張 琪 林 強(qiáng) 楊海明 宿海超

牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院康復(fù)科，黑龍江牡丹江 157011

顱內(nèi)動脈瘤（intracranial aneurysm，IA）是一種嚴(yán)重的血管膨脹類疾病，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注[1]。對IA的治療方式主要是介入治療、夾閉手術(shù)等[2]。血流導(dǎo)向裝置（flow diverter，F(xiàn)D）是一種全新的介入治療方法，其原理為借助載瘤動脈的FD，使動脈瘤內(nèi)的血液流動狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而促進(jìn)動脈瘤內(nèi)的血栓形成，提高動脈瘤的介入治療效果[3-5]。

多孔介質(zhì)模型是一種基于計算流體力學(xué)（computation fluid dynamics，CFD）技術(shù)，利用多孔介質(zhì)CFD技術(shù)可模擬動脈瘤安裝FD的血液流變，實(shí)現(xiàn)動脈瘤介入手術(shù)的預(yù)后效果評估。本研究基于多孔介質(zhì)方法模擬FD，考察計算黏性阻力系數(shù)對動脈瘤內(nèi)血流狀態(tài)的影響，為動脈瘤介入治療臨床輔助決策提供借鑒和幫助。

1 方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院放射科1例IA患者CTA影像數(shù)據(jù)。掃描設(shè)備為GE 128排薄層CT設(shè)備，矩陣512×512，層數(shù)200，層距0.5 mm。影像掃描過程中，患者保持靜臥，肘部注射造影劑。本研究經(jīng)醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，患者知情同意并簽署同意書。

1.2 三維建模

IA影像數(shù)據(jù)為DICOM格式。應(yīng)用MIMICS（Materialise公司，比利時）軟件導(dǎo)入動脈瘤CTA影像數(shù)據(jù)，利用閾值分割、區(qū)域增長、蒙版編輯、三維重建等算法生成動脈瘤三維模型。將動脈瘤三維模型應(yīng)用逆向工程軟件Geomagic（3D System，美國）逆向?yàn)辄c(diǎn)線面體結(jié)構(gòu)的幾何模型。利用Solidworks（DASSAULT SYSTEM公司，法國）對動脈瘤幾何模型進(jìn)行切割，構(gòu)建出FD薄片模型，F(xiàn)D的厚度為0.05 mm。動脈瘤瘤體、FD、載瘤血管幾何模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 幾何模型結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)格劃分

將動脈瘤及FD幾何文件導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ANSYS Meshing（ANSYS公司，美國）中，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，F(xiàn)D與動脈瘤瘤體、載瘤血管連接處加密處理，確保FD徑向達(dá)到兩層以上。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量達(dá)80萬以上。

1.4 計算設(shè)置

計算采用FLUENT軟件，血流動力學(xué)為流體力學(xué)在血流領(lǐng)域的具體應(yīng)用，血流動力學(xué)本質(zhì)仍是流體力學(xué)，因此血流動力學(xué)遵循流體力學(xué)的Navier-Stokes方程，多孔介質(zhì)的運(yùn)用則是在Navier-Stokes中加入多孔介質(zhì)的動量源項(xiàng)目（momentum source term，MST）[6]。MST可以表示如下。

式中s為動量；μ為血液黏度；v為血流速度；ρ為血液密度；i為直角坐標(biāo)系方向編號；α為計算黏性阻力系數(shù)，C2慣性阻力系數(shù)。本研究多孔介質(zhì)模型FD的特異性常數(shù)值1/α為1.848 114×109，C2慣性阻力系數(shù)為1.111 28×104[5-7]。本研究為考察不同α對動脈瘤血流導(dǎo)向的影響，分別計算ɑ、ɑ/2、無FD三種條件下的動脈瘤流體血流分布情況。血液密度為 1060 kg/m3，黏度為 0.0035 Pa·s[7-9]，計算選用層流模型，血管壁假定為剛性壁無滑移穩(wěn)態(tài)計算，觀察指標(biāo)為壁切應(yīng)力（wall shear stress，WSS）、壓力（pressure）、流場分布及血流速度（velocity）等[10-12]。

2 結(jié)果

2.1 動脈瘤WSS分布特征分析

圖2為無FD動脈瘤、50% ɑ和100% ɑ的動脈瘤WSS分布特征圖。FD α達(dá)到50%時，動脈瘤WSS高壁切應(yīng)力分布區(qū)域較100% α小，且總體平均值低于100% α狀態(tài)下的IA分布。而無FD動脈瘤的高WSS區(qū)域面積和平均值都遠(yuǎn)高于50% ɑ、100% α的IA。說明FD對動脈瘤的WSS有一定的降低作用，α與WSS值呈正相關(guān)。

