血流动力学应用

颅内动脉瘤中血流动力学研究简介•血流动力学在动脉瘤的病理形成和瘤内血栓生成方面起重要作用，虽然在基础实验和临床上都进行了相关的研究，尤其是体外实验已经进行了详细的血流动力学各项参数的模拟，但是这些研究多是基于理想化的动脉瘤模型或者实验动物动脉瘤模型，对于具体的临床病人价值不高，因此针对临床病人颅内动脉瘤进行的血流动力学个体化研究更有意义。简介•由于技术手段的限制，目前无法对颅内动脉瘤患者实施血流动力学参数的在体检测。因此，应用(computationalfluiddynamics，CFD)建立颅内动脉瘤的三维实体动力学分析模型，分析瘤内血流运动模式及血流--瘤壁相互作用机制成为可靠的技术手段。简介•目前研究多应用计算流体力学(computationalfluiddynamics，CFD)来模拟进而获得动脉瘤内血液动力学的信息，以便更好的理解实际体内动脉瘤的血流动力学机理。•其中动脉瘤内部的流速、压力、壁面剪切力等流体力学参数对动脉瘤病理生理机制非常重要，利用流利力学有限元分析方法能在体外对动脉瘤内部的血流情况进行数值模拟，观测瘤体内部血流动力过程。简介•血流动力学研究中几个关键的概念：•1、血流冲击力：其来自于血流的惯性力，垂直作用于血管壁。•2、壁剪切力（wallshearstress，WSS）：WSS是血液流动时血流对血管壁的切向作用力，其作用方向平行于血管壁，大小与血流速度有关，血流速度越快，血流速度梯度越大，血流产生的WSS也就越大•*ShojimaM,OshimaM,TakagiK,etal.Roleofthebloodstreamimpactingforceandthelocalpressureelevationintheruptureofcerebralaneurysms[J].Stroke,2005,36:1933-1938.研究目的•（1）基于影像DSA图像，应用医学软件MIMICS及有限元软件ANSYS能够实现个体化颅内动脉瘤血流动力学模拟，观察颅内动脉瘤的血流动力学变化。•（2）探讨颅内动脉瘤的血流动力学特征与其发生、发展、破裂和复发的关系。技术路线•（1）基于MIMICS软件对颅脑DSA图像进行三维重建。•（2）使用ANSYSICEMCFD进行网格化•（3）采用计算流体动力学软件对研究对象重建模型进行稳态和非稳态数值计算•（4)采用计算流体动力学软件研究对象重建模型进行非稳态数值计算对比分析手术前后的血流动力学变化技术路线•一、血流动力学模型•1控制方程假定血液是层流且为粘性的，不可压缩的牛顿流体。一般情况下的流体力学控制方程包括连续方程、动量方程和能量方程。本研究不考虑能量的传递，例如热量的传递等，因此不考虑能量方程。同时假设重力不计，控制流动的基本方程是不可压缩Navier--Stokes方程来控制•2.边界条件将动脉瘤壁设定为刚性，因此忽略了动脉瘤壁弹性和厚度对血流动力学结果的影响。血流和管壁之间没有滑动和穿透。•3.数值计算NS方程组采用守恒形式的有限体积法来离散，时间采用隐格式，网格单元为四面体型网格。在每个网格节点周围构造控制体，通量通过位于两个控制体界面上的结合点来计算。技术路线•二、动脉瘤三维实体重建模型•建模环境：在微机的Windows平台下建立脑动脉瘤的三维有限元几何模型。•1.原始数据采集：进行DSA造影，3D旋转取得血管影像，剪切无关血管，保留载瘤动脉和动脉瘤，将动脉瘤横断图切片以图片格式输出。•2.将图片进行图像处理，使Ｍimics的横断图窗、纵切图窗、轴位图窗的血管影像能清晰完整显示，进行三维重建。再对重建后的影像进行平滑处理。将三维模型导出为格式文件。•3.划分网格：将上一步生成的格式文件导入ICEMCFD，用Block分块，并用O-Block法划分三维结构网格。•4.