基于两例CTA图像的颈动脉分叉段三维重建及CFD数值模拟分析

戴志颖，郭金兴，于 曦，李思瑢，唐镭蕾，赵 宝，陈广新

(1. 牡丹江医学院医学影像学院，黑龙江 牡丹江 157011；2. 牡丹江医学院附属红旗医院介入科，黑龙江 牡丹江 157011，3. 黑龙江省克东县职业技术教育中心，黑龙江 克东 164800)

0 引言

粥样动脉硬化是血管类疾病常见的且最重要的一种疾病，动脉粥样硬化是西方发达国家的主要死亡原因。近些年来，随着我国人民的生活水平提高和饮食习惯的改变，动脉粥样硬化也成为了我国人民的重要的死亡原因[1]。动脉粥样硬化常常发生在大、中动脉的分叉与弯曲部位，具有强烈的病灶选择性。这表明动脉粥样硬化的发生及发展过程与血管局部的血液动力学有密切的联系，目前普遍认为低壁面剪切应力、震荡剪切力和粒子停留时间过长是导致动脉粥样硬化的血液动力学因素[2-3]。

应用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法结合血管影像研究人体血管的血流动力学状态已逐渐应用于科研和临床[4-5]。颈动脉分叉段结构复杂，存在分叉及弯曲，其血液流动情况存在个体差异，容易形成斑块，如堵塞血管则导致脑萎缩、脑缺血、血管破裂等严重情形发生。鉴于颈动脉分叉段的特殊性和重要性，应用CFD技术对颈动脉分叉段进行分析研究有助于医生掌握血流动力学指标与动脉粥样硬化的发生、发展的密切关系，对于临床早期治疗、治疗方案制定具有重要的意义。

本研究采用 CFD方法对有斑块及无斑块的颈动脉分叉段的 Newton流体进行数值分析，研究了斑块对颈动脉的血流动力学的速度场、管壁剪切应力、管壁压力等分布情况的影响，为临床研究提供了参考。

1 资料和方法

1.1 一般资料

图像数据：采集牡丹江医学院附属红旗医院 2例男性患者颈部CTA扫描图像数据，二患者年龄分别为58岁和64岁。仪器应用东芝64排螺旋CT，CT扫描参数：电压120 V，电流250 mA，断层厚度0.5 mm，图像矩阵512×512，以4.0 ml/s流率经肘静脉注射造影剂150 ml，要求患者在扫描过程中不做吞咽动作。

1.2 图像后处理设备

图形工作站：戴尔 Precision T7810：Xeon E5-2609 v3处理器、16 G内存、nVIDIA Quadro2200显卡；

实验应用软件：Mimics 20.0；3-matic 12.0；SolidWorks2015；Geomagic2015；Ansys workbench 16.0。

1.3 方法

（1）图像后处理

将二患者的颈部CTA影像DICOM数据分别导入Mimics20.0软件，使用阈值分割（threshholding）、动态区域增长(dynamic region growing)、多层编辑（multiple- slice edit）等分割算法，分别提取出二患者的颈动脉蒙板。对颈动脉蒙板进行去除细小分支、截取，再通过计算三维工具（Calculate 3D）计算生成三维颈动脉分叉模型[6-9]。将生成的三维模型分别导入3-matic软件进行平滑（Smooth）、包裹（wrap）、减少三角面片（triangle reduction）等处理。然后再将处理后的模型导入到SolidWorks软件进行管口切面处理，再将处理之后的模型导入Geomagic软件中在不改变曲面形状的前提下进行修复多边形网格的缺陷。

（2）计算流体力学（CFD）数值分析

将修复完毕的二个颈动脉模型分别导入 Ansys Workbench 16.0软件中进行CFD分析：确定入口、出口、管壁，对颈动脉模型划分网格。为提高计算的精度及减少计算时间，本研究采用四面体网格划分技术，划分网格节点数和网格单元数如表 1，颈动脉体网格化结果如图1、图2所示。

表1 体网格参数图Tab.1 The volume meshing

图1 模型I体网格Fig.1 The first volume meshing

图2 模型2体网格Fig.2 The second volume meshing

在本实验中假定血液是各向同性且不可压缩的牛顿流体，密度为1060 kg/m3，粘度为0.00345 pa·s，由于颈动脉方向是从主动脉分支延伸到大脑的，血流在流动过程中要克服重力影响，因此，在模拟的过程中垂直方向的重力加速度-9.8 m/s2。血流模型选择湍流模型。为了简化模型，将颈动脉设定为光滑、无渗透性的刚性管壁，本实验不考虑能量的传递，故不需考虑能量方程。控制方程如下：

