椎基底动脉抽吸取栓的数值仿真

罗梓艺,邱雪,程云章

(上海理工大学 健康科学与工程学院,上海 200093)

0 引言

据研究显示,我国卒中患病率高居世界首位,且大部分是缺血性卒中。大血管闭塞作为卒中的重要诱因之一,其预后性差、发病后病情严重,极大地加重了患者的经济负担[1-2]。其中,后循环大血管闭塞导致的卒中死亡率居高不下[3-5]。Luo等[6]通过血管造影发现,在后循环脑梗死中,因血流环境复杂等导致椎-基底动脉的发病率较高。研究表明,针对缺血性卒中,机械取栓作为一种新型的血管内介入治疗方法,相比传统的静脉溶栓可明显改善预后效果。目前,针对机械取栓的研究主要集中在前循环血管取栓,而后循环的相关研究较少[7]。Zhang等[8]通过回顾分析多个数据库的信息,比较支架取栓与抽吸取栓在急性缺血性脑卒中的治疗效果,认为在后循环中抽吸取栓可达到更高的血管再通率,与单独使用支架取栓相比,直接抽吸取栓的治疗效果可能更好。以往研究多侧重于抽吸取栓的临床治疗效果,对于血流动力学的研究较匮乏。本研究采用流固耦合对血管内抽吸取栓进行数值仿真,从血流动力学角度分析抽吸取栓对血管的影响。

1 材料与方法

1.1 图像数据

本研究采用由上海东方医院提供的二维CT影像数据,平面分辨率为512×512,层间距为0.535 mm,共444张切片。图1中高亮部分为本研究目标血管。

1.2 血管重建

将二维CT影像数据以DICOM格式导入MIMICS20.0医学影像处理软件,进行图像处理。调节对比度以更好地观察目标血管所在位置,采用阈值分割提取目标血管,使用区域增长等方法编辑蒙版,计算3D得到初步的三维模型。

逆向工程软件可在保留原有特征的情况下,进行复杂模型或自由曲面的重建工作。将初步得到的三维模型导入Geomagic Studio 2013逆向工程软件中,采用光滑、重划网格等方法进一步处理模型。经测量,椎基底动脉直径在3 mm左右,管壁厚度约为血管直径的8%～10%[9],使用加厚构建血管壁模型,设血管壁厚统一为0.3 mm。

将血管壁模型导入SpaceClaim中,使用体积抽取方法构建血液模型,构建完成的血液与血管壁模型见图2。由于模型结构不规则,不适用结构化网格,故对流体域和固体域分别进行非结构化四面体网格划分,其中流体部分节点数为525 140,单元数为2 728 337;固体部分节点数为198 511,单元数为99 289。

图2 重建后的血液与血管壁模型

1.3 计算设置

两个入口均采用速度入口,入口速度设置为0.3 m/s,选择稳态计算,并设置重力加速度为9.8 m2/s。通过对雷诺数计算可区别流动特性,当雷诺数小于2 000时,流体为层流流动;雷诺数在2 000～4 000之间时,流体为层流向湍流的过渡状态;雷诺数大于4 000时,流体为湍流流动,雷诺数大小计算如下:

(1)

其中,速度v为0.3 m/s,血管直径d取0.003 m,血流密度ρ为1 050 kg/m3,血流粘性系数μ为0.003 5[10]。计算得出雷诺数为270,所以,本研究选择层流模型进行流体计算。以往研究为简化计算,通常将血液作为牛顿流体计算,由于牛顿流体具有恒定的动力粘度,在计算中与真实血液流动的差距较大,故本研究将血液作为非牛顿流体进行计算,粘度采用常用于表征人体血液粘稠度的Carreau-Yasuda模型进行计算,出口设置为压力出口,表压设置为13 332 Pa。设置壁面为无滑移壁面[11]。

血管壁材料采用线弹性各项同性弹性材料,密度设置为1 150 kg/m3,弹性模量设置为5×105Pa,泊松比设置为0.499。将血管的出入口均设置为固定支撑,设置血管壁内壁面为流固耦合面[12-13]。

2 数值模拟结果

2.1 血液流场分析

血液流场速度流线图见图3(a),可知在椎-基底动脉血管分叉处,血液流速明显加快,且存在涡旋流动现象[14]。在椎动脉V3段存在低速回流现象,此低速涡旋流动会导致机体中的血液细胞和脂质等成分沉淀,堆积在血管中,极易形成动脉粥样硬化,进而引发脑部后循环供血不足,导致缺血性脑卒中[15]。

