血流动力学应用.ppt

颅内动脉瘤中血流动力学研究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(computational fluid dynamics，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 (computational fluid dynami cs，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（wall shear stress，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 *Shojima M, Oshima M,Takagi K,et al. Role of the blood stream impacting force and the local pressure elevation in the rupture of cerebral aneurysms 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ANSYS ICEM CFD 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imics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ICEM CFD，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 t2 t3 4.非稳态数值模拟结果 (2)壁面剪切力 t1t2 t3 4.非稳态数值模拟结果 t1t2 t3 （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 (dynamic pressure)。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（wall shear stress，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。 Tanoue T, Tateshima S, Villablanca JP, et al. Wall shear stress distribution inside growing cerebral aneurysm. AJNR Am J Neuroradiol, 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*。 Meng H, Tutino VM, Xiang J, et al. High WSS or Low WSS? Complex Interactions of Hemodynamics with Intracranial Aneurysm Initiation, Growth, and Rupture: Toward a Unifying Hypothesis. AJNR Am J Neuroradiol, 2013. Tanoue T, Tateshima S, Villablanca JP, et al. Wall shear stress distribution inside growing cerebral aneurysm. AJNR Am J Neuroradiol, 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。 *Goubergrits L, Schall J,Kertzscher U,et al.Statistical wall shear stress maps of ruptured and unruptured middle cerebral artery aneurysms J. J R Soc Interface, 2012,9:677-688. *Jou LD,Lee DH,Morsi H,et al.Wall shear stress on ruptured and unruptured intracranial aneurysms at the internal carotid artery J. AJNR Am J Neuroradiol,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*。 Jeong W, Rhee K. Hemodynamics of cerebral aneurysms: computational analyses of aneurysm progress and treatment. Comput Math Methods Med, 2012, 2012:782801. Frsen J, Tulamo R, Paetau A, et al. Saccular intracranial aneurysm: pathology and mechanisms. Acta Neuropathologica, 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*。 *Utter B, Rossmann JS. Numerical simulation of saccular aneurysm hemodynamics:influence of morphology on ruture risk. J Biomech.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