颅内动脉瘤伴开窗畸形血流动力学数值模拟分析的初步研究

段玉霞 陈伟建 刘一骏 刘瑾瑾 李瑞

颅内动脉瘤伴开窗畸形血流动力学数值模拟分析的初步研究

段玉霞 陈伟建 刘一骏 刘瑾瑾 李瑞

目的探讨构建颅内动脉瘤（IA）伴开窗畸形三维数字化模型的可行性，并建立三维有限元模型。方法选取1例前交通动脉瘤伴开窗畸形的急诊患者为研究对象，利用GE Lightspeed 64排螺旋CT获得患者颅脑CT原始数据。应用Mimics软件连续读入DICOM格式的颅脑CT原始数据，采用阈值分割与手动分割相结合的图像处理方法得到最感兴趣部位，并选择3D重建按钮进行三维重建。再应用Geomagic studio软件以“抽壳法”对三维重建模型的表面三角面片形态网格和血管壁截面作进一步优化处理，再现血管壁的真实形态。优化后的三维数字化模型以标准模板库（STL）格式保存并输出。应用CFX软件进行三维刚性模型的数值仿真，并分析与动脉瘤生长及破裂相关的血流动力学参数。结果联合应用Mimics软件和Geomagic studio软件首次成功建立了IA伴开窗畸形的三维数字化模型。模型进一步生成三维有限元模型，并作了相关血流动力学分析，形象地显示了瘤中各区域动脉瘤壁的壁剪切力分布情况。在血流冲击瘤颈处，壁剪切力最大，瘤体次之；在瘤顶处剪切力最小；在开窗处，壁剪切力明显增大。结论借助可靠的CT成像技术和优化的建模方法，联合应用Mimics软件和Geomagic studio软件可以成功建立IA伴开窗畸形的三维数字化模型，并分析动脉瘤各个区域和开窗处的血流动力学参数。

颅内动脉瘤开窗畸形三维数字化模型壁剪切力

颅内动脉瘤（IA）是由动脉血管壁病理性局限性扩张产生脑血管瘤样突起的一种脑血管疾病。IA严重威胁着人类健康，一旦破裂，致残率、致死率均较高。颅内动脉开窗畸形（FIA）是由于胚胎发育期间原始血管融合不全所致的一种少见的先天性动脉血管变异[1-2]，通常情况下FIA本身诊断价值有限，但是FIA合并其他脑血管疾病（尤其是IA）的影像学表现对诊断和治疗的意义较大。目前，CT血管造影（CTA）能清晰地显示颅内血管的分布，能明确诊断IA、FIA或其他血管异常性疾病。随着现代医学影像技术的发展，数字化成为影像学的必然趋势[3]。目前，IA血流动力学研究主要应用工程学中的计算流体力学（CFD）方法实现，应用CFD方法建模实用性强、功能强大；建立准确、有效的三维有限元模型是关键所在[4]。国内外对IA三维有限元模型的研究较多，但关于IA伴开窗畸形三维有限元模型的研究较少，且相关领域的基础研究尚处于空白阶段。故本研究以颅脑螺旋CT原始数据为基本数据进行IA伴开窗畸形的三维重建与数字化模型建立，并对动脉瘤模型进行三维数值模拟，测算其血流动力学参数，为IA发生、生长及破裂原因和机制的研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 建模环境在Windows平台下建立脑动脉瘤伴开窗畸形的三维数字化模型。电脑配置：惠普P7370 Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU 2.00GHz，内存2.00GB，操作系统Windows 7。软件：医学三维图像生成及编辑处理软件Mimicsl 10.0（比利时Materialise公司），逆向工程软件Geomagic studio12.0（美国Raindrop公司）。

1.2 原始数据采集在温州医科大学附属第一医院选取1例前交通动脉瘤伴开窗畸形患者作为研究对象，研究方案取得患者知情同意，并通过本院医学伦理学委员会审查。患者男性，48岁。使用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描仪获得患者的颅脑CT原始数据。扫描范围：自枕大孔下缘至顶结节水平，扫描线与颅底平行。基本扫描参数设置：层厚0.625mm，层间距0.5mm，螺距0.984：1，扫描速度0.5s/r，电压100kV，电流500mA。使用高压注射器（Medrad Stellant D CT Injector，Warrendale，USA）经肘静脉注入碘克沙醇注射剂（注射速度4.0ml/s）。数据以医学数字影像通信标准（DICOM）格式存储。

