基于三維重建方法的頸動脈狹窄手術仿真研究

張 婭，習曉楠，張家鳴，孫景浩，李 騰，詹 桐，宗會遷

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

0 引言

隨著計算機圖像技術的不斷發(fā)展，人體虛擬器官三維模型因其立體、直觀的特點在臨床診斷、手術仿真、術前規(guī)劃和生物力學分析等方面得到了廣泛的應用[1-3]。頸動脈狹窄在中老年人中最為常見，且經(jīng)常伴有各種心腦血管危險因素，嚴重影響患者生活健康。頸動脈狹窄的治療經(jīng)歷了藥物治療、顱內外動脈吻合術、頸動脈內膜剝脫術、血管內支架置入術幾個階段[4]。1990年，Mathias首先報道臨床上使用Wallstent支架行經(jīng)皮腔內血管成形術（percutaneous transluminal angioplasty，PTA）治療頸動脈狹窄，Higashida于1997年首先報道臨床上采用支架置入結合彈簧圈治療顱內動脈瘤[5-6]。現(xiàn)在支架正廣泛應用于出血性和缺血性腦血管疾病的治療，經(jīng)過十多年的發(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脈支架血管成形術（carotid artery stenting，CAS）治療頸動脈狹窄。該方法適應證廣泛，但無統(tǒng)一標準，可行性有待進一步研究。

支架置入術費用比較高，尤其是進口支架，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，則應該根據(jù)患者臨床表現(xiàn)、頸動脈狹窄程度和嚴格手術適應證對患者實施個體化治療。由于血流動力學障礙引起的低灌注是頸動脈狹窄或閉塞的關鍵機制，而頸動脈支架置入可以引起急性血流動力學改變，顯著影響血流灌注、狹窄血流恢復，使全腦血流動力學變化經(jīng)歷一個由平衡被打破到另一個平衡全新建立的復雜過程。如果術前對這種血流變化進行評估，可預估頸動脈狹窄的治療效果[10-13]。

在三維重建中，Mimics和Geomagic 2個軟件較為常用[14]。Mimics軟件是由比利時Materialise公司研發(fā)的一種可用于醫(yī)學領域的逆向軟件，但Mimics軟件建立的3D模型會因模型不均勻而出現(xiàn)孔洞、釘狀物等不符合真實結構的缺陷。故本研究在使用Mimics軟件對頸動脈狹窄圖像進行三維重建的基礎上，采用Geomagic軟件對模型進行處理，得到更加真實的血管3D模型。再使用Solidworks軟件對完整的模型進行修整編輯，模擬手術去狹窄治療，以便于提前制訂個性化手術方案，預估手術效果，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)科大學第二醫(yī)院影像科篩選出頭頸部CT血管造影（CT angiography，CTA）頸動脈狹窄掃描數(shù)據(jù)（Philips iCT，掃描間距1 mm）典型病例進行處理，如圖1所示。患者影像學診斷為右側頸內動脈重度狹窄，右側頸外動脈中度狹窄。患者對實驗研究知情同意。

1.2 三維重建

圖1 頭頸部CTA頸動脈狹窄圖像

本研究對右側頸動脈分支進行重建。將所選病例的Dicom格式數(shù)據(jù)導入Mimics軟件中，利用閾值分割技術（閾值設置為150～3 071），分選出閾值范圍內的血管及相近組織進行三維重建，獲得包含頭頸部骨組織和血管系統(tǒng)的3D圖像。在此基礎上，采用手動分割方法，選中頸動脈閾值，刪除骨組織，再分離出血管系統(tǒng)（如圖2左半部分所示）。最后進行3D模型計算，把動脈與其他無關部分全部分離，獲得頸動脈分支，以STL格式導出保存。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，也不能直接導入有限元分析軟件，因此需要將該曲面模型轉化為實體模型。而且由于Mimics軟件生成的模型存在不均勻性，導致數(shù)據(jù)缺失會出現(xiàn)孔洞，保存的STL文件需要在Geomagic軟件中進行修補，以達到修復模型的目的。修復形成的完整的頸動脈分支模型如圖2右半部分所示。

