数值模拟仿真方法在颅内血流导向密网支架研究中的应用

郝凤阳，孙璐，苏健

北京市医疗器械检验研究院 （北京 101111）

颅内血管类疾病是严重威胁人类生命健康的主要疾病之一，发病率逐年提高，已成为世界神经外科学界重点关注领域。颅内动脉瘤是指颅内动脉壁局部外突形成的动脉瘤，作为颅内血管类疾病中常见的类型，其发病率仅次于颅内血栓与高血压出血，其破裂会引发蛛网膜下腔出血，具有较高的致残率和致死率[1-4]。颅内血流导向密网支架介入治疗是一种重要的颅内动脉瘤介入治疗方式，其在血管内造影辅助下，通过微导管将编织型密网支架置于动脉瘤病变处，以改善流体力学环境，阻止血流冲击动脉瘤，避免开颅手术对人体造成的巨大损伤。颅内血流导向密网支架的研发过程中，会通过体外试验和临床试验评价产品的安全性和有效性，然而试验中很难测量应力分布、支架植入后的血管壁压力、壁面切应力等重要参数，数值模拟仿真方法可有效解决该问题，且数值模拟仿真方法便捷、高效，有助于提升体外试验的效率，节省时间和经济成本。

1 颅内血流导向密网支架简介

颅内血流导向密网支架是目前市场较为常见的用于介入治疗颅内动脉瘤的血流导向装置，由极细的金属支架丝交叉螺旋编织而成。由于其结构特点，在承受径向载荷时，具有较大的轴向变形。支架丝之间的接触与相互滑动使编织型支架具有良好的柔顺性，便于体内输送时通过迂曲复杂的血管部位，并便于医师操作。血流导向密网支架的密网型结构使其具有更高的金属覆盖率和高密度网孔覆盖率，可紧密贴合病变部位，改变流体状态，有效减少血流对颅内动脉瘤的冲击，并阻滞动脉瘤中的血流，促进动脉瘤内血栓形成，以达到闭塞动脉瘤的效果。

颅内血流导向密网支架主要由镍钛合金、钴铬合金、钴镍铬钼合金等材料构成，具有生物相容性好、高强度和高弹性、成形性良好及抗腐蚀性强等优点。

2 数值模拟仿真方法简介

数值模拟仿真方法是一种通过计算机模拟实际系统和过程的方法，以便探析研究对象的行为和性能。它是一种基于数学模型和计算机算法的计算机辅助工程分析方法。在医疗器械领域，数值模拟仿真方法是设计、研发过程中的一种重要分析手段。常用方法如下。（1）有限元分析（finite element analysis，FEA）方法：这是一种广泛应用于医疗器械设计的数值模拟仿真方法，可用于模拟医疗器械的力学性能、热力学性能、电磁性能，以及与人体组织相互作用的生物力学情况，如人工关节的应力分布、血管支架力学性能等。（2）计算流体力学分析（computational fluid dynamics，CFD）方法：这是一种用于模拟流体运动的数值模拟仿真方法。在医疗器械设计和研发过程中，主要用于模拟液体或气体在器械内流动和传热的过程，如血液在人体血管中的流动、氧气在呼吸器具中的输送等。（3）多体动力学分析（multibody dynamics，MD）方法：这是一种用于模拟多个物体之间相互作用的数值模拟仿真方法。在医疗器械设计和研发过程中，可用于模拟人体组织之间的相互作用，如关节运动、心脏收缩过程等。（4）流固耦合分析（fluid-structure interaction analysis，FSI）方法：可模拟液体与固体之间的相互作用和耦合效应。在医疗器械设计和研发过程中，可用于模拟人体内部体液与器械之间的相互作用，以及器械本身的流动和变形情况，如血管支架植入后在血管和血流综合作用下的应力和变形情况，人工心脏瓣膜植入后的运动和变形情况等。

数值模拟仿真过程主要包括以下步骤。（1）建立数学模型：基于对实际问题的分析和理解建立数学方程或模型，描述问题的行为和性能。（2）离散化：将连续的物理体系或现象离散化为有限的单元或网格，以便在计算机上进行数值计算。（3）选择数值方法：根据数学模型和离散化后的问题，选择适当的数值方法求解数学模型，如有限元分析法、有限差分方法、有限体积法等。（4）数值计算：利用计算机对离散化后的问题进行数值计算，通过迭代、插值等数值方法求解数学模型，得到数值解。（5）验证：验证数值解的准确性和精度，如对比试验数据或其他已知结果。