图3 流体计算结果

在诱发和促进动脉粥样硬化的血流动力学因素中,影响最为突出的是血管壁面剪切应力(wall shear stress,WSS),WSS云图见图3(b)。大量研究表明,较低的WSS会导致血管内产生斑块、内膜增厚等情况,目前一般认为低WSS为其在0～0.4之间。由图3可知,由于血管弯曲度极大,在椎动脉V3段存在大量低WSS区域,低WSS区域与血流低速部分重合,容易产生细胞堆积,加快血管内粥样硬化的形成。此外,还可明显看出椎动脉V4段血管存在一定狭窄,因此,此处血流速度加快,血流的高速冲击对血管壁面造成一定压力,从而导致椎动脉V4段和基底动脉汇合处存在部分高WSS区域,高WSS可引发血管壁内皮损伤或动脉粥样硬化部分破裂及脱落,进一步增大后循环缺血性脑卒中的发病风险[16-17]。

2.2 流固耦合分析

在ANSYS Workbench中,将流体流动与静态结构模块相耦合连接以进行流固耦合计算。等效应力又被称作Von-Mises应力,通过对等效应力计算,可观察血液流动对血管壁的冲击受力是否过载,是否会损坏血管壁[18]。使用流固耦合方式进行数值模拟,计算当前模型中血液流动对血管壁的影响,计算得到的血管壁等效应力图和形变量分布,见图4。由图4可知,由于椎动脉右支V4段较为狭窄曲折,所以,椎动脉右支的V3段形变量和等效应力基本都达到了最大值。在椎动脉V3段弯曲处和椎动脉V4段与基底动脉汇合处存在较大等效应力区域,说明这些区域均可能存在血管壁损伤,易引起血管壁内皮细胞受伤脱落或血管中已形成的粥样硬化斑块脱落,进而诱发后循环缺血性脑卒中[19-20]。

图4 固体域计算结果

3 抽吸取栓仿真

由于抽吸取栓过程的许多参数很难在临床上进行测量和获取,所以,对抽吸取栓过程进行模拟十分必要。目前在模拟仿真抽吸取栓的实验中,采用的抽吸压力从10到100 kPa不等[21-25],本研究将抽吸压力设定为20～50 kPa进行抽吸取栓的仿真研究。

由前面的流体计算结果可知,由于椎动脉右支V4段狭窄,在椎动脉V3段弯曲处易产生血管内粥样硬化,因此,本研究在椎动脉右支的入口处直接给定负压进行抽吸取栓的模拟仿真。由于不能判断给定负压后,血管入口处的流速情况,所以将入口设置为压力入口,将初始压设为血管表压13 332 Pa,总压分别设置为20、30、40和50 kPa进行流固耦合计算,计算结果见图5。

图5 抽吸取栓仿真计算结果

由图5可知,随着抽吸压力的增加,高WSS区域从原本的椎动脉右支V4段逐渐扩散到整个椎动脉右支,等效应力和流速同时增加,其分布的高低数值区域大致相同,说明当抽吸取栓时,较大等效应力区域存在对血管壁的损伤。而血管壁的高形变区域则集中在椎动脉右支V3段,并随抽吸压力增大而增大,且该区域有上移趋势。

4 结论

已有研究证明,在急性后循环大血管闭塞引起的急性后循环脑卒中治疗中,抽吸取栓已获得了良好的血管再通率和预后效果,研究抽吸取栓过程的血流动力学变化,有助于进一步发展抽吸取栓技术在急性后循环脑卒中的治疗[26-27]。本研究通过设定不同的入口压力,仿真不同抽吸压力情况下抽吸取栓对血管的影响,由计算结果可知,随着抽吸压力的增大,等效应力、WSS和形变量也在增加,说明抽吸取栓对血管仍存在一定的损伤。取栓过程不能只关注血栓的抽吸效果,而忽略其对血管的影响。

对血管血栓进行抽吸取栓的模拟仿真,以探究抽吸取栓过程中血流动力学的变化以及血管壁的应力变化,对改进抽吸取栓参数具有辅助作用。本研究采用真实血管作为研究对象,提高了数值仿真的可靠性,为抽吸取栓提供了血流动力学的理论依据。