基于CT血管成像的個體化自體動靜脈內(nèi)瘺三維數(shù)值模型

賈秀芬，劉瑾瑾，潘克華，鄭塵非

溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，浙江 溫州 325015，1.放射科；2.腎內(nèi)科

血管通路是終末期腎衰患者維持血液透析的“生命線”，自體動靜脈內(nèi)瘺（arteriovenous fistula，AVF）由于方便、安全、使用壽命長等優(yōu)點成為臨床血管通路的第一選擇[1]。AVF的功能不良同血透患者的病死率關聯(lián)密切[2]，故準確評估內(nèi)瘺功能狀態(tài)對維護、延長血管通路的使用十分關 鍵[3]。目前臨床上取得在體AVF血流動力學參數(shù)主要依賴于多普勒超聲和磁共振，兩者可直接獲得血流速度，但對結(jié)構(gòu)復雜血流區(qū)的測量存在較大的誤差[4]。計算機瘤體力學（computational fluid dynamics，CFD）已被證實可以真實模擬結(jié)構(gòu)復雜血管的血流狀況[5]。然而，鮮有研究基于CFD探討建立活體AVF模型及血流動力學機制。本研究根據(jù)患者真實的CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）原始數(shù)據(jù)建立個性化自體AVF的三維數(shù)值仿真模型來分析與AVF相關的血流動力學參數(shù)。

1 資料和方法

1.1 原始數(shù)據(jù)采集 選取1 例在溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院行內(nèi)瘺術(shù)的自體AVF作為研究對象，研究方案取得患者知情同意。采用GE Lightspeed 64排CT獲取原始斷層數(shù)據(jù)。患者仰臥位，患肢屈曲于胸前，進針肢舉過頭頂，獲取定位片后以3.5～4.5 mL/s流速經(jīng)肘正中靜脈高壓注射80 mL非離子型對比劑碘海醇（350 mgI/mL），隨后立即注射0.9%氯化鈉溶液30 mL。掃描范圍包括內(nèi)瘺區(qū)的流入動脈端、吻合口和流出靜脈端。采用智能閾值觸發(fā)掃描，ROI被設定在升主動脈水平，觸發(fā)閾值150 Hu， ROI中CT值達閾值時延遲15 s增強掃描。層厚 0.625 mm，層間距0.625 mm，管電壓120 kV，管電流200～220 mAs，檢查結(jié)束后，安排患者當天進行血透加速輸入體內(nèi)的碘劑排出。獲取的原始數(shù)據(jù)直接以DICOM格式存儲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審核批準。

1.2 建模環(huán)境 于Windows平臺中創(chuàng)建自體AVF的三維有限元模型。配置：惠普P7370Intel（R） Core（TM）2 Duo CPU 2.00 GHz，內(nèi)存2.00 GB，Windows7操作系統(tǒng)。利用軟件：醫(yī)學三維圖像生成及編輯處理軟件Mimics10.0（比利時Materialise 公司），有限元分析軟件ANSYS 11.0，ANSYS Workbench 11.0，CFX 11.0（美國ANSYS公司）。

1.3 自體AVF三維數(shù)字化模型的構(gòu)建 用Mimics軟件直接讀取DICOM格式的CT原始斷層圖像，聯(lián)合運用閾值分割和手動分割取得感興趣區(qū)部位[6]，包括瘺口動脈端、瘺口、靜脈端，進而對圖像實行三維實體重建（見圖1A），之后進行自體AVF的網(wǎng)格優(yōu)化，本模型在構(gòu)建時生成有限元單元數(shù)1183169（見圖1B），最終把取得的重建模型數(shù)據(jù)以ANSYS文件及MESH文件保存、輸出。

圖1 自體AVF三維數(shù)字化模型

1.4 血流動力學模型

1.4.1 控制方程：設定血液是層流、不可壓縮黏性的牛頓流體，其包含連續(xù)方程、能量方程和動量方程[7]。本研究忽略能量的傳遞，如熱量，故不考慮能量方程。另假設不計重力，故控制流動的方程采用不可壓縮的Navier-Stokes方程。