3 数值模拟仿真方法在颅内血流导向密网支架中的应用

随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值模拟仿真方法贯穿于颅内血流导向密网支架的设计研发、手术模拟和术后评估各个阶段。

3.1 产品设计研发阶段

在颅内血流导向密网支架的设计阶段，数值模拟仿真方法有助于设计工程师评估不同支架材料和设计的力学性能。可通过有限元分析方法模拟颅内血流导向密网支架在血管内的应力分布情况，以及支架在输送、展开和收缩等阶段的力学行为；还可进行一系列颅内血流导向密网支架的分析选型，选取最差情况进行体外试验，以提升体外试验的效率，并降低试验成本。可利用计算流体力学分析方法，研究颅内血流导向密网支架的形状、构型、金属覆盖率等参数对血流分布和凝血效果的影响。这些仿真结果有助于设计工程师改进支架设计，提高支架的力学性能和生物相容性。

3.2 手术模拟阶段

在颅内血流导向密网支架的植入过程中，数值模拟仿真方法有助于医师评估支架的适应性和风险性。通过CT 或MRI 获得医学影像学资料，逆向构建患者的特异性病变血管模型，再通过计算机模拟，预测颅内血流导向密网支架的展开情况、位置和形态，以及支架对血管壁的应力分布情况。这些仿真结果有助于医师选择最佳支架类型并确定最佳植入位置，从而提高手术成功率和安全性。

3.3 术后评估阶段

在颅内血流导向密网支架植入后，数值模拟仿真方法有助于医师评估支架的效果和血流动力学状态。通过计算机模拟颅内血流导向密网支架植入前后的血流变化，预测支架植入后能否有效减小血流对动脉瘤的冲击，并评估颅内动脉瘤内凝血的效果；还可预测血流动力学异常和载瘤动脉部位血栓形成的风险，有助于医师评估治疗效果，并指导医师进行后续治疗操作；还可采用流固耦合模拟分析方法，分析血流和血管壁与支架的相互作用影响，分析支架植入后动脉壁应力的变化情况，帮助医师预测并发症，提高治疗的有效性和安全性。

4 数值模拟仿真方法在颅内血流导向密网支架方面的研究进展

Taylor等[5]率先采用有限元分析方法模拟血流，指出可采用该方法求解传统试验方法难以获得的血流参数，提出模拟计算的基本步骤。Steinman 等[6]基于患者影像学资料进行个体化建模，研究影响动脉瘤发展和破裂的因素。Xiang 等[7]开发了高保真虚拟支架技术，并与计算流体力学方法相结合，应用于第一款颅内血流导向密网支架（Pipeline 支架）植入人体后的血流动力学研究。近年来，越来越多的学者采用数值模拟仿真方法对颅内血流导向密网支架进行研究，主要包括以下方面。

4.1 方法学研究

探索采用不同数值模拟仿真方法和新模拟仿真技术进行颅内血流导向密网支架的研究。Yun 等[8]开发了模拟颅内血流导向密网支架植入患者特异性动脉瘤模型的有限元建模工作流程，综合考虑了支架植入后的动脉瘤变形情况。Zaccaria 等[9]构建了编织支架设计的分析方法，并与有限元分析结果进行比较，以验证其可靠性。张琪等[10]应用多孔介质技术模拟计算黏性阻力系数对颅内动脉瘤的血流分布特征的影响，证明动脉瘤介入术中可通过调整动脉瘤血流导向装置的计算黏性系数调整血流状态。陈端端等[11]基于Simplex mesh 虚拟支架技术构建颅内动脉瘤虚拟支架模拟方法，用于模拟支架植入病变部位的使用过程，并获得了发明专利。Abdehkakha 等[12]将经典多孔介质分析方法修正为非均匀多孔介质分析新方法，优化了血流导向密网支架植入后的计算流体力学分析方法，提高了仿真的精确度和速度。