医学3D图像生成及编辑处理软件Mimics，有限元分析软件ANSYS进行数据建模。建模结果以及数据化分析1.MIMICS重建颅内动脉瘤模型与DSA工作站重建模型对比MIMICS重建模型DSA工作站重建模型建模结果以及数据化分析2面网格模型与体网格模型网格模型面网格模型体网格模型建模结果以及数据化分析(1)壁面总压力不同注射速度壁面总压力比较建模结果以及数据化分析不同注射速度壁面剪切力比较(2)壁面剪切力建模结果以及数据化分析不同注射速度血流流线图比较（3）血流流线图4.非稳态数值模拟结果进口条件4.非稳态数值模拟结果(1)壁面总压力t1t2t34.非稳态数值模拟结果(2)壁面剪切力t1t2t34.非稳态数值模拟结果t1t2t3（3）血流流线图4.手术前后模型数值模拟结果壁面总压力术前术后4.手术前后模型非稳态数值模拟结果壁面剪切力术后术前4.手术前后模型非稳态数值模拟结果血流流线图术后术前•血流冲击力：可造成被冲击区域压力的增高，当血流的速度降低时，血液的机械运动能力转化为压力，在血流场中，称作动压力(dynamicpressure)。在血流冲击瘤壁或者动脉壁时血流改变方向，速度立刻随之降低，这样大部分动压力转化为静压力，结果导致被冲击区域局部压力的增高，动脉瘤内复杂的速度分布可导致动脉瘤内压力增高*。壁剪切力(WSS)•壁剪切力（wallshearstress，WSS）：是粘性的血流通过固体表面形成的动态摩擦力。血管内皮细胞会通过释放血管舒张因子和收缩因子来调节局部血管张力，它对于震荡的剪切力较为敏感，与直接的机械压力相比，这种震荡的剪切力通过刺激各种内皮细胞的功能而产生很强的生物学效应．增加的WSS可以刺激内皮细胞分泌一氧化氮．一氧化氮是一种强的血管扩张因子，也是一种血管壁退化的潜在因子．因此局部WSS的增加会导致局部血管壁的扩张和退化口，进而形成动脉瘤或者导致动脉瘤的生长。壁剪切力(WSS)与动脉瘤的发生•多认为高WSS是动脉瘤发生和发展的主要因素，最大剪切力发生处的组织比其他地方更容易受损，往往成为动脉瘤新的生长点。•TanoueT,TateshimaS,VillablancaJP,etal.Wallshearstressdistributioninsidegrowingcerebralaneurysm.AJNRAmJNeuroradiol,2011,32:1732-1737.壁剪切力(WSS)与动脉瘤的发生•血流的剪切力对动脉瘤的发生发展具有直接的作用，该剪切力会随心动周期的改变而改变。血流动力学所产生的剪切力、搏动力和压力引起脑动脉分叉处顶端内弹力层损害和中层缺损扩大，血流速度越快所在部位剪切力越大，剪切力增大到一定程度即可造成动脉壁损伤，动脉血管壁受到血流的连续冲击后发生局部膨出，逐渐形成大小不同的动脉瘤*。多认为高WSS是动脉瘤发生和发展的主要因素，最大剪切力发生处的组织比其他地方更容易受损，往往成为动脉瘤新的生长点*。•MengH,TutinoVM,XiangJ,etal.HighWSSorLowWSS?ComplexInteractionsofHemodynamicswithIntracranialAneurysmInitiation,Growth,andRupture:TowardaUnifyingHypothesis.AJNRAmJNeuroradiol,2013.•TanoueT,TateshimaS,VillablancaJP,etal.Wallshearstressdistributioninsidegrowingcerebralaneurysm.AJNRAmJNeuroradiol,2011,32:1732-1737.壁剪切力(WSS)与动脉瘤破裂•目前，大多数对于未破裂和破裂动脉瘤的研究发现，破裂动脉瘤平均瘤体WSS低于未破裂动脉瘤，因而推测低WSS促进动脉瘤的破裂*。