顱內(nèi)動脈瘤伴開窗畸形血流動力學數(shù)值模擬分析的初步研究

段玉霞 陳偉建 劉一駿 劉瑾瑾 李瑞

顱內(nèi)動脈瘤伴開窗畸形血流動力學數(shù)值模擬分析的初步研究

段玉霞 陳偉建 劉一駿 劉瑾瑾 李瑞

目的探討構(gòu)建顱內(nèi)動脈瘤（IA）伴開窗畸形三維數(shù)字化模型的可行性，并建立三維有限元模型。方法選取1例前交通動脈瘤伴開窗畸形的急診患者為研究對象，利用GE Lightspeed 64排螺旋CT獲得患者顱腦CT原始數(shù)據(jù)。應(yīng)用Mimics軟件連續(xù)讀入DICOM格式的顱腦CT原始數(shù)據(jù)，采用閾值分割與手動分割相結(jié)合的圖像處理方法得到最感興趣部位，并選擇3D重建按鈕進行三維重建。再應(yīng)用Geomagic studio軟件以“抽殼法”對三維重建模型的表面三角面片形態(tài)網(wǎng)格和血管壁截面作進一步優(yōu)化處理，再現(xiàn)血管壁的真實形態(tài)。優(yōu)化后的三維數(shù)字化模型以標準模板庫（STL）格式保存并輸出。應(yīng)用CFX軟件進行三維剛性模型的數(shù)值仿真，并分析與動脈瘤生長及破裂相關(guān)的血流動力學參數(shù)。結(jié)果聯(lián)合應(yīng)用Mimics軟件和Geomagic studio軟件首次成功建立了IA伴開窗畸形的三維數(shù)字化模型。模型進一步生成三維有限元模型，并作了相關(guān)血流動力學分析，形象地顯示了瘤中各區(qū)域動脈瘤壁的壁剪切力分布情況。在血流沖擊瘤頸處，壁剪切力最大，瘤體次之；在瘤頂處剪切力最小；在開窗處，壁剪切力明顯增大。結(jié)論借助可靠的CT成像技術(shù)和優(yōu)化的建模方法，聯(lián)合應(yīng)用Mimics軟件和Geomagic studio軟件可以成功建立IA伴開窗畸形的三維數(shù)字化模型，并分析動脈瘤各個區(qū)域和開窗處的血流動力學參數(shù)。

顱內(nèi)動脈瘤開窗畸形三維數(shù)字化模型壁剪切力

顱內(nèi)動脈瘤（IA）是由動脈血管壁病理性局限性擴張產(chǎn)生腦血管瘤樣突起的一種腦血管疾病。IA嚴重威脅著人類健康，一旦破裂，致殘率、致死率均較高。顱內(nèi)動脈開窗畸形（FIA）是由于胚胎發(fā)育期間原始血管融合不全所致的一種少見的先天性動脈血管變異[1-2]，通常情況下FIA本身診斷價值有限，但是FIA合并其他腦血管疾?。ㄓ绕涫荌A）的影像學表現(xiàn)對診斷和治療的意義較大。目前，CT血管造影（CTA）能清晰地顯示顱內(nèi)血管的分布，能明確診斷IA、FIA或其他血管異常性疾病。隨著現(xiàn)代醫(yī)學影像技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化成為影像學的必然趨勢[3]。目前，IA血流動力學研究主要應(yīng)用工程學中的計算流體力學（CFD）方法實現(xiàn)，應(yīng)用CFD方法建模實用性強、功能強大；建立準確、有效的三維有限元模型是關(guān)鍵所在[4]。國內(nèi)外對IA三維有限元模型的研究較多，但關(guān)于IA伴開窗畸形三維有限元模型的研究較少，且相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究尚處于空白階段。故本研究以顱腦螺旋CT原始數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)進行IA伴開窗畸形的三維重建與數(shù)字化模型建立，并對動脈瘤模型進行三維數(shù)值模擬，測算其血流動力學參數(shù)，為IA發(fā)生、生長及破裂原因和機制的研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 建模環(huán)境在Windows平臺下建立腦動脈瘤伴開窗畸形的三維數(shù)字化模型。電腦配置：惠普P7370 Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU 2.00GHz，內(nèi)存2.00GB，操作系統(tǒng)Windows 7。軟件：醫(yī)學三維圖像生成及編輯處理軟件Mimicsl 10.0（比利時Materialise公司），逆向工程軟件Geomagic studio12.0（美國Raindrop公司）。

