基于MIMICS建模和SimVascular仿真计算的不同狭窄率颈动脉非牛顿血流动力学分析

高铭泽 陈广新 陈晓琴 胡明成 成志国 林 强▲

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，黑龙江牡丹江 157011

颈动脉为颅内组织供血，颈动脉斑块是引起脑卒中的重要原因之一[1]。颈动脉狭窄的形成原因比较复杂，血管内膜损伤、血管壁蛋白纤维作用减弱导致的血管壁硬化、变厚等均促成颈动脉粥样硬化[2]。已有研究证实，血流动力学因素是颈动脉粥样硬化和血栓形成的重要因素[3]。目前，现有的医学检查手段仍无法对体内的血流动力学分布特征进行有效测量。近些年计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）快速发展，将CFD技术应用于血流动力学仿真分析可实现颈动脉内的血流动力学分布特征参数，对颈动脉狭窄的发生发展、病理机制研究有重要的意义[4]。本研究基于MIMICS软件对个体化CTA真实患者数据构建轻中度三种狭窄程度的几何模型、利用CFD仿真软件SimVascular进行血流动力学仿真计算，分析不同狭窄程度对颈动脉的血流动力学指标的特征分布规律，并探讨狭窄率大小与颈动脉斑块的形成关系。

1 模型构建

1.1 数据采集与几何模型构建

采集牡丹江医学院附属红旗医院影像科1例颈动脉狭窄患者的CTA影像数据作为研究对象，经牡丹江医学院附属红旗医院医学伦理委员会批准。影像采集设备为GE 64排螺旋CT，电压120 kV，电流300 mA，层距0.5 mm，层厚0.3 mm，螺距1.75 mm，矩阵512×512，共获得120张图像。使用MIMICS软件（Materialise公司，比利时）对CTA文件进行阈值分割、蒙版编辑、区域生长、三维重建等操作生成几何模型（STL格式），利用3-matic（MIMICS软件附带）对颈动脉初步模型进行优化、光滑生成颈动脉狭窄模型，并在此基础上构建正常颈动脉、轻度狭窄、重度狭窄几何模型，见图1。

1.2 CFD仿真计算模型构建

采用SimVascular（开源血流动力学仿真软件）划分网格，网格边界层设为5层，增长率为1.2，入口采用速度入口，入口速度曲线见图2。出口采用压力出口，血液生理压力为13 339 Pa[5]。计算模型采用非牛顿血液黏度模型Carreau-Yasuda，血液密度为1060 kg/m3[6]。在Carreau-Yasuda模型中，剪切率与动力黏度关系见图3。血液为各向同性、不可压缩、层流，其控制方程为Navier-Stokes方程。计算时间步间隔0.01 s，周期为0.8 s，总计算时间为2.4 s即3个周期。迭代精度设为10-4。

图2 入口速度曲线

图3 非牛顿血液黏度模型

2 结果

2.1 血流速度分布特征分析

由颈动脉内血流速度（峰值时刻）流线图（图4）可知，颈动脉狭窄处附近形成了血流速度的最大值区，血液在流经狭窄区域之前，颈动脉血流在颈总动脉分布均匀，血液到达分叉部位狭窄区域血流发生了较大的流动分离，血液的稳定层被破坏，呈现复杂的流态分布。随着狭窄率增高，血管壁对血液的流动速度产生了影响，在狭窄率较高的区域，血流速度更快，在狭窄部位出现局部的涡流、回流、二次流现象，颈动脉狭窄部位的血流速度、方向的震荡对动脉粥样硬化斑块的稳定性、形成、发展以及血管壁的重塑、修复具有重要的影响。

图4 血液流线图

2.2 壁面切应力分布特征分析

壁面切应力分布图（图5）结果表明，在颈动脉狭窄处呈现壁面切应力较高的情况，尤其是狭窄率越高，壁面切应力的值越高、高壁面切应力的区域面积越大。随着颈动脉狭窄率增高，狭窄区域过高的壁面切应力易导致血管断裂，也易导致斑块的脱落，这也构成了缺血性脑卒中发生的可能。高壁面切应力使红细胞聚集，增加斑块破裂、脱落堵塞血管的风险。

