血流動(dòng)力學(xué)應(yīng)用課件(PPT 31頁(yè))

1、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤中血流動(dòng)力學(xué)研究第1頁(yè)，共31頁(yè)。簡(jiǎn)介血流動(dòng)力學(xué)在動(dòng)脈瘤的病理形成和瘤內(nèi)血栓生成方面起重要作用，雖然在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床上都進(jìn)行了相關(guān)的研究，尤其是體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的血流動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)參數(shù)的模擬，但是這些研究多是基于理想化的動(dòng)脈瘤模型或者實(shí)驗(yàn)動(dòng)物動(dòng)脈瘤模型，對(duì)于具體的臨床病人價(jià)值不高，因此針對(duì)臨床病人顱內(nèi)動(dòng)脈瘤進(jìn)行的血流動(dòng)力學(xué)個(gè)體化研究更有意義。第2頁(yè)，共31頁(yè)。簡(jiǎn)介由于技術(shù)手段的限制，目前無(wú)法對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈瘤患者實(shí)施 血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的在體檢測(cè)。因此，應(yīng)用(computational fluid dynamics，CFD)建立顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的三維實(shí)體動(dòng)力學(xué)分析模型，分析瘤內(nèi)血流運(yùn)動(dòng)模式及血流-

2、瘤壁相互作用機(jī)制成為可靠的技術(shù)手段。第3頁(yè)，共31頁(yè)。簡(jiǎn)介目前研究多應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynami cs，CFD)來(lái)模擬進(jìn)而獲得動(dòng)脈瘤內(nèi)血液動(dòng)力學(xué)的信息，以便更好的理解實(shí)際體內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)理。其中動(dòng)脈瘤內(nèi)部的流速、壓力、壁面剪切力等流體力學(xué)參數(shù)對(duì)動(dòng)脈瘤病理生理機(jī)制非常重要，利用流利力學(xué)有限元分析方法能在體外對(duì)動(dòng)脈瘤內(nèi)部的血流情況進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測(cè)瘤體內(nèi)部血流動(dòng)力過(guò)程。第4頁(yè)，共31頁(yè)。簡(jiǎn)介血流動(dòng)力學(xué)研究中幾個(gè)關(guān)鍵的概念：1、血流沖擊力：其來(lái)自于血流的慣性力，垂直作用于血管壁。 2、壁剪切力（wall shear stress，WSS）：WSS是血

3、液流動(dòng)時(shí)血流對(duì)血管壁的切向作用力，其作用方向平行于血管壁，大小與血流速度有關(guān)，血流速度越快，血流速度梯度越大，血流產(chǎn)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. 第5頁(yè)，共31頁(yè)。研究目的（1）基于影像DSA圖像，應(yīng)用醫(yī)學(xué)軟件MIMICS及有限元軟件ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)體化

4、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)模擬，觀察顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)變化。（2）探討顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流動(dòng)力學(xué)特征與其發(fā)生、發(fā)展、破裂和復(fù)發(fā)的關(guān)系。第6頁(yè)，共31頁(yè)。技術(shù)路線（1）基于MIMICS軟件對(duì)顱腦DSA圖像進(jìn)行三維重建。（2）使用ANSYS ICEM CFD 進(jìn)行網(wǎng)格化（3）采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)研究對(duì)象重建模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算（4)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件研究對(duì)象重建模型進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析手術(shù)前后的血流動(dòng)力學(xué)變化第7頁(yè)，共31頁(yè)。技術(shù)路線一、血流動(dòng)力學(xué)模型1 控制方程假定血液是層流且為粘性的，不可壓縮的牛頓 流體。一般情況下的流體力學(xué)控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。本研究不考

5、慮能量的傳遞，例如熱量 的傳遞等，因此不考慮能量方程。同時(shí)假設(shè)重力不計(jì)，控制流動(dòng)的基本方程是不可壓縮Navier-Stokes方程來(lái)控制2.邊界條件 將動(dòng)脈瘤壁設(shè)定為剛性，因此忽略了動(dòng)脈瘤壁彈性和厚度對(duì)血流動(dòng)力學(xué)結(jié)果的影響。血流和管壁之間沒(méi)有滑動(dòng)和穿透。3.數(shù)值計(jì)算 NS方程組采用守恒形式的有限體積法來(lái)離散，時(shí)間采用 隱格式，網(wǎng)格單元為四面體型網(wǎng)格。在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周?chē)鷺?gòu)造控制體 ，通量通過(guò)位于兩個(gè)控制體界面上的結(jié)合點(diǎn)來(lái)計(jì)算 。第8頁(yè)，共31頁(yè)。技術(shù)路線二、動(dòng)脈瘤三維實(shí)體重建模型建模環(huán)境：在微機(jī)的Windows平臺(tái)下建立腦動(dòng)脈瘤的三維有限元幾何模型。1.原始數(shù)據(jù)采集：進(jìn)行DSA造影，3D旋轉(zhuǎn)取得

