计算流体力学在颅内动脉瘤的血流动力学研究中的应用

收稿日期:2008-10-20;修回日期:2008-12-25作者简介:陈风华(1971-)副主任医师,主要从事脑血管病和脑肿瘤的基础与临床研究。

计算流体力学在颅内动脉瘤的血流动力学研究中的应用陈风华 综述 王君宇 方加胜 审校中南大学湘雅医院神经外科,湖南省长沙市 410008摘 要:颅内动脉瘤的破裂具有较高的致死与致残率,目前认为血流动力学变化在它的发生、发展与破裂中起重要的作用。

随着计算机、影像学技术的进步,一种研究血流动力学的方法 计算流体力学被引入医学领域,且应用越来越广泛。

本文就计算流体力学在颅内动脉瘤血流动力学分析中的方法、进展,以及对动脉瘤发生、发展与破裂的分析结果进行综述。

关键词:计算流体力学;动脉瘤颅内动脉瘤破裂是蛛网膜下腔出血的主要原因,发病后可以出现较高的死亡与致残率。

目前对颅内动脉瘤的产生原因、破裂机制并不十分清楚,尽管开展了大量的遗传、环境因素等方面研究,但是对它的成因和发病机制仍所知甚少[1]。

随着对颅内动脉瘤研究的深入,人们已经逐渐认识到血流动力学在动脉瘤的发生、发展和破裂过程中起着重要作用[1]。

由于在人体上直接观察和测量血流动力学变化比较困难,因此,计算流体力学(Co mputati onal F l ue nt D yna m ic ,CFD )的数学模拟方法逐步被应用于颅内动脉瘤的血流动力学分析,并且取得了一定的进展。

下面就近年来计算流体力学在颅内动脉瘤血流动力学分析方面的研究进展综述如下。

CFD 是力学的一个分支,被广泛应用于水利、建筑、航空与航天、汽车制造和工业制造等领域。

由于在分析流体内部及流体与周围介质之间相互作用时涉及的因素相当多,因而计算方程比较复杂,为了简化实际应用过程中的复杂数学运算,F l uent 、F e m lab 等软件被开发并应用于CFD 分析,这些软件也常常被用于颅内动脉瘤的数学模拟及血流动力学分析。

1 CFD 在颅内动脉瘤血流动力学分析中的方法进展在应用Fluent 等软件进行流体力学分析时一般要经过数学网格模型的构建(前处理)以及对网格模型进行力学分析两个过程。

1.1 网格模型的构建在进行流体力学分析前,首先要构建颅内动脉瘤的网格模型。

最先应用于流体力学分析的是颅内动脉瘤的理想化二维模型。

Burleson[2]等使用了三种较为全面的理想化动脉瘤模型: 半球状动脉瘤模型,用于代表动脉瘤发展的较早阶段;!球形;∀梨形动脉瘤模型代表动脉瘤发展的较晚阶段,尽管他们的假设比较全面,但是这种动脉瘤模型与临床实际发现的动脉瘤形状有较大的差别。

随着技术的进步,病人个体化的动脉瘤二维图像被应用于分析,但由于投射角度的差异,血流动力学结论与临床实际结果差别较大[15]。

因此,基于病人本身的解剖结构所构建的三维动脉瘤模型才有可能对每个病人的血液动力学进行准确的数学分析。

目前已有研究[3]自病人的3DDSA 、CTA 或者M R I 中取得个体化的动脉瘤几何轮廓,从而使动脉瘤血流动力学的分析结果更加贴近临床实际。

1.2 分析条件的设定建立网格模型后,在进行流体力学分析前,需要设定许多参数,如血液是是牛顿流体或非牛顿流体、血液的粘滞度、流固界面的性质、温度及重力等。

1. 2.1 牛顿或非牛顿流体 通常情况下由于血液有一定的粘滞度,因此血液为非牛顿流体。

但在数学模拟过程中,一般使用牛顿流体作为血液的特性,因为计算出的切应力比假定其为非牛顿流体仅仅高出一点,但是运算过程则简化不少,因此多数作者[4 6]将流体力学分析中的血液设定为不可压缩的牛顿流体。

国际神经病学神经外科学杂志 2008年 第35卷 第6期1. 2.2 血液的粘滞度 血细胞的含量、血液的温度等都决定着血液的粘滞度,但由于多数研究[4 7]将血液假定为牛顿流体,因此一般设定其粘滞度为一常数。

1. 2.3 动脉和动脉瘤壁的弹性 由于动脉和动脉瘤壁的博动对血管内的血流可产生明显的影响,因此如果将动脉和动脉瘤壁设为弹性结构更加符合临床实际,但在实际运算过程中,动脉和动脉瘤壁的弹性参数无法准确知道,而且数据处理相当困难,所以大部分研究[8 10]均将血管壁的界面设定为刚性边界。