圖2 修復分割右側頸動脈分支

1.3 頸動脈狹窄手術模擬

所選病例右側頸動脈存在狹窄，右側頸內動脈重度狹窄，右側頸外動脈起始部中度狹窄。臨床重度狹窄手術治療方案較明確，一般進行手術治療，而中度狹窄既可手術治療又可藥物治療。為提高治療準確性，本研究關注中度狹窄位置的去狹窄手術治療效果，判斷是否需要進一步治療。

將利用Geomagic軟件得到的模型導入Solidworks軟件中。首先模擬去狹窄手術，對狹窄部位進行修正。切去狹窄部位，切除范圍應包括狹窄部位至血管直徑正常位置。再結合血管生理走形，從狹窄起始端至狹窄結束端補充一段直管模型，替代狹窄部位，得到一個無狹窄的血管模型。

1.4 有限元計算

利用有限元軟件ANSYS對重建后的頸動脈狹窄模型和去狹窄模型進行計算。利用有限元法，劃分網(wǎng)格，設定邊界條件，將血液設為牛頓流體，密度為1 020 kg/m3，黏度為0.003 5 kg/m·s[15-17]。對模型進行血流動力學計算，獲得血液流速、壁面切應力等血流動力學參數(shù)。

2 結果

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

通過進一步對圖像進行處理，將狹窄血管替換為正常管徑血管，消除狹窄，模擬手術治療，修正狹窄部位，建立右側頸外動脈去狹窄模型，如圖3（b）所示。由模型可知，頸內動脈重度狹窄，頸外動脈正常，無狹窄。

圖3 重建的血管模型

對狹窄消除前后的三維模型進行有限元計算，其流線圖如圖4所示。通過對比觀察發(fā)現(xiàn)，頸外動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，但是頸外動脈出口血流速度變化不大。另外，狹窄病變模型頸外動脈狹窄出口位置存在渦流，且頸內動脈狹窄處血流呈渦流。狹窄消除后，頸外動脈和頸內動脈渦流有所改善。

圖4 頸外動脈狹窄病變流線圖

頸外動脈狹窄消除前后的壁面切應力對比如圖5所示。可以看出，越靠近狹窄處壁面切應力值越大，最高處約為80 Pa。頸外動脈狹窄消除后壁面切應力明顯改善，降至20～30 Pa，頸內動脈狹窄處壁面切應力同樣有所下降。

3 討論

圖5 頸外動脈狹窄病變壁面切應力圖

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

本研究利用三維重建技術，選取頸動脈狹窄CT影像圖像，使用Mimics、Geomagic和Solidworks軟件進行處理和逆向重構。手動處理頸動脈狹窄三維模型，重建患者頸動脈狹窄分支模型，并對三維模型進行修正和編輯，構建去狹窄治療模型，模擬去狹窄手術治療，并進行有限元計算[20-21]。該方法可模擬支架手術治療，直觀支架置入效果，并且可以用于血流動力學分析研究[22]。

支架置入直接改變血管內的血流環(huán)境，而血流動力學因素和血管重塑密切相關[23-25]。血流的異常流動會導致血流動力學因素改變，同時誘發(fā)血管重塑性疾病[26]。去狹窄手術會顯著影響狹窄位置的血流速度，如圖4所示。本文的有限元計算結果顯示，對于頸外動脈中度狹窄，頸外動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。而去狹窄手術影響狹窄位置的壁面切應力，頸外動脈狹窄消除后，壁面切應力有所下降，接近正常，如圖5所示。壁面切應力與動脈粥樣硬化密切相關。過高的壁面切應力容易使斑塊脫落，損傷內皮細胞。非正常的低壁面切應力會造成粒子（如血脂質）滯留時間過長，是動脈粥樣硬化的危險因素之一[27-30]。

綜上所述，本研究介紹了一種完全虛擬的手術方法，可為手術指征不明確的患者提供幫助。比如本病例中的中度狹窄，去狹窄手術雖能改善血流，但是并不十分明顯，考慮患者年齡、基礎病等情況，該患者最終進行了重度狹窄的支架手術，對中度狹窄未做手術。本研究中虛擬手術結果由血流動力學計算得出，各參數(shù)設置符合人體實際，研究結果符合血流動力學規(guī)律，且由臨床醫(yī)生參考判斷，結果具有參考價值。但本研究存在一定的局限性，如病例數(shù)量較小。后續(xù)研究會增加樣本量，追蹤患者術后實際病例數(shù)據(jù)的分析對比，以提高該方法的準確性。