式中U为速度矢量，P为流场压力，ρ为血流密度。

颈动脉入口采用速度边界，入口速度为0.4 m/s，假定出口流动是充分发展的。采用Simple方法以二阶迎风格式，迭代300次计算得到血流速度、血流流线和管壁切应力、管壁压力等血流动力学指标，采用矢量图、云图和流线图显示计算结果：第一组是无斑块的患者颈动脉血流动力学指标分布图，第二组是有斑块患者颈动脉血流动力学指标分布图，如图3-10。

2 结果与分析

2.1 颈动脉模型速度场

由图1、图3、图5和图7所示，在分叉部位形成血流分离区，局部存在低流速血流，分叉下流区有次级血流模式形成，血流自颈总动脉流入，中心轴线流速高，沿径向逐渐降低，靠近血管壁的血流速度最低，血流速度在分叉处分布改变。血流在进入载斑块颈动脉管腔狭窄段血流加速。

图3 正常人体颈动脉速度矢量图Fig.3 Vector distribution of blood flow in the healthy carotid artery velocity

图4 正常人体颈动脉速度流线图Fig.4 Streamline distribution of blood flow in the healthy carotid artery velocity

图5 正常人体颈动脉壁切应力云图Fig.5 Wall shear stress distribution in the healthy carotid artery

图6 正常人体颈动脉壁面压力云图Fig.6 Wall pressure distribution in the healthy carotid artery

图7 有斑块人体颈动脉血流速度矢量图Fig.7 Vector distribution of blood flow in the carotid artery velocity with plaques

图8 有斑块人体颈动脉血流速度流线图Fig.8 Streamline distribution of blood flow in the carotid artery velocity with plaques

2.2 颈动脉壁面切应力分布

图9 有斑块人体颈动脉壁切应力（WSS）云图Fig.9 Wall shear stress distribution in the carotid artery with plaques

图10 有斑块人体颈动脉壁面压力云图Fig.10 Wall pressure distribution in the carotid artery with plaques

血管壁切应力（WSS）是指血液流动时对血管壁产生的切向应力，是一项重要的血管壁力学参数，在多种血管病变发生过程中发挥重要的作用，血管壁的切应力或震荡切应力被指与斑块易损性及斑块破裂密切相关。在本实验中可观察到载斑块颈动脉壁面切应力分布紊乱，忽高忽低，在贴近颈动脉窦、内颈动脉斑块之间最狭窄处壁面切应力大幅度增高，而在内颈动脉最狭窄处，壁切应力达骤然增高。

2.3 颈动脉壁压力分布

血流冲击力可造成被冲压区域压力的增高，当血流速度降低时，血液机械运动能力转化为压力，在血流场中，称作为动压力（dynamic pressure）或动压。在血流冲击动脉壁时血流方向发生改变，速度随之下降，这样大部分动压力转化为静压力。壁压力是动压力与静压力之和[10-12]。通过图8可发现，载斑块颈动脉分叉处、总颈动脉处壁压力过高，而血流通过分叉处后，外颈动脉、内颈动脉的壁压降低，内颈动脉内侧壁存在一小范围高压力区。

3 讨论

在血流动力学研究中，血流速度、壁面切应力与压力是影响斑块的发生及发展的最主要的参数，这一点已经得到多数学者的认同，对于理解斑块的发生及发展乃至破裂，有着重要的意义。笔者通过CTA获取患者颈动脉的真实解剖学影像对模型进行划分网格，采用有限体积法的离散化方法对颈动脉分叉段建立控制方程组，给予离散化的初始条件及边界条件，给定血流的相关参数，通过迭代计算求解出颈动脉分叉段的速度场和管壁切应力等血流动力学指标，初步探讨了在真实模型条件下分析几何特征与血液动力学的之间的密切关系以及动脉粥样硬化的发展过程中的影响[13-16]，为研究动脉粥样硬化提供了重要的参考，使用有限的硬件资源成功的完成了复杂的颈动脉分叉段的有限元分析，实验具有可操作性和科学性。

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