但Tay l or[17]等在用N avier Stokes方程模拟动脉内血流的研究中,他们发现假定的刚性动脉壁可能会使切应力升高,从而忽略一些可能存在的血液滞流,而无法准确预测流入和流出血流的延迟,因此有很多作者[18,19]主张设定动脉及动脉瘤壁为弹性壁,而非刚性壁。

1. 2.4 血液的流速与流量 由于病人的差异性,通常颅内各血管的血流速度不同,一般采用平均的动脉流速进行流体力学分析[7,11],颈内动脉的血流速度取40c m/s,而大脑中动脉的血流速度取60c m/s。

由于血管中血流量的测量方法具有创伤性,因此流体力学分析中使用的流量是通过脉博和流速进行计算的。

1. 2.5 分析过程不考虑血液能量及重力变化[4 7、11]2 CFD对动脉瘤血流动力学分析结果的进展2.1 对于动脉瘤的成因的模拟Ja m ous[1]等通过诱发SD大鼠的颅内动脉瘤,发现动脉瘤的形成过程分为三个阶段血流动力学的变化导致血管内皮受损;!受损的血管内皮发生炎症反应;∀炎症反应导致血管壁受损,从而产生动脉瘤并囊状扩张,因此认为血流动力学的变化是动脉瘤的发生、发展中的主要因素。

2.2 对于载瘤动脉的模拟对于动脉瘤与载瘤动脉的研究主要集中在载瘤动脉的形状、动脉瘤在载瘤动脉开口的位置、动脉瘤与载瘤动脉的夹角等的数值模拟。

Sato[12]等通过模拟载瘤动脉认为不同的载瘤动脉的形状将带来不同的动脉瘤内血流动力学变化,即使相同的动脉瘤形状,处在弯曲外侧的动脉瘤要承但更高的切应力。

而O hshm i a[13]等通过模拟在载瘤动脉顶端不同位置的动脉瘤开口,认为甚至微弱的动脉瘤开口位置变化都有可能对动脉瘤的破裂产生重要影响,尤其是开口与载瘤动脉部分重叠的病例更易于出现破裂的风险。

Sato[14]等模拟了基底动脉顶端动脉瘤,认为动脉瘤与基底动脉的夹角在8~ 12∃之间的动脉瘤容易产生较大的瘤内压力,而不在这一角度范围位的动脉瘤显得更坚固些。

2.3 对于动脉瘤的发生、发展和破裂的模拟研究通过对颅内动脉瘤的血流动力学的数学模拟[2,5 7,9],发现分布于动脉或动脉瘤壁上的压力有两种:一种是动压,为垂直于动脉或动脉瘤壁的压力;另一种为切应力,平行于血流方向,而有动脉瘤处的动脉血管壁切应力降低,并认为动脉壁的低切应力易于产生湍流,从而损伤动脉壁而导致动脉瘤的发生。

通过对动脉瘤瘤内的血流动力学分析,发现瘤颈处的血流速度、动压及切应力最大,而瘤顶处的血流速度、动压及切应力最小。

因此多数学者认为低切应力是促使动脉瘤扩大和破裂的主要因素[5、6、7、9],而宽颈的动脉瘤较窄颈的动脉瘤有较大的瘤壁切应力[5],宽颈动脉瘤在流出动脉较大时容易破裂,而窄颈动脉瘤在流出动脉较小时容易破裂。

在对破裂和未破裂动脉瘤的对比研究中[16]发现破裂的动脉瘤比未破裂动脉瘤在瘤内小区域更容易产生冲击瘤壁的湍流。

[16]临床上对动脉瘤破裂的流行病学调查表明[2]:大小不断增长的动脉瘤、直径大于5mm、较高的瘤体与瘤颈比例(>1.6)、子瘤的存在、后循环的动脉瘤以及病人有抽烟的习惯、高血压病等均为动脉瘤破裂的高危因素,然而这些结论缺乏理论上的解释,人们正试图应用CFD来分析这些结论的正确与否。

3 目前数学模拟的局限性和展望由于目前受技术水平的限制,为了使动脉瘤的数学模型更易于运算,在设定如流体性质、界面条件时,多数作者均进行了简化处理,比如将动脉及动脉瘤壁设定为刚性、流体设定为不可压缩的牛顿流体等,但是有的作者却持反对意见[3],并认为正是由于对动脉瘤壁的刚性设定,从而导致研究中出现一些错误的结论。

但我们相信随着神经外科、影像学、流体力学以及计算机技术的不断进步,我们会越来越精确地从流体力学的角度分析颅内动脉瘤,揭示它的成因和转归。

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