基于MIMICS建模和SimVascular仿真計算的不同狹窄率頸動脈非牛頓血流動力學(xué)分析

高銘澤 陳廣新 陳曉琴 胡明成 成志國 林 強▲

1.牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011；2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院，黑龍江牡丹江 157011

頸動脈為顱內(nèi)組織供血，頸動脈斑塊是引起腦卒中的重要原因之一[1]。頸動脈狹窄的形成原因比較復(fù)雜，血管內(nèi)膜損傷、血管壁蛋白纖維作用減弱導(dǎo)致的血管壁硬化、變厚等均促成頸動脈粥樣硬化[2]。已有研究證實，血流動力學(xué)因素是頸動脈粥樣硬化和血栓形成的重要因素[3]。目前，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)檢查手段仍無法對體內(nèi)的血流動力學(xué)分布特征進行有效測量。近些年計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）快速發(fā)展，將CFD技術(shù)應(yīng)用于血流動力學(xué)仿真分析可實現(xiàn)頸動脈內(nèi)的血流動力學(xué)分布特征參數(shù)，對頸動脈狹窄的發(fā)生發(fā)展、病理機制研究有重要的意義[4]。本研究基于MIMICS軟件對個體化CTA真實患者數(shù)據(jù)構(gòu)建輕中度三種狹窄程度的幾何模型、利用CFD仿真軟件SimVascular進行血流動力學(xué)仿真計算，分析不同狹窄程度對頸動脈的血流動力學(xué)指標(biāo)的特征分布規(guī)律，并探討?yīng)M窄率大小與頸動脈斑塊的形成關(guān)系。

1 模型構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)采集與幾何模型構(gòu)建

采集牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院影像科1例頸動脈狹窄患者的CTA影像數(shù)據(jù)作為研究對象，經(jīng)牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。影像采集設(shè)備為GE 64排螺旋CT，電壓120 kV，電流300 mA，層距0.5 mm，層厚0.3 mm，螺距1.75 mm，矩陣512×512，共獲得120張圖像。使用MIMICS軟件（Materialise公司，比利時）對CTA文件進行閾值分割、蒙版編輯、區(qū)域生長、三維重建等操作生成幾何模型（STL格式），利用3-matic（MIMICS軟件附帶）對頸動脈初步模型進行優(yōu)化、光滑生成頸動脈狹窄模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建正常頸動脈、輕度狹窄、重度狹窄幾何模型，見圖1。

1.2 CFD仿真計算模型構(gòu)建

采用SimVascular（開源血流動力學(xué)仿真軟件）劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格邊界層設(shè)為5層，增長率為1.2，入口采用速度入口，入口速度曲線見圖2。出口采用壓力出口，血液生理壓力為13 339 Pa[5]。計算模型采用非牛頓血液黏度模型Carreau-Yasuda，血液密度為1060 kg/m3[6]。在Carreau-Yasuda模型中，剪切率與動力黏度關(guān)系見圖3。血液為各向同性、不可壓縮、層流，其控制方程為Navier-Stokes方程。計算時間步間隔0.01 s，周期為0.8 s，總計算時間為2.4 s即3個周期。迭代精度設(shè)為10-4。

圖2 入口速度曲線

圖3 非牛頓血液黏度模型

2 結(jié)果

2.1 血流速度分布特征分析

由頸動脈內(nèi)血流速度（峰值時刻）流線圖（圖4）可知，頸動脈狹窄處附近形成了血流速度的最大值區(qū)，血液在流經(jīng)狹窄區(qū)域之前，頸動脈血流在頸總動脈分布均勻，血液到達分叉部位狹窄區(qū)域血流發(fā)生了較大的流動分離，血液的穩(wěn)定層被破壞，呈現(xiàn)復(fù)雜的流態(tài)分布。隨著狹窄率增高，血管壁對血液的流動速度產(chǎn)生了影響，在狹窄率較高的區(qū)域，血流速度更快，在狹窄部位出現(xiàn)局部的渦流、回流、二次流現(xiàn)象，頸動脈狹窄部位的血流速度、方向的震蕩對動脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定性、形成、發(fā)展以及血管壁的重塑、修復(fù)具有重要的影響。

圖4 血液流線圖

2.2 壁面切應(yīng)力分布特征分析

壁面切應(yīng)力分布圖（圖5）結(jié)果表明，在頸動脈狹窄處呈現(xiàn)壁面切應(yīng)力較高的情況，尤其是狹窄率越高，壁面切應(yīng)力的值越高、高壁面切應(yīng)力的區(qū)域面積越大。隨著頸動脈狹窄率增高，狹窄區(qū)域過高的壁面切應(yīng)力易導(dǎo)致血管斷裂，也易導(dǎo)致斑塊的脫落，這也構(gòu)成了缺血性腦卒中發(fā)生的可能。高壁面切應(yīng)力使紅細胞聚集，增加斑塊破裂、脫落堵塞血管的風(fēng)險。