图5 壁面切应力分布特征

2.3 壁面压力分析

颈动脉心动周期压力分布曲线（图6）结果表明，在心动周期内动脉狭窄部位存在负压现象。对比正常、轻度狭窄、重度狭窄的颈动脉狭窄部位的壁面压力，随着狭窄率越大，狭窄部位壁面压力的波动范围较大，压力值逐渐减小。三种颈动脉壁面压力值差异较大，颈动脉狭窄对远端血管的血液流动产生影响，狭窄部位的低压力导致远端的血流动力不足，以至于出现血液回流的现象，甚至导致脑部供血不足，进而导致脑卒中发生。

图6 颈动脉狭窄部位压力曲线图

3 讨论

颈动脉是为大脑供血的重要通道，颈动脉斑块导致颈动脉狭窄，严重威胁着大脑的血流运输，脑供血不足、脑卒中的发生也与颈动脉狭窄有着密切联系[7]。动脉粥样硬化的形成发展最重要的因素是血流动力学因素。因此，不同狭窄率颈动脉的血流动力学参数如壁切应力、壁面压力、剪切应力等特征分布情况，可为颈动脉狭窄的形成机制提供理论指导，也可为颈动脉狭窄的疾病诊疗提供理论指导[7-11]。本研究利用个体化真实病例的影像CTA数据，使用MIMICS软件进行三维重建获得个体化颈动脉的初步三维模型，在此基础上利用3-matic软件构建不同狭窄率的颈动脉几何模型。这种构建模型的技术可以方便、快捷、有针对性地创建目标模型。

颈动脉狭窄是由于动脉粥样硬化引起的血管局部结构异常、脑卒中的发生。颈动脉分叉部位复杂的血流动力学特征分布如壁切应力、壁压力、血流速度等。颈动脉血液在颈动脉狭窄区域流动时的异常现象如血流回流、低速流动、涡流等刺激血细胞的滞留、沉积，并刺激平滑肌细胞和内皮细胞，导致增值平滑肌细胞，上述因素也是导致动脉粥样硬化的基础[12]。颈动脉血液的流动跟血管壁的压力密切相关，颈动脉的血流速度和供血量不足会促进该红细胞的沉积和滞留，而压力梯度较小会导致颈动脉血流速度变慢、供血量不足[13]。一些研究表明[7-15]，动脉硬化与血栓的形成与壁切应力密切相关，低壁切应力对近血管壁的边界层区域血液正常的层流状态产生破坏作用，低壁切应力导致血流出现涡流、回流，血细胞在近壁面流动时，不断与血管内壁层内皮细胞和平滑肌细胞摩擦，促进血小板活性的增加，使血小板在损伤部位黏附聚集，从而导致血管内膜增生，血管发生重构，进而产生动脉粥样硬化并引起血管狭窄。临床上对颈动脉狭窄的治疗可采用支架介入等方式，支架的大小、形状、体积等设计对狭窄颈动脉的血液流场及应力变化起到调节作用。

本研究对个体化不同狭窄率的颈动脉非牛顿、层流的血流动力学仿真计算研究，比较血流速度、压力、壁面切应力的分布特征，研究结果表明：①不同狭窄率的颈动脉在狭窄部位血流分布存在较大差异，即血流速度与颈动脉狭窄率呈正相关，狭窄中心血流速度较大，靠近壁面区域的血流速度较小，狭窄部位出现涡流并且动脉越狭窄，涡流越明显加强；②壁面切应力随着动脉狭窄率增大，在狭窄部位出现峰值，并且颈动脉无狭窄区域也受到影响。壁面切应力过大对血管硬化和断裂有积极作用，颈动脉斑块脱落的危险因素增加，缺血性卒中风险增大；③在一个心动周期内，颈动脉狭窄的压力出现负压现象，即产生负压效应。负压效应导致在颈动脉狭窄部位血细胞沉积，进而形成颈动脉粥样硬化斑块，进一步造成动脉狭窄。

综上所述，本研究采用考虑血液的非牛顿效应的单相流数值模拟分析，这种建模方法虽然能够比较准确地考察颈动脉的血流动力学指标，但是忽略了颈动脉弹性血管的影响。因此，本研究存在一定的不足，在进一步的研究中，笔者将考虑采用非牛顿流体的流固耦合分析，以提高模拟的准确性。