1.2 原始數(shù)據(jù)采集在溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院選取1例前交通動脈瘤伴開窗畸形患者作為研究對象，研究方案取得患者知情同意，并通過本院醫(yī)學倫理學委員會審查?；颊吣行?，48歲。使用GE Lightspeed 64排螺旋CT掃描儀獲得患者的顱腦CT原始數(shù)據(jù)。掃描范圍：自枕大孔下緣至頂結(jié)節(jié)水平，掃描線與顱底平行?；緬呙鑵?shù)設(shè)置：層厚0.625mm，層間距0.5mm，螺距0.984：1，掃描速度0.5s/r，電壓100kV，電流500mA。使用高壓注射器（Medrad Stellant D CT Injector，Warrendale，USA）經(jīng)肘靜脈注入碘克沙醇注射劑（注射速度4.0ml/s）。數(shù)據(jù)以醫(yī)學數(shù)字影像通信標準（DICOM）格式存儲。

1.3 動脈瘤伴開窗畸形三維數(shù)字化模型的構(gòu)建應(yīng)用Mimics軟件連續(xù)讀入DICOM格式的顱腦CT原始數(shù)據(jù)，正確標記圖像的方位，調(diào)整顯示閾值，使血管影像盡可能地顯示清楚。采用閾值自動分割與手動分割相結(jié)合的方法對各個層面圖像進行細致處理，得到最感興趣部位，主要包括動脈瘤、開窗畸形和載瘤動脈區(qū)域，同時去除周圍干擾的細小分支血管以及骨質(zhì)。點擊3D重建按鈕，采用三維計算功能進行三維重建，三維重建模型以標準模板庫（STL）格式保存并輸出。應(yīng)用Geomagic studio軟件直接讀取STL格式的三維重建模型，并采用三角面片的形式進行網(wǎng)格化處理，去除不必要的部分。選擇簡化多邊形，再細化多邊形，調(diào)用編輯多邊形工具，利用翻轉(zhuǎn)邊、分裂邊及收縮邊的功能進一步對模型表面三角形面片網(wǎng)格進行優(yōu)化處理，特別是對開窗畸形處的網(wǎng)格進行精細的優(yōu)化處理。為了更好地再現(xiàn)血管壁的真實形態(tài)，采用一種非常巧妙的方法-“抽殼法”對血管壁截面進行優(yōu)化（圖1），首先在距離血管壁末端0.5cm處對環(huán)繞一周的三角面片進行優(yōu)化處理，然后使用填充工具對截面進行填充，最后采取抽殼法復原長度為0.5cm的血管管徑，使血管截面形態(tài)更加符合實際情況，這對血流動力學的定量分析很重要。優(yōu)化后的三維數(shù)字化模型的每個三角面片盡量保持等邊或直角三角形形態(tài)，且保證三角形面片角度的勻稱和邊長的合適。最后邀請2位經(jīng)驗豐富的生物力學專家對優(yōu)化后的模型進行評估分析（雙盲法），在達成一致意見且確定符合要求后，將其以STL格式保存并輸出。

圖1 在Geomagic studio軟件中運用“抽殼法”處理IA伴開窗畸形三維重建模型的血管壁截面

1.4 流體力學分析（1）控制方程：假定血液是層流且為黏性、不可壓縮的牛頓流體，其流體力學控制方程包括連續(xù)方程、動量方程和能量方程。本研究不考慮能量（如熱量）的傳遞，因此不考慮能量方程。同時假設(shè)不考慮重力因素，流體的基本方程是不可壓縮Navier-Strokes方程來控制。設(shè)定血液密度為1 050kg/m3，黏性系數(shù)為0.003 5Pa/s，入口血流速度為0.5m/s。（2）邊界條件：由于顱內(nèi)動脈搏動不明顯，故本研究將動脈壁設(shè)定為剛性，假設(shè)血流和管壁之間沒有滑移和物質(zhì)交換。（3）數(shù)值算法：Navier-Strokes方程組采用質(zhì)量及動量守恒形式的有限元法來離散，網(wǎng)格單元為四面體型網(wǎng)格。通過SIMPLE算法來計算質(zhì)量流量，定常計算采用時間迭代法，直至達到指定的收斂標準。