6、血管影像，剪切無(wú)關(guān)血管，保留載瘤動(dòng)脈和動(dòng)脈瘤，將動(dòng)脈瘤橫斷圖切片以圖片格式輸出。2.將圖片進(jìn)行圖像處理，使imics的橫斷圖窗、縱切圖窗、軸位圖窗的血管影像能清晰完整顯示，進(jìn)行三維重建。再對(duì)重建后的影像進(jìn)行平滑處理。將三維模型導(dǎo)出為格式文件。3.劃分網(wǎng)格：將上一步生成的格式文件導(dǎo)入ICEM CFD，用Block分塊，并用O-Block法劃分三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。4.醫(yī)學(xué)3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics，有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。第9頁(yè)，共31頁(yè)。建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析1.MIMICS重建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤模型與DSA工作站重建模型對(duì)比MIMICS重建模型DSA工作站重建模型第10頁(yè)，共31頁(yè)

7、。建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析2 面網(wǎng)格模型與體網(wǎng)格模型網(wǎng)格模型面網(wǎng)格模型體網(wǎng)格模型第11頁(yè)，共31頁(yè)。建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析(1)壁面總壓力不同注射速度壁面總壓力比較第12頁(yè)，共31頁(yè)。建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析不同注射速度壁面剪切力比較(2)壁面剪切力第13頁(yè)，共31頁(yè)。建模結(jié)果以及數(shù)據(jù)化分析不同注射速度血流流線圖比較（3）血流流線圖第14頁(yè)，共31頁(yè)。4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)口條件第15頁(yè)，共31頁(yè)。4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果(1)壁面總壓力t1t2t3第16頁(yè)，共31頁(yè)。4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果(2)壁面剪切力t1t2t3第17頁(yè)，共31頁(yè)。4.非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果t1t2t3（3）血流流線圖第18頁(yè)，

8、共31頁(yè)。4.手術(shù)前后模型數(shù)值模擬結(jié)果壁面總壓力術(shù)前術(shù)后第19頁(yè)，共31頁(yè)。4.手術(shù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果壁面剪切力術(shù)后術(shù)前第20頁(yè)，共31頁(yè)。4.手術(shù)前后模型非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果血流流線圖術(shù)后術(shù)前第21頁(yè)，共31頁(yè)。血流沖擊力：可造成被沖擊區(qū)域壓力的增高，當(dāng)血流的速度降低時(shí)，血液的機(jī)械運(yùn)動(dòng)能力轉(zhuǎn)化為壓力，在血流場(chǎng)中，稱作動(dòng)壓力 (dynamic pressure)。在血流沖擊瘤壁或者動(dòng)脈壁時(shí)血流改變方向 ，速度立刻隨之降低，這樣大部分動(dòng)壓力轉(zhuǎn)化為靜壓力，結(jié)果導(dǎo)致被沖擊區(qū)域局部壓力的增高，動(dòng)脈瘤內(nèi)復(fù)雜的速度分布可導(dǎo)致動(dòng)脈瘤內(nèi)壓力增高*。第22頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力(WSS)壁剪切力（wall

9、 shear stress，WSS）：是粘性的血流通過(guò)固體表面形成的動(dòng)態(tài)摩擦力。血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)通過(guò)釋放血管舒張因子和收縮因子來(lái)調(diào)節(jié)局部血管張力，它對(duì)于震蕩的剪切力較為敏感，與直接的機(jī)械壓力相比，這種震蕩的剪切力通過(guò)刺激各種內(nèi)皮細(xì)胞的功能而產(chǎn)生很強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)增加的WSS可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞分泌一氧化氮一氧化氮是一種強(qiáng)的血管擴(kuò)張因子，也是一種血管壁退化的潛在因子因此局部WSS的增加會(huì)導(dǎo)致局部血管壁的擴(kuò)張和退化口，進(jìn)而形成動(dòng)脈瘤或者導(dǎo)致動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)。第23頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤的發(fā)生多認(rèn)為高WSS是動(dòng)脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動(dòng)脈瘤