圖2 動脈瘤WSS分布特征圖

2.2 動脈瘤壓力分布特征分析

由圖3可見，無FD的動脈瘤頂部出現(xiàn)高壓力區(qū)域面積、最高壓力值均比放置FD的瘤體大。而計算黏性阻力系數(shù)50%動脈瘤的瘤頂部壓力值遠(yuǎn)低于計算黏性阻力系數(shù)100%的動脈瘤，說明計算黏性阻力系數(shù)大小與壓力分布呈正相關(guān)。

圖3 動脈瘤壓力分布圖

2.3 動脈瘤流場分析

圖4為動脈瘤流線分布圖。圖4中無FD動脈瘤血流速度流線十分紊亂，多處部位出現(xiàn)渦流、回流，瘤內(nèi)流線數(shù)量多且高度緊貼瘤壁頂。血流自入口進(jìn)入血流，在瘤頂血流速度出現(xiàn)下降，血液流動狀況復(fù)雜。而FD 50%α動脈瘤內(nèi)的流線出現(xiàn)降低渦流、回流等現(xiàn)象，流線明顯減少。FD 100%α動脈瘤內(nèi)的血流流線、渦流、回流等現(xiàn)象均比50%高。圖5為動脈瘤無FD、50%α、100%α的血流入射平面的血流速度分布圖，由圖可見無FD的動脈瘤內(nèi)的血流速度存在高值區(qū)域，且高值區(qū)域面積較大，而FD 50%α?xí)r遠(yuǎn)比FD 100%α?xí)r高速度區(qū)域低。因此，F(xiàn)D α與動脈瘤血流速度、渦流等現(xiàn)象呈正相關(guān)。

圖4 動脈瘤流線分布圖

圖5 血流入射平面血液速度分布

3 討論

動脈瘤FD介入治療方法在動脈瘤的治療中發(fā)揮重要的作用[11-13]。應(yīng)用FD治療動脈瘤確實(shí)能夠改善動脈瘤內(nèi)的血液流動狀況，但是FD的敏感度仍然需要進(jìn)一步研究，預(yù)后效果也需要進(jìn)行評估。研究不同的FD治療策略對動脈瘤的血流動力學(xué)有影響，有利于提高動脈瘤的介入治療針對性。

一些學(xué)者對動脈瘤的FD進(jìn)行了定量分析，如有研究[14]采用支架放置技術(shù)，也有學(xué)者應(yīng)用快速虛擬支架技術(shù)，利用可變性網(wǎng)格和簡單幾何模擬動脈瘤的栓塞手術(shù)[15]。上述研究方法各有利弊，或者方法偏差較大，或者材料屬性考慮不足，或者對彎曲血管針對性不足。本研究通過多孔介質(zhì)模型α對動脈瘤內(nèi)的血液流動的影響。α、計算慣性阻力系數(shù)這兩個多孔介質(zhì)動量源參數(shù)與動脈瘤FD的預(yù)后效果有著緊密聯(lián)系。因此，本研究利用多孔介質(zhì)模型開展動脈瘤FD的預(yù)后效果評估，可以幫助醫(yī)生在治療動脈瘤栓塞等介入手術(shù)的輔助決策，為醫(yī)生提供預(yù)測評估的方法。

動脈瘤FD可通過調(diào)整α、計算慣性阻力系數(shù)來調(diào)整、改變動脈瘤體內(nèi)的血流速度、壁切應(yīng)力、壁壓力等。雖然動脈瘤FD能夠在一定程度上閉合動脈瘤的血液流動，但也無法避免并發(fā)癥如分支閉塞、組織缺血等發(fā)生[15-17]。本研究結(jié)果證實(shí)α增加，則導(dǎo)致瘤體內(nèi)的血流狀態(tài)趨于復(fù)雜，WSS的分布特征是動脈瘤破裂、內(nèi)皮細(xì)胞的病理機(jī)制變化的重要因素。

本研究應(yīng)用計算流體力學(xué)方法，運(yùn)用多孔介質(zhì)FD來模擬動脈瘤血流導(dǎo)向的血流動力學(xué)分布特征，一方面分析了FD的α對瘤內(nèi)的血流分布的影響，另一方面，為臨床醫(yī)生FD介入手術(shù)提供輔助決策依據(jù)。利用多孔介質(zhì)、單相流、剛性壁、牛頓流體的計算模式數(shù)值模擬動脈瘤血流分布，這種方法存在一定的不足之處，未考慮血液的壁黏彈性特點(diǎn)和非牛頓效應(yīng)。在后續(xù)的研究中，本研究將進(jìn)一步采用雙向流固耦合、非牛頓流體來對比FD的多孔介質(zhì)求解方法的差異，彌補(bǔ)本算法的不足。