1.4.2 邊界條件：假定血流和管壁之間沒有滑移和物質(zhì)交換，把血管壁設定為剛性，將血管壁彈性和厚度對血流動力學機理的影響忽略不計。

2 結(jié)果

前臂自體AVF CTA（見圖2A）顯示吻合口未見明顯狹窄（約5.1 mm），吻合口靜脈端近段瘤樣擴張（約20.2 mm×27.2 mm），瘤內(nèi)未見血栓形成。本研究借助CTA原始斷層數(shù)據(jù)聯(lián)合Mimics軟件成功構(gòu)建了具有真實血管解剖結(jié)構(gòu)和血流數(shù)據(jù)的在體AVF三維數(shù)值模型，其是網(wǎng)格優(yōu)化模型和有限元分析處理前模型，具有良好的結(jié)構(gòu)相似性和生物學形態(tài)，可以多角度、真實重現(xiàn)AVF。根據(jù)血流流線圖（見圖2B），AVF吻合口的動脈端血流絕大多數(shù)進入靜脈端擴張的瘤體內(nèi)。血流在近吻合口動脈端最大（圖2B中顯示紅色區(qū)域），進入瘤體后減速，因為瘤體體積的擴大，依據(jù)幾何空間的特點，血流主要分為主血流和次血流兩部分，進入擴張瘤體內(nèi)后沿著瘤壁順著流線的方向流向遠端，絕大部分流向出口（紅色箭頭），稱為主血流區(qū)，小部分沿著外側(cè)壁徑直流向出口（黑色箭頭），稱為次血流區(qū)。主血流區(qū)內(nèi)有小部分血流朝瘤體中心發(fā)展成小渦流后再流向出口（黃色箭頭）。次血流則沿著瘤壁直接流向出 口。主血流流量大、分布廣，對靜脈端瘤樣擴張的作用是主要的。

圖2 動靜脈內(nèi)瘺CTA（A）及血流流線圖（B）

3 討論

良好而穩(wěn)定的血管通路為終末期腎病患者長期血透的必備條件，自體AVF為目前首選的透析通 路[8]。有研究顯示采用自體AVF的血透患者其生存時間明顯高于其他血管通路[9]。自體內(nèi)瘺術(shù)改變了術(shù)區(qū)的血流動力學，且由于長期反復穿刺透析，容易引起內(nèi)瘺并發(fā)癥的發(fā)生，最終引起血管通路功能的喪失[10]。當前AVF功能不良是困擾醫(yī)師和患者的首要問題。對于血液透析患者來說，其外周血管的質(zhì)量較差，故符合內(nèi)瘺手術(shù)條件的血管非常有限，如發(fā)生并發(fā)癥后重新造瘺，將進一步減少可供利用的 血管資源[11]，因此，定期內(nèi)瘺監(jiān)測非常重要[12-13]。

3.1 自體AVF的影像學監(jiān)測方法 當前各國針對自體AVF功能不良的影像學監(jiān)測方法主要包含多普勒超聲、CT血管造影、MR血管造影、DSA等[2，14]。多普勒超聲可以觀察患者的血管形態(tài)，監(jiān)測內(nèi)瘺血管的管徑變化、管腔狹窄程度、流速等[15]，經(jīng)濟、簡便，但其對操作者的診斷水平、操作時手法等依賴性較高，且不能充分顯示深部的血管和靜脈流入段血栓，不能直接顯示血管通路的全景圖等，從而影響超聲檢查的敏感性和可靠性[16-17]。MR血管造影具有無創(chuàng)、不注射造影劑等優(yōu)點，近年來亦被應用于血管造影，但檢查費用高、耗時、噪音大、相對和絕對禁忌證多[18-19]，空間分辨率相對較低，并且大多數(shù)透析患者的血管壁質(zhì)量較差，容易存在偽影干擾而圖像失真。DSA是診斷血管功能不全的“金標準”，但其有創(chuàng)、操作復雜、輻射較大、費用高、可引起血管痙攣等缺點，限制了臨床的廣泛應用。