10、新的生長(zhǎng)點(diǎn)。Tanoue T, Tateshima S, Villablanca JP, et al. Wall shear stress distribution inside growing cerebral aneurysm. AJNR Am J Neuroradiol, 2011, 32: 1732-1737.第24頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤的發(fā)生血流的剪切力對(duì)動(dòng)脈瘤的發(fā)生發(fā)展具有直接的作用，該剪切力會(huì)隨心動(dòng)周期的改變而改變。血流動(dòng)力學(xué)所產(chǎn)生的剪切力、搏動(dòng)力和壓力引起腦動(dòng)脈分叉處頂端內(nèi)彈力層損害和中層缺損擴(kuò)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動(dòng)

11、脈壁損傷，動(dòng)脈血管壁受到血流的連續(xù)沖擊后發(fā)生局部膨出，逐漸形成大小不同的動(dòng)脈瘤*。多認(rèn)為高WSS是動(dòng)脈瘤發(fā)生和發(fā)展的主要因素，最大剪切力發(fā)生處的組織比其他地方更容易受損，往往成為動(dòng)脈瘤新的生長(zhǎng)點(diǎn)*。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 Neurorad

12、iol, 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.第25頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤破裂目前，大多數(shù)對(duì)于未破裂和破裂動(dòng)脈瘤的研究發(fā)現(xiàn)，破裂動(dòng)脈瘤平均瘤體WSS低于未破裂動(dòng)脈瘤，因而推測(cè)低WSS促進(jìn)動(dòng)脈瘤的破裂*。國(guó)內(nèi)黃清海*等研究發(fā)現(xiàn)，處于即將破裂狀態(tài)的動(dòng)脈瘤平均瘤體WSS比破裂組動(dòng)脈瘤更低，正是這種低WS

13、S的存在可能導(dǎo)致了動(dòng)脈瘤的破裂，而動(dòng)脈瘤破裂后，動(dòng)脈瘤形態(tài)改變，產(chǎn)生了對(duì)瘤體WSS的影響，導(dǎo)致WSS數(shù)值較破裂前狀態(tài)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 an

14、d unruptured intracranial aneurysms at the internal carotid artery J. AJNR Am J Neuroradiol,2008,29:1761-1767. *黃清海，劉建民，等。破裂前期后交通動(dòng)脈動(dòng)脈瘤的形態(tài)學(xué)及血流動(dòng)力學(xué)分析J. 中華神經(jīng)外科雜志2014,30,4:364-367.第26頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力(WSS)與動(dòng)脈瘤破裂國(guó)外研究*表明，動(dòng)脈瘤破裂出血?jiǎng)t與低WSS有關(guān)，動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)后由于瘤頂部位的剪切應(yīng)力不足，直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)形變，瘤壁的內(nèi)皮細(xì)胞間隙逐漸加大，導(dǎo)致血液中的有害物質(zhì)不斷侵入，影響內(nèi)皮細(xì)胞的更新，最終

15、使內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能喪失，瘤壁發(fā)生退行性變并且薄弱，從而導(dǎo)致動(dòng)脈瘤破裂風(fēng)險(xiǎn)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 Neuro

16、pathologica, 2012, 123: 773-786. 第27頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力與動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā) 術(shù)后若動(dòng)脈瘤殘頸處壁面剪切力普遍減小，能夠降低動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。而如果術(shù)后動(dòng)脈瘤殘頸處壁面切應(yīng)力出現(xiàn)局部明顯升高，則增大了動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)脈瘤易復(fù)發(fā)*。*Utter B, Rossmann JS. Numerical simulation of saccular aneurysm hemodynamics:influence of morphology on ruture risk. J Biomech.2007;40(12):2716-2722. *于紅，楊新健,等.基于影像數(shù)據(jù)的三維顱內(nèi)動(dòng)脈瘤血流動(dòng) 力學(xué)數(shù)值：手術(shù)前后壁面切模擬對(duì)比J. 中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2010,14,39:7327-7330.第28頁(yè)，共31頁(yè)。壁剪切力與動(dòng)脈瘤復(fù)發(fā)吳永發(fā)，黃清海*等也在研究中發(fā)現(xiàn)栓塞后在殘留瘤頸部 位的血流方式改變、WSS和血流速度在治愈和復(fù)發(fā)組間存在顯著差 異。在復(fù)發(fā)組，瘤頸部位具有高壁面切應(yīng)力 區(qū)域，4例壁面切應(yīng)力高于局部；而且高WSS的區(qū)域與動(dòng) 脈瘤復(fù)發(fā)的區(qū)域完全一致。第29頁(yè)，共31頁(yè)。高WSS與動(dòng)脈瘤發(fā)生有關(guān)，而極低WSS與動(dòng)脈瘤破裂有關(guān)-基于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的個(gè)體化顱內(nèi)動(dòng)脈