CT血管造影（CT angiography，CTA）頸動(dòng)脈狹窄掃描數(shù)據(jù)（Philips iCT，掃描間距1 mm）典型病例進(jìn)行處理，如圖1所示?；颊哂跋駥W(xué)診斷為右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄，右側(cè)頸外動(dòng)脈中度狹窄?；颊邔?duì)實(shí)驗(yàn)研究知情同意。

1.2 三維重建

圖1 頭頸部CTA頸動(dòng)脈狹窄圖像

本研究對(duì)右側(cè)頸動(dòng)脈分支進(jìn)行重建。將所選病例的Dicom格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件中，利用閾值分割技術(shù)（閾值設(shè)置為150～3 071），分選出閾值范圍內(nèi)的血管及相近組織進(jìn)行三維重建，獲得包含頭頸部骨組織和血管系統(tǒng)的3D圖像。在此基礎(chǔ)上，采用手動(dòng)分割方法，選中頸動(dòng)脈閾值，刪除骨組織，再分離出血管系統(tǒng)（如圖2左半部分所示）。最后進(jìn)行3D模型計(jì)算，把動(dòng)脈與其他無(wú)關(guān)部分全部分離，獲得頸動(dòng)脈分支，以STL格式導(dǎo)出保存。由于Mimics軟件生成的3D模型是一種僅能代表幾何表面特征的曲面模型，不適合三維模型編輯，也不能直接導(dǎo)入有限元分析軟件，因此需要將該曲面模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。而且由于Mimics軟件生成的模型存在不均勻性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失會(huì)出現(xiàn)孔洞，保存的STL文件需要在Geomagic軟件中進(jìn)行修補(bǔ)，以達(dá)到修復(fù)模型的目的。修復(fù)形成的完整的頸動(dòng)脈分支模型如圖2右半部分所示。

圖2 修復(fù)分割右側(cè)頸動(dòng)脈分支

1.3 頸動(dòng)脈狹窄手術(shù)模擬

所選病例右側(cè)頸動(dòng)脈存在狹窄，右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄，右側(cè)頸外動(dòng)脈起始部中度狹窄。臨床重度狹窄手術(shù)治療方案較明確，一般進(jìn)行手術(shù)治療，而中度狹窄既可手術(shù)治療又可藥物治療。為提高治療準(zhǔn)確性，本研究關(guān)注中度狹窄位置的去狹窄手術(shù)治療效果，判斷是否需要進(jìn)一步治療。

將利用Geomagic軟件得到的模型導(dǎo)入Solidworks軟件中。首先模擬去狹窄手術(shù)，對(duì)狹窄部位進(jìn)行修正。切去狹窄部位，切除范圍應(yīng)包括狹窄部位至血管直徑正常位置。再結(jié)合血管生理走形，從狹窄起始端至狹窄結(jié)束端補(bǔ)充一段直管模型，替代狹窄部位，得到一個(gè)無(wú)狹窄的血管模型。

1.4 有限元計(jì)算

利用有限元軟件ANSYS對(duì)重建后的頸動(dòng)脈狹窄模型和去狹窄模型進(jìn)行計(jì)算。利用有限元法，劃分網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件，將血液設(shè)為牛頓流體，密度為1 020 kg/m3，黏度為0.003 5 kg/m·s[15-17]。對(duì)模型進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算，獲得血液流速、壁面切應(yīng)力等血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2 結(jié)果

重建的右側(cè)頸總動(dòng)脈分為頸內(nèi)動(dòng)脈和頸外動(dòng)脈，如圖3（a）所示。由模型可知，頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄，頸外動(dòng)脈中度狹窄，與臨床診斷結(jié)果一致，重建模型符合患者實(shí)際頸動(dòng)脈情況。因此利用三維重建可以準(zhǔn)確、直觀地判斷患者頸動(dòng)脈狹窄程度。

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行處理，將狹窄血管替換為正常管徑血管，消除狹窄，模擬手術(shù)治療，修正狹窄部位，建立右側(cè)頸外動(dòng)脈去狹窄模型，如圖3（b）所示。由模型可知，頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄，頸外動(dòng)脈正常，無(wú)狹窄。

圖3 重建的血管模型

對(duì)狹窄消除前后的三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算，其流線圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)，頸外動(dòng)脈狹窄處血流速度較高。狹窄消除后，原狹窄處血流速度下降，但是頸外動(dòng)脈出口血流速度變化不大。另外，狹窄病變模型頸外動(dòng)脈狹窄出口位置存在渦流，且頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄處血流呈渦流。狹窄消除后，頸外動(dòng)脈和頸內(nèi)動(dòng)脈渦流有所改善。