隨著多層螺旋CT技術(shù)的發(fā)展，對AVF患者進行CTA檢查技術(shù)目前非常成熟，且基層醫(yī)院普遍配備螺旋CT，其臨床應用價值高。CTA具有較高的空間、時間分辨率，掃描時間短，運用多種后處理重建技術(shù)如容積再現(xiàn)、最大密度投影、曲面重建等可以三維立體全景式顯示內(nèi)瘺血管，相對于DSA其無創(chuàng)、經(jīng)濟、方便，是透析患者首選的檢查技術(shù)之一，但CTA對病灶血管的顯示主要局限在形態(tài)學方面，無法提供血流動力學信息。

3.2 CFD模型評價自體AVF的應用價值 CFD是通過計算手段，對流體進行數(shù)值模擬的一類學科。當前AVF CFD研究多局限于動物模型或基于理想化的實驗模型。然而AVF是非正常生理狀態(tài)下血管結(jié)構(gòu)，其流體環(huán)境有高流量、低阻力、銳轉(zhuǎn)角等獨有的特征，任何細微的幾何結(jié)構(gòu)改變都能引起血流狀態(tài)巨大改變，故實驗研究模型無法準確顯示真實AVF的血流動力學特征。

目前CFD技術(shù)已日趨成熟，CTA影像在某種程度上能代替DSA，而且臨床上操作方便無創(chuàng)，基于CTA原始數(shù)據(jù)的有限元模型已經(jīng)成為創(chuàng)建三維有限元模型的主要方法[20]。通過CFD模型可以無創(chuàng)地獲得內(nèi)瘺的真實血流動力學信息（含血流線圖、血流壓力、血管壁剪切力、流速等），可以更好地定量分析內(nèi)瘺區(qū)血流運動模式及血流-血管壁相互作用情況，以便更好理解實際瘺口的血流動力學機制。

本研究借助于活體真實的CTA數(shù)據(jù)，在充分考慮AVF影像學特征的基礎上，利用CFD技術(shù)重建血管、血流成功構(gòu)建了AVF的三維數(shù)字化模型，分析了內(nèi)瘺區(qū)血流動力學參數(shù)。其圖像來源于真實的活 體，有限元的模型幾何準確度高，能直觀、重復地模擬AVF及其血流動力學參數(shù)，是揭示AVF功能不良的形成機制及預測并發(fā)癥形成的有效手段。血流流線圖中可以觀察到內(nèi)瘺區(qū)血流流速在近吻合口動脈端最大，靜脈端則在近瘤頸部流速最大，提示瘤頸區(qū)血流狀態(tài)可能與瘤樣擴張的形成有關，這與范志遠等[6]提到在血管分叉及彎曲處，高流速和不穩(wěn)定的渦流破壞血管壁內(nèi)皮細胞從而引起內(nèi)皮細胞發(fā)生形態(tài)和功能變化相一致；在擴張的瘤體中血流流速整體下降，并見其內(nèi)分為主血流區(qū)和次血流區(qū)兩種狀態(tài)，主血流流量大、分布廣，推測瘤體內(nèi)的低流速與靜脈端的瘤樣擴張的發(fā)展相關。

本研究借助CFD技術(shù)構(gòu)建的AVF模型為功能不全患者復雜的內(nèi)瘺提供可視化的真實數(shù)字模型，從而為臨床醫(yī)師在實踐中對自體AVF的使用及維護提供客觀的參考依據(jù)，為臨床上進一步研究AVF功能不良的起因和發(fā)展提供一個新的角度。

本研究是在定常情況下建立的三維剛性自體AVF模型，忽略了血管壁本身的彈性因素，故今后對彈性AVF模型仍需做進一步探索和研究，以便能更加真實地反映在體內(nèi)AVF的血流信息。