•国内黄清海*等研究发现，处于即将破裂状态的动脉瘤平均瘤体WSS比破裂组动脉瘤更低，正是这种低WSS的存在可能导致了动脉瘤的破裂，而动脉瘤破裂后，动脉瘤形态改变，产生了对瘤体WSS的影响，导致WSS数值较破裂前状态升高。*GoubergritsL,SchallJ,KertzscherU,etal.Statisticalwallshearstressmapsofrupturedandunrupturedmiddlecerebralarteryaneurysms[J].JRSocInterface,2012,9:677-688.*JouLD,LeeDH,MorsiH,etal.Wallshearstressonrupturedandunrupturedintracranialaneurysmsattheinternalcarotidartery[J].AJNRAmJNeuroradiol,2008,29:1761-1767.*黄清海，刘建民，等。破裂前期后交通动脉动脉瘤的形态学及血流动力学分析[J].中华神经外科杂志2014,30,4:364-367.壁剪切力(WSS)与动脉瘤破裂•国外研究*表明，动脉瘤破裂出血则与低WSS有关，动脉瘤生长后由于瘤顶部位的剪切应力不足，直接导致血管内•皮细胞出现形变，瘤壁的内皮细胞间隙逐渐加大，导致血液中的有害物质不断侵入，影响内皮细胞的更新，最终使内皮细胞的屏障功能丧失，瘤壁发生退行性变并且薄弱，从而导致动脉瘤破裂风险增加*。•JeongW,RheeK.Hemodynamicsofcerebralaneurysms:computationalanalysesofaneurysmprogressandtreatment.ComputMathMethodsMed,2012,2012:782801.•FrösenJ,TulamoR,PaetauA,etal.Saccularintracranialaneurysm:pathologyandmechanisms.ActaNeuropathologica,2012,123:773-786.壁剪切力与动脉瘤复发•术后若动脉瘤残颈处壁面剪切力普遍减小，能够降低动脉瘤复发的风险。而如果术后动脉瘤残颈处壁面切应力出现局部明显升高，则增大了动脉瘤复发的风险，动脉瘤易复发*。•*UtterB,RossmannJS.Numericalsimulationofsaccularaneurysmhemodynamics:influenceofmorphologyonruturerisk.JBiomech.2007;40(12):2716-2722.•*于红，杨新健,等.基于影像数据的三维颅内动脉瘤血流动力学数值：手术前后壁面切模拟对比[J].中国组织工程研究与临床康复，2010,14,39:7327-7330.壁剪切力与动脉瘤复发•吴永发，黄清海*等也在研究中发现栓塞后在残留瘤颈部位的血流方式改变、WSS和血流速度在治愈和复发组间存在显著差异。在复发组，瘤颈部位具有高壁面切应力区域，4例壁面切应力高于局部；而且高WSS的区域与动脉瘤复发的区域完全一致。•高WSS与动脉瘤发生有关，而极低WSS与动脉瘤破裂有关---基于计算流体力学技术的个体化颅内动脉瘤三维刚性血流动力学模型。下一步研究方向•1.回顾性分析相同部位未复发和复发动脉瘤血流动力学研究。•2.对动脉瘤样突起患者进行动脉瘤发生、发展的预测•3.未破裂动脉瘤患者进行动脉瘤破裂风险的预测•4.对介入栓塞或夹闭术后动脉瘤患者进行复发位置的预测•5.对手术夹闭动脉瘤患者进行动脉瘤壁的病理分析明确血流动力学与血管内膜改变的关系。•6.通过破裂动脉瘤破裂出血位置判断剪切力与破裂点的关系。•7.术中动脉瘤多普勒与CFD血流的比较。•8.血流动力学分析为临床上动脉瘤治疗方案的制定和预防术后复发提供参考依据。