圖5 壁面切應(yīng)力分布特征

2.3 壁面壓力分析

頸動脈心動周期壓力分布曲線（圖6）結(jié)果表明，在心動周期內(nèi)動脈狹窄部位存在負壓現(xiàn)象。對比正常、輕度狹窄、重度狹窄的頸動脈狹窄部位的壁面壓力，隨著狹窄率越大，狹窄部位壁面壓力的波動范圍較大，壓力值逐漸減小。三種頸動脈壁面壓力值差異較大，頸動脈狹窄對遠端血管的血液流動產(chǎn)生影響，狹窄部位的低壓力導(dǎo)致遠端的血流動力不足，以至于出現(xiàn)血液回流的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致腦部供血不足，進而導(dǎo)致腦卒中發(fā)生。

圖6 頸動脈狹窄部位壓力曲線圖

3 討論

頸動脈是為大腦供血的重要通道，頸動脈斑塊導(dǎo)致頸動脈狹窄，嚴(yán)重威脅著大腦的血流運輸，腦供血不足、腦卒中的發(fā)生也與頸動脈狹窄有著密切聯(lián)系[7]。動脈粥樣硬化的形成發(fā)展最重要的因素是血流動力學(xué)因素。因此，不同狹窄率頸動脈的血流動力學(xué)參數(shù)如壁切應(yīng)力、壁面壓力、剪切應(yīng)力等特征分布情況，可為頸動脈狹窄的形成機制提供理論指導(dǎo)，也可為頸動脈狹窄的疾病診療提供理論指導(dǎo)[7-11]。本研究利用個體化真實病例的影像CTA數(shù)據(jù)，使用MIMICS軟件進行三維重建獲得個體化頸動脈的初步三維模型，在此基礎(chǔ)上利用3-matic軟件構(gòu)建不同狹窄率的頸動脈幾何模型。這種構(gòu)建模型的技術(shù)可以方便、快捷、有針對性地創(chuàng)建目標(biāo)模型。

頸動脈狹窄是由于動脈粥樣硬化引起的血管局部結(jié)構(gòu)異常、腦卒中的發(fā)生。頸動脈分叉部位復(fù)雜的血流動力學(xué)特征分布如壁切應(yīng)力、壁壓力、血流速度等。頸動脈血液在頸動脈狹窄區(qū)域流動時的異常現(xiàn)象如血流回流、低速流動、渦流等刺激血細胞的滯留、沉積，并刺激平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞，導(dǎo)致增值平滑肌細胞，上述因素也是導(dǎo)致動脈粥樣硬化的基礎(chǔ)[12]。頸動脈血液的流動跟血管壁的壓力密切相關(guān)，頸動脈的血流速度和供血量不足會促進該紅細胞的沉積和滯留，而壓力梯度較小會導(dǎo)致頸動脈血流速度變慢、供血量不足[13]。一些研究表明[7-15]，動脈硬化與血栓的形成與壁切應(yīng)力密切相關(guān)，低壁切應(yīng)力對近血管壁的邊界層區(qū)域血液正常的層流狀態(tài)產(chǎn)生破壞作用，低壁切應(yīng)力導(dǎo)致血流出現(xiàn)渦流、回流，血細胞在近壁面流動時，不斷與血管內(nèi)壁層內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞摩擦，促進血小板活性的增加，使血小板在損傷部位黏附聚集，從而導(dǎo)致血管內(nèi)膜增生，血管發(fā)生重構(gòu)，進而產(chǎn)生動脈粥樣硬化并引起血管狹窄。臨床上對頸動脈狹窄的治療可采用支架介入等方式，支架的大小、形狀、體積等設(shè)計對狹窄頸動脈的血液流場及應(yīng)力變化起到調(diào)節(jié)作用。

本研究對個體化不同狹窄率的頸動脈非牛頓、層流的血流動力學(xué)仿真計算研究，比較血流速度、壓力、壁面切應(yīng)力的分布特征，研究結(jié)果表明：①不同狹窄率的頸動脈在狹窄部位血流分布存在較大差異，即血流速度與頸動脈狹窄率呈正相關(guān)，狹窄中心血流速度較大，靠近壁面區(qū)域的血流速度較小，狹窄部位出現(xiàn)渦流并且動脈越狹窄，渦流越明顯加強；②壁面切應(yīng)力隨著動脈狹窄率增大，在狹窄部位出現(xiàn)峰值，并且頸動脈無狹窄區(qū)域也受到影響。壁面切應(yīng)力過大對血管硬化和斷裂有積極作用，頸動脈斑塊脫落的危險因素增加，缺血性卒中風(fēng)險增大；③在一個心動周期內(nèi)，頸動脈狹窄的壓力出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，即產(chǎn)生負壓效應(yīng)。負壓效應(yīng)導(dǎo)致在頸動脈狹窄部位血細胞沉積，進而形成頸動脈粥樣硬化斑塊，進一步造成動脈狹窄。

綜上所述，本研究采用考慮血液的非牛頓效應(yīng)的單相流數(shù)值模擬分析，這種建模方法雖然能夠比較準(zhǔn)確地考察頸動脈的血流動力學(xué)指標(biāo)，但是忽略了頸動脈彈性血管的影響。因此，本研究存在一定的不足，在進一步的研究中，筆者將考慮采用非牛頓流體的流固耦合分析，以提高模擬的準(zhǔn)確性。