2 結(jié)果

CTA顯示前交通動脈瘤伴開窗畸形，大小8.6mm×4.1mm。本研究聯(lián)合應(yīng)用Mimics軟件、Geomagic studio軟件使圖像的識別、重建及優(yōu)化更加準確、有效，首次成功重建了IA伴開窗畸形的三維數(shù)字化模型（圖2a-b）。重建的IA伴開窗畸形三維數(shù)字化模型是數(shù)字解剖有限元前處理模型，不但具有良好的生物學形態(tài)和結(jié)構(gòu)相似性，而且可從不同角度清晰完整地重現(xiàn)IA、開窗畸形和載瘤動脈區(qū)域以及三者之間的關(guān)系（圖3a-b）。根據(jù)剪切力的計算結(jié)果和相關(guān)參照文獻，將剪切力分為4個區(qū)域：高剪切力（＞3Pa）、中剪切力區(qū)（＞1.5～3Pa）、低剪切力區(qū)（＞0.5～1.5Pa）、極低剪切力區(qū)（≤0.5Pa）。本例患者IA旁邊的開窗處可見旋渦狀高切力區(qū)，瘤頸處為中切力區(qū)，瘤頂區(qū)為低切力區(qū)（圖4a-b，插頁）。

圖2 某例患者的VR重建圖和三維數(shù)字化重建模擬圖像[男，48歲，主訴為“突發(fā)意識不清5h”急診入院，臨床診斷為“蛛網(wǎng)膜下腔出血”；a：前交通動脈瘤伴開窗畸形的CTA重建VR圖像；b：前交通動脈瘤伴開窗畸形的三維數(shù)字化重建模型圖像（聯(lián)合應(yīng)用Mimics和Geomagic studio軟件處理）；b的圖像質(zhì)量明顯高于a]

圖3 前交通動脈瘤伴開窗畸形三維數(shù)字化重建模型圖像[a：頂視圖（自上而下），b：俯視圖（自下而上）]

3 討論

IA是動脈管壁病理性局限性擴張產(chǎn)生的腦血管瘤樣突起病，與先天性平滑肌發(fā)育不良導致局部管壁缺陷、后天性腔內(nèi)壓力增高導致血管內(nèi)彈力層破壞等有關(guān)。FIA是一種非常少見的先天性動脈血管變異，與原始胚胎血管融合不全有關(guān)。FIA的起點正常，位置正常，但行程部分分叉成雙支走行的表現(xiàn)在臨床上很少見[1-2]，且大部分FIA本身不會引起明顯臨床癥狀，通常在尸檢或CTA時偶然發(fā)現(xiàn)[5]。因此，F(xiàn)IA的臨床意義主要是其合并囊狀動脈瘤、動靜脈畸形等顱內(nèi)其他血管異常時對血管介入治療路徑、神經(jīng)外科治療手術(shù)入路的影響[6]。約90%的IA起自頸內(nèi)動脈系統(tǒng)，其中起自前交通動脈區(qū)占30%～35%，大多數(shù)動脈瘤以蒂（或稱瘤頸）與載瘤動脈相連，本例患者就屬于這種情況。FIA的發(fā)生與原始胚胎血管的發(fā)育異常相關(guān)，常見于前交通動脈區(qū)，其次為椎基底動脈系統(tǒng)和大腦中動脈區(qū)[7-8]。根據(jù)顯微外科研究結(jié)果，前交通動脈開窗畸形的發(fā)生率約為40%[9]。本例患者開窗畸形位于前交通動脈，前交通動脈開窗畸形可能和胚胎時期大腦前、中動脈之間的原始血管網(wǎng)吻合支殘留及血流動力學等因素有關(guān)[5,10]。