1.3 动脉瘤伴开窗畸形三维数字化模型的构建应用Mimics软件连续读入DICOM格式的颅脑CT原始数据，正确标记图像的方位，调整显示阈值，使血管影像尽可能地显示清楚。采用阈值自动分割与手动分割相结合的方法对各个层面图像进行细致处理，得到最感兴趣部位，主要包括动脉瘤、开窗畸形和载瘤动脉区域，同时去除周围干扰的细小分支血管以及骨质。点击3D重建按钮，采用三维计算功能进行三维重建，三维重建模型以标准模板库（STL）格式保存并输出。应用Geomagic studio软件直接读取STL格式的三维重建模型，并采用三角面片的形式进行网格化处理，去除不必要的部分。选择简化多边形，再细化多边形，调用编辑多边形工具，利用翻转边、分裂边及收缩边的功能进一步对模型表面三角形面片网格进行优化处理，特别是对开窗畸形处的网格进行精细的优化处理。为了更好地再现血管壁的真实形态，采用一种非常巧妙的方法-“抽壳法”对血管壁截面进行优化（图1），首先在距离血管壁末端0.5cm处对环绕一周的三角面片进行优化处理，然后使用填充工具对截面进行填充，最后采取抽壳法复原长度为0.5cm的血管管径，使血管截面形态更加符合实际情况，这对血流动力学的定量分析很重要。优化后的三维数字化模型的每个三角面片尽量保持等边或直角三角形形态，且保证三角形面片角度的匀称和边长的合适。最后邀请2位经验丰富的生物力学专家对优化后的模型进行评估分析（双盲法），在达成一致意见且确定符合要求后，将其以STL格式保存并输出。

图1 在Geomagic studio软件中运用“抽壳法”处理IA伴开窗畸形三维重建模型的血管壁截面

1.4 流体力学分析（1）控制方程：假定血液是层流且为黏性、不可压缩的牛顿流体，其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（如热量）的传递，因此不考虑能量方程。同时假设不考虑重力因素，流体的基本方程是不可压缩Navier-Strokes方程来控制。设定血液密度为1 050kg/m3，黏性系数为0.003 5Pa/s，入口血流速度为0.5m/s。（2）边界条件：由于颅内动脉搏动不明显，故本研究将动脉壁设定为刚性，假设血流和管壁之间没有滑移和物质交换。（3）数值算法：Navier-Strokes方程组采用质量及动量守恒形式的有限元法来离散，网格单元为四面体型网格。通过SIMPLE算法来计算质量流量，定常计算采用时间迭代法，直至达到指定的收敛标准。

2 结果

CTA显示前交通动脉瘤伴开窗畸形，大小8.6mm×4.1mm。本研究联合应用Mimics软件、Geomagic studio软件使图像的识别、重建及优化更加准确、有效，首次成功重建了IA伴开窗畸形的三维数字化模型（图2a-b）。重建的IA伴开窗畸形三维数字化模型是数字解剖有限元前处理模型，不但具有良好的生物学形态和结构相似性，而且可从不同角度清晰完整地重现IA、开窗畸形和载瘤动脉区域以及三者之间的关系（图3a-b）。根据剪切力的计算结果和相关参照文献，将剪切力分为4个区域：高剪切力（＞3Pa）、中剪切力区（＞1.5～3Pa）、低剪切力区（＞0.5～1.5Pa）、极低剪切力区（≤0.5Pa）。本例患者IA旁边的开窗处可见旋涡状高切力区，瘤颈处为中切力区，瘤顶区为低切力区（图4a-b，插页）。

图2 某例患者的VR重建图和三维数字化重建模拟图像[男，48岁，主诉为“突发意识不清5h”急诊入院，临床诊断为“蛛网膜下腔出血”；a：前交通动脉瘤伴开窗畸形的CTA重建VR图像；b：前交通动脉瘤伴开窗畸形的三维数字化重建模型图像（联合应用Mimics和Geomagic studio软件处理）；b的图像质量明显高于a]

图3 前交通动脉瘤伴开窗畸形三维数字化重建模型图像[a：顶视图（自上而下），b：俯视图（自下而上）]

