脑动脉瘤血流动力学数值模拟研究及其临床意义

血流动力学和病理学因素对颅内动脉瘤病理生理的作用颅内动脉瘤是一种常见的血管疾病，其发病原因涉及多种因素，包括细胞生长、凋亡、发育异常等病理学因素，以及血管壁受力、血流运动等血流动力学因素。

这些因素对颅内动脉瘤的病理生理发生有着重要的影响。

首先，血流动力学因素对颅内动脉瘤的形成起着至关重要的作用。

正常的血管壁受到持续的血流作用，而动脉瘤区域的血流动力学则可能发生改变。

在动脉瘤区域，血流速度增大、湍流增多，从而导致血管壁受力加大。

这种血流动力学的改变可以引起血管壁的损伤和破坏，促进动脉瘤的形成和发展。

其次，病理学因素也对颅内动脉瘤的病理生理起着重要作用。

颅内动脉瘤的形成通常与血管壁的病理改变有关。

研究表明，细胞增殖和凋亡异常是动脉瘤发生的重要病理学因素之一、许多基因突变，如TGF-β、SMAD、ErbB2等，已被发现与颅内动脉瘤的发生和发展相关。

此外，颅内动脉瘤的病理生理还与血管壁的组织学结构有关。

动脉瘤壁由内中膜、外中膜和外膜组成，而在正常的血管壁中，这些组织层次分明，结构紧密。

然而，在动脉瘤区域，这些组织层次发生混乱和破坏，使得血管壁易于破裂和出血。

病理学因素还可能引起动脉壁的纤维化、钙化和血管壁变薄等改变，进一步增加了动脉瘤的风险。

总体而言，血流动力学和病理学因素对颅内动脉瘤的病理生理起着重要的作用。

血流动力学因素如血流速度增大和湍流增多促进了血管壁的损伤和破坏，从而促进了动脉瘤的形成。

而病理学因素如细胞增殖和凋亡异常、血管壁组织结构的改变等也是动脉瘤发生和发展的重要影响因素。

因此，在颅内动脉瘤的预防和治疗中，需要综合考虑并针对这些因素进行干预，以达到控制疾病的目的。

血管内支架已被广泛成功地应用于颅内复杂动脉瘤的栓塞治疗，极大拓展了脑动脉瘤介入治疗的适应证［1］。

进一步研究提示，除了作为辅助手段，支架可以改变动脉瘤内和载瘤动脉内的血流动力学，而有效的避免动脉瘤复发［2］，置入支架网孔密度也是影响血流动力学的重要因素。

是否在降低支架孔率的同时提高支架柔顺性是目前支架研发的重点内容。

本研究通过数值模拟方法建立宽颈曲管侧壁型动脉瘤的血流动力学三维模型，比较不同孔率大小的支架植入后动脉瘤内血流动力学变化，分析血流动力学参数随支架孔率的变化趋势及两者间的量化关系，探索应用于脑动脉瘤治疗支架的合适孔率。

1材料与方法1．1材料本研究中所应用的基于计算流体力学（compu-tational fluid dynamics ，CFD ）软件，包括美国Adobe 公司的photoshop 7．0软件、MathWorks 公司的Matlab 软件、SolidWorks 公司的SolidWorks 软件、Fluent 公司的Gambit 软件和Fluent 软件。

网格的验证及运算在联想深腾1800机群上进行，以Linux 为操作系统，包括4个节点（主机），每个节点有8个CPU 内核和2G 内存。

其他步骤在Pentium 4PC 进【摘要】目的探讨不同支架网孔密度对支架植入后脑动脉瘤内血流动力学的影响。

方法建立宽颈的弯曲管侧壁型动脉瘤血流动力学三维数值模型，比较不同网孔密度支架植入前后，动脉瘤内血流动力学变化。

结果动脉瘤远侧壁的速度峰值与壁面剪应力随着支架孔率下降而降低，瘤颈远侧壁及瘤顶部的压力场与支架孔率无明确的相关性。

结论数值模拟研究证实支架孔率是影响动脉瘤内血流动力学的关键因素，合适的支架孔率设计对动脉瘤血管重建治疗至关重要。

【关键词】脑动脉瘤；血流动力学；计算流体力学；支架；孔率中图分类号：R743文献标志码：A文章编号：1008-794X （2009）-03-0213-04Influence of stent porosity on cerebral intra-aneurysmal hemodynamics ：a three-dimensionalnumerical simulative study ZHANG Xing ，HUANG Qing-hai ，SHI Yang ，YU Zhao-sheng ，SHAO Xue-ming ，LIU Jian-min．Department of Neurosurgery ，Changhai Hospital ，Second Military Medical University ，Shanghai 200433，China【Abstract 】ObjectiveTo investigate the influence of stent properties on the alteration of cerebralintra-aneurysmal hemodynamics．MethodsA wide-necked sidewall aneurysm model in a curved-vessel wascreated by using computational fluid dynamics simulations．The hemodynamic changes after deployment of the stent with different porosity were studied．Results The peak velocity and the wall shear stress correlated well with the porosity of the stents．The pressure in aneurysmal sac showed no changes with different stentporosities．Conclusion This numerical simulation study indicates that the stent porosity is an important factor which has significant effect on the hemodynamics inside the aneurysm．Appropriate stent porosity is veryimportant for the treatment of wide-neck intracranial aneurysms．（J Intervent Radiol ，2009，18：213-216）【Key words 】cerebral aneurysm ；hemodynamics ；computational fluid dynamics ；stent ；porosity支架孔率对脑动脉瘤血流动力学影响的三维数值模拟研究张星，黄清海，施洋，余钊胜，邵雪明，刘建民·实验研究Experimental research ·基金项目：上海市优秀学科带头人项目（07DX14026）；上海市自然科学基金项目（08ZR1406200）作者单位：200433上海第二军医大学长海医院神经外科（张星、黄清海、刘建民）；浙江大学流体力学研究所（施洋、余钊胜、邵雪明）通信作者：黄清海2．2壁面切应力与速度场相似，4种孔率的支架置入后，瘤颈远侧壁壁面剪应力（WSS）值随支架孔率的下降而下降，而其时间分布规律基本一致（图2），相比较而言，收缩峰期WSS值下降程度不如其他时间段明显。

基金项目：国家自然科学基金（81171092）；上海市科委重点项目（11DZ1921603）作者单位：200433上海，第二军医大学附属长海医院神经外科通讯作者：黄清海，Email：ocinhqh@163．com ·综述·血流导向装置对动脉瘤血流动力学影响的数值模拟研究进展吕楠黄清海关键词：颅内动脉瘤；血流动力学；血流导向装置；计算流体力学doi：10.3969/j.issn.1672-5921.2013.10.009近年来，血管内栓塞已成为颅内动脉瘤治疗的重要方法之一。

但对于巨大动脉瘤、宽颈动脉瘤及复杂动脉瘤，单纯通过弹簧圈栓塞存在着术后易复发、治疗费用昂贵等问题。

随着血管内治疗技术的不断进步及血流动力学研究的逐步深入，具有高金属覆盖率、低孔率特征的血流导向装置（flow diver-ter，FD）应运而生。

目前临床应用的血流导向装置主要有Pipeline Embolization Devise（PED，美国）、Silk flow diverting stent（SFD，美国）和Tubridge血流导向装置（中国）。

其共同的作用机制是将载瘤动脉向动脉瘤内的冲击血流通过FD导向远端血管，以减少局部血流对动脉瘤的冲击，为血栓形成创造条件，最终达到血管重建的目的［1］。

但FD是否能够改善局部血流动力学，只有通过对血流动力学的量化研究才能得到验证。

而计算流体力学（compu-tational fluid dynamics，CFD）技术在医学领域的应用，使对血流动力学的量化分析成为可能。

特别是随着支架仿真技术的发展及病例特异性模型的应用，使血流动力学模拟结果更趋于真实，对临床治疗的参考价值也越来越大。

我们对FD影响颅内动脉瘤血流动力学的CFD研究进展进行综述，并对其临床应用进行展望。

1FD血流动力学研究的基本技术血流动力学被认为在颅内动脉瘤的发生、发展及破裂中发挥着重要作用［2-3］。

・334・中国脑血管病杂志2021年5月18日第18卷第5期Chin JCerebrovascDis,May18,2021,Vol.18,No.5•综影,颅内动脉瘤破裂风险形态学与血流动力学预测因素的研究进展孔繁毅史怀璋摘要：颅内动脉瘤破裂是蛛网膜下腔出血最常见的原因。

蛛网膜下腔出血常伴有血管痉挛,具有较高的病死率和致残率。

研究表明,动脉瘤破裂风险与动脉瘤的形态学术血流动力学存在显著相关性。

筛选特定的形态学与血流动力学参数可以作为评估动脉瘤破裂风险的指标，进而指导临床未破裂动脉瘤的治疗。

该文就颅内动脉瘤破裂风险的形态学与血流动力学预测因素的研究进展进行了综述。

关键词：颅内动脉瘤;破裂风险;形态学;血流动力学;综述doi：10.3969/j.issn.1672-5921.2021.05.009Research progress of morphology and hemodynamics on the risk of rupture of intracranialaneurysm Kong Fanyi,Shi Huaizhang.Department of Neurosurgery,the First Affiliated Hospital ofHarbin Medical University,Harbin150001,ChinaCorresponding author：Shi Huaizhang,Email：huaizhangshi@Abstract：Ruptured intracranial aneurysms are the most common cause of subarachnoid hemorrhage.Subarachnoid hemorrhage is often accompanied by vasospasm,which has a high mortality and morbidityrate.The risk of aneurysm rupture was found to be significantly correlated with aneurysm morphology andhemodynamics.Screening of specific morphological and hemodynamic parameters that can be used as indexto evaluate the risk of aneurysm rupture,can guide the treatment of unruptured aneurysm in clinicalpractice.This article summarized the research progress on morphological and hemodynamic factors ofrisk of rupture of intracranial aneurysms.Key words：Intracranial aneurysm；Risk of rupture；Morphology；Hemodynamics；Review自发性蛛网膜下腔出血(SAH)指脑底部或脑表