FIA常伴有IA，相關(guān)文獻認為FIA與IA形成具有相關(guān)性[11-13]。然而，Aditya等[7]發(fā)現(xiàn)合并與不合并動脈瘤的患者開窗畸形發(fā)生率比較差異無統(tǒng)計學意義；孫曉劼等[8]亦認為FIA與IA之間不存在明確關(guān)系。FIA的結(jié)構(gòu)特點是血管腔部分重復變成2個分開的內(nèi)皮襯里的通道，且在開窗近遠端分叉處伴有部分中膜缺損[14]。有一種假說認為渦流造成了開窗畸形近端和遠端部分血管壁中層內(nèi)膜的缺陷，導致了動脈瘤的發(fā)生[5]。根據(jù)杭曉杰等[15]對FIA與動脈瘤解剖關(guān)系的分型，本例患者動脈瘤與開窗畸形緊鄰但不位于窗內(nèi)。相關(guān)研究表明，該類型的FIA有明顯的血管內(nèi)渦流，會使血管內(nèi)膜明顯變薄，從而使腦動脈瘤的形成機會明顯增大[16]。此外，有研究表明FIA患者有較高的動脈瘤發(fā)生率，時因為血管壁中層的缺陷同時伴隨著血流動力學壓力的增高[14]。本例患者開窗處顯示旋渦狀高切力區(qū)，表示此處血流動力學壓力增高，證實了以上結(jié)論。

本研究在充分考慮IA伴開窗畸形影像學特征和臨床研究價值的基礎(chǔ)上，借助可靠的CT成像技術(shù)和優(yōu)化的建模方法，聯(lián)合應(yīng)用Mimics軟件和Geomagic studio軟件成功建立了IA伴開窗畸形的三維數(shù)字化模型，并分析了與動脈瘤生長、破裂相關(guān)的血流動力學參數(shù)，為相關(guān)臨床血流動力學研究和手術(shù)治療措施提供了新思路。

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Three dimensional digital model of hemodynamics in in tracranial aneurysms with fenestration

DUAN Yuxia,CHEN Weijian,LIU Yijun,et al.
Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University,Wenzhou 325000，China

ObjectiveTo construction a three-dimensional digital model of hemodynamics in intracranial aneurysm with fenestration.MethodsAn emergent patient of anterior communicating artery aneurysm with fenestration admitted in the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University was selected as the study object.The patient underwent brain CT scan with GE Lightspeed 64-channel multidetector CT scanner.Mimics software was used to read consistent CT raw data of DICOM format directly and the three-dimensional function was used to reconstruct the model by threshold segmentation combined with manual segmentation method and to obtain the most important region of interest.Then Geomagic studio software was used to further optimize surface meshes with triangle patch shape and sections of vessel wall of the three-dimensional reconstruction model;in particular,the'Shell Method'was utilized for optimizing sections of vessel wall in order to reflect the real nature of blood vessel.The optimized three-dimensional digital model was stored and sent out by STL format,and then the hemodynamic parameters related to the growth and rupture of aneurysms were analyzed.ResultsThe three-dimensional digital model of intracranial aneurysm with fenestration was reconstructed successfully.The further three-dimensional finite element model and related hemodynamics were analyzed.The wall shear stress was given in the distribution of various parts of aneurysm.In the window areas,the wall shear stress increased considerably.ConclusionThe three-dimensional digital model of intracranial aneurysm with fenestration has been reconstructed successfully,with this model the hemodynamics of each region and the window of the aneurysm can be analyzed.

Intracranial aneurysm Fenestration Three-dimensional digital model The wall shear stress

10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.23.2016-1519

溫州市科技計劃項目（Y20140027）

325000溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科（段玉霞、陳偉健、劉瑾瑾、李瑞）；浙江省人民醫(yī)院放射科（劉一駿）

陳偉建，E-mail：wyyycwj@163.com

2016-09-27）

（本文編輯：陳丹）