3 讨论

IA是动脉管壁病理性局限性扩张产生的脑血管瘤样突起病，与先天性平滑肌发育不良导致局部管壁缺陷、后天性腔内压力增高导致血管内弹力层破坏等有关。FIA是一种非常少见的先天性动脉血管变异，与原始胚胎血管融合不全有关。FIA的起点正常，位置正常，但行程部分分叉成双支走行的表现在临床上很少见[1-2]，且大部分FIA本身不会引起明显临床症状，通常在尸检或CTA时偶然发现[5]。因此，FIA的临床意义主要是其合并囊状动脉瘤、动静脉畸形等颅内其他血管异常时对血管介入治疗路径、神经外科治疗手术入路的影响[6]。约90%的IA起自颈内动脉系统，其中起自前交通动脉区占30%～35%，大多数动脉瘤以蒂（或称瘤颈）与载瘤动脉相连，本例患者就属于这种情况。FIA的发生与原始胚胎血管的发育异常相关，常见于前交通动脉区，其次为椎基底动脉系统和大脑中动脉区[7-8]。根据显微外科研究结果，前交通动脉开窗畸形的发生率约为40%[9]。本例患者开窗畸形位于前交通动脉，前交通动脉开窗畸形可能和胚胎时期大脑前、中动脉之间的原始血管网吻合支残留及血流动力学等因素有关[5,10]。

FIA常伴有IA，相关文献认为FIA与IA形成具有相关性[11-13]。然而，Aditya等[7]发现合并与不合并动脉瘤的患者开窗畸形发生率比较差异无统计学意义；孙晓劼等[8]亦认为FIA与IA之间不存在明确关系。FIA的结构特点是血管腔部分重复变成2个分开的内皮衬里的通道，且在开窗近远端分叉处伴有部分中膜缺损[14]。有一种假说认为涡流造成了开窗畸形近端和远端部分血管壁中层内膜的缺陷，导致了动脉瘤的发生[5]。根据杭晓杰等[15]对FIA与动脉瘤解剖关系的分型，本例患者动脉瘤与开窗畸形紧邻但不位于窗内。相关研究表明，该类型的FIA有明显的血管内涡流，会使血管内膜明显变薄，从而使脑动脉瘤的形成机会明显增大[16]。此外，有研究表明FIA患者有较高的动脉瘤发生率，时因为血管壁中层的缺陷同时伴随着血流动力学压力的增高[14]。本例患者开窗处显示旋涡状高切力区，表示此处血流动力学压力增高，证实了以上结论。

本研究在充分考虑IA伴开窗畸形影像学特征和临床研究价值的基础上，借助可靠的CT成像技术和优化的建模方法，联合应用Mimics软件和Geomagic studio软件成功建立了IA伴开窗畸形的三维数字化模型，并分析了与动脉瘤生长、破裂相关的血流动力学参数，为相关临床血流动力学研究和手术治疗措施提供了新思路。

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Three dimensional digital model of hemodynamics in in tracranial aneurysms with fenestration

DUAN Yuxia,CHEN Weijian,LIU Yijun,et al.
Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University,Wenzhou 325000，China

ObjectiveTo construction a three-dimensional digital model of hemodynamics in intracranial aneurysm with fenestration.MethodsAn emergent patient of anterior communicating artery aneurysm with fenestration admitted in the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University was selected as the study object.The patient underwent brain CT scan with GE Lightspeed 64-channel multidetector CT scanner.Mimics software was used to read consistent CT raw data of DICOM format directly and the three-dimensional function was used to reconstruct the model by threshold segmentation combined with manual segmentation method and to obtain the most important region of interest.Then Geomagic studio software was used to further optimize surface meshes with triangle patch shape and sections of vessel wall of the three-dimensional reconstruction model;in particular,the'Shell Method'was utilized for optimizing sections of vessel wall in order to reflect the real nature of blood vessel.The optimized three-dimensional digital model was stored and sent out by STL format,and then the hemodynamic parameters related to the growth and rupture of aneurysms were analyzed.ResultsThe three-dimensional digital model of intracranial aneurysm with fenestration was reconstructed successfully.The further three-dimensional finite element model and related hemodynamics were analyzed.The wall shear stress was given in the distribution of various parts of aneurysm.In the window areas,the wall shear stress increased considerably.ConclusionThe three-dimensional digital model of intracranial aneurysm with fenestration has been reconstructed successfully,with this model the hemodynamics of each region and the window of the aneurysm can be analyzed.

Intracranial aneurysm Fenestration Three-dimensional digital model The wall shear stress

10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.23.2016-1519

温州市科技计划项目（Y20140027）

325000温州医科大学附属第一医院放射科（段玉霞、陈伟健、刘瑾瑾、李瑞）；浙江省人民医院放射科（刘一骏）

陈伟建，E-mail：wyyycwj@163.com

2016-09-27）

（本文编辑：陈丹）