4.2 器械研发及性能方面的研究

通过数值模拟仿真方法研究结构、设计、工艺等对颅内血流导向密网支架性能的影响。Fu 等[13]通过有限元分析方法研究了编织支架几何参数对编织支架柔韧性的影响，发现编织丝直径、数量和编织角度对编织支架弯曲特性的影响较大，轴向长度和公称直径对编织支架弯曲特性的影响较小。该团队还通过有限元分析方法研究了编织支架的几何参数对径向压缩和弯曲性能的影响，指出与常用颅内支架相比，几何参数接近Pipeline 血流导向装置支架的编织支架径向刚度更小，但纵向灵活性更大[14]。Mckenna 和Vaughan 等[15]通过有限元分析方法研究编织角度和覆膜厚度对编织支架径向力和弯曲变形的影响，验证了编织角度是决定金属编织裸支架和覆膜金属编织支架径向和弯曲性能的关键控制参数，在金属编织支架上添加聚合物覆膜，会导致支架所有编织角度的径向刚度更大。Sun 等[16]设计了一种新的局部狭窄的血流导向密网支架，并通过计算流体力学分析方法验证了其有效性。

4.3 治疗方案的研究

通过数值模拟仿真方法验证不同治疗方案的治疗效果和可能出现的问题。术前进行充分评估，以规避可能出现的问题和不良反应，提高手术的安全性和有效性。付文宇等[17]通过对颅内分叉动脉瘤模型及植入颅内血流导向密网支架的分叉动脉瘤模型进行计算流体力学分析，指出密网支架可降低颅内分叉动脉瘤腔内的血流速度，但需特别关注密网支架和载瘤动脉局部贴合不良问题，其可能导致载瘤动脉狭窄。任伟等[18]术前通过计算流体力学分析方法进行模拟分析，采用最佳手术方案，提升血流动力学在颅内血流导向密网支架治疗椎基底动脉夹层动脉瘤中的有效性和安全性。

4.4 支架植入作用机理及作用效果的研究

通过数值模拟仿真方法研究颅内血流导向密网支架的作用机理，并分析其适应证和作用效果。Damiano 等[19]基于计算流体力学的方法进行了弹簧圈和颅内血流导向密网支架研究，表明颅内血流导向密网支架的主要作用是改变血流走向，而弹簧圈的主要作用是在动脉瘤中产生血液滞留，同时颅内血流导向密网支架重叠会降低动脉瘤中血流的流入速率、平均速度和平均壁面切应力。高卉等[20]通过多孔介质模型模拟颅内血流导向密网支架栓塞颅内分叉动脉瘤的过程，分析比较不同分支血管直径条件下颅内血流导向密网支架植入前后动脉瘤瘤体与分支血管血液的流畅情况，指出分支血管直径越大，颅内血流导向密网支架对动脉瘤的栓塞治疗效果与对血管粥样硬化的改善作用越差，越易导致分支闭塞或其他缺血性并发症。

4.5 手术前后动脉瘤血流动力学变化的研究

通过数值模拟仿真方法对比分析术前和植入颅内血流导向密网支架术后的血流动力学环境，对支架植入后的有效性进行综合评估，并分析其术后血流动力学参数，评估术后复发及并发症的发生风险。Tang 等[21]研究了分叉处动脉瘤在植入颅内血流导向密网支架后的血流动力学变化，发现侧支血管较大的动脉瘤治疗后可能存在更大风险。姚韵楚等[22]采用可变形网格的虚拟支架快速模拟仿真算法，模拟支架展开并得到展开后的支架位置与形态结构，再结合血流动力学仿真计算，比较术前、术后可量化的血流动力学参数变化。

5 结论

数值模拟仿真方法作为一种先进的现代技术方法，在颅内血流导向密网支架的研究和发展中发挥着越来越重要的作用。采用数值模拟仿真方法可极大提高产品研发效率，也可从产品性能、生物力学作用影响、手术开展方式等方面得出科学、全面的结论。在颅内血流导向密网支架新产品的开发、验证过程中，可作为除体外试验和临床试验外的又一有力工具，补充试验无法研究的部分，综合试验和仿真的结果对产品做出更全面的评价，还能为颅内血流导向密网支架的临床应用提供更多技术支持。