圖4 頸外動(dòng)脈狹窄病變流線圖

頸外動(dòng)脈狹窄消除前后的壁面切應(yīng)力對(duì)比如圖5所示?？梢钥闯?，越靠近狹窄處壁面切應(yīng)力值越大，最高處約為80 Pa。頸外動(dòng)脈狹窄消除后壁面切應(yīng)力明顯改善，降至20～30 Pa，頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄處壁面切應(yīng)力同樣有所下降。

3 討論

圖5 頸外動(dòng)脈狹窄病變壁面切應(yīng)力圖

近年來(lái)，腦缺血性疾病已經(jīng)逐漸成為威脅人們生命健康的疾病，而頸動(dòng)脈狹窄正是缺血性腦卒中的重要致病因素之一，因此，對(duì)于頸動(dòng)脈狹窄的預(yù)防和治療已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的重要課題。頸動(dòng)脈支架置入術(shù)以其微創(chuàng)、安全性高、恢復(fù)速度快、可以明顯改善腦內(nèi)血液循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為頸動(dòng)脈狹窄治療的重要手段[18]。而對(duì)于擬行頸動(dòng)脈支架置入術(shù)的患者，其頸動(dòng)脈狹窄的程度、狹窄的位置、身體狀況是否足以支持手術(shù)，在置入支架后其腦內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)能否有所改善、頸動(dòng)脈狹窄的癥狀能否有所減輕、其改善情況能否達(dá)到臨床的預(yù)期效果都是評(píng)價(jià)是否進(jìn)行手術(shù)的重要指標(biāo)[19]。

本研究利用三維重建技術(shù)，選取頸動(dòng)脈狹窄CT影像圖像，使用Mimics、Geomagic和Solidworks軟件進(jìn)行處理和逆向重構(gòu)。手動(dòng)處理頸動(dòng)脈狹窄三維模型，重建患者頸動(dòng)脈狹窄分支模型，并對(duì)三維模型進(jìn)行修正和編輯，構(gòu)建去狹窄治療模型，模擬去狹窄手術(shù)治療，并進(jìn)行有限元計(jì)算[20-21]。該方法可模擬支架手術(shù)治療，直觀支架置入效果，并且可以用于血流動(dòng)力學(xué)分析研究[22]。

支架置入直接改變血管內(nèi)的血流環(huán)境，而血流動(dòng)力學(xué)因素和血管重塑密切相關(guān)[23-25]。血流的異常流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)因素改變，同時(shí)誘發(fā)血管重塑性疾病[26]。去狹窄手術(shù)會(huì)顯著影響?yīng)M窄位置的血流速度，如圖4所示。本文的有限元計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于頸外動(dòng)脈中度狹窄，頸外動(dòng)脈去狹窄治療可以改善血流灌注，但是影響不明顯，可以根據(jù)患者具體情況，采取治療手段。而去狹窄手術(shù)影響?yīng)M窄位置的壁面切應(yīng)力，頸外動(dòng)脈狹窄消除后，壁面切應(yīng)力有所下降，接近正常，如圖5所示。壁面切應(yīng)力與動(dòng)脈粥樣硬化密切相關(guān)。過(guò)高的壁面切應(yīng)力容易使斑塊脫落，損傷內(nèi)皮細(xì)胞。非正常的低壁面切應(yīng)力會(huì)造成粒子（如血脂質(zhì)）滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，是動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因素之一[27-30]。

綜上所述，本研究介紹了一種完全虛擬的手術(shù)方法，可為手術(shù)指征不明確的患者提供幫助。比如本病例中的中度狹窄，去狹窄手術(shù)雖能改善血流，但是并不十分明顯，考慮患者年齡、基礎(chǔ)病等情況，該患者最終進(jìn)行了重度狹窄的支架手術(shù)，對(duì)中度狹窄未做手術(shù)。本研究中虛擬手術(shù)結(jié)果由血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出，各參數(shù)設(shè)置符合人體實(shí)際，研究結(jié)果符合血流動(dòng)力學(xué)規(guī)律，且由臨床醫(yī)生參考判斷，結(jié)果具有參考價(jià)值。但本研究存在一定的局限性，如病例數(shù)量較小。后續(xù)研究會(huì)增加樣本量，追蹤患者術(shù)后實(shí)際病例數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，以提高該方法的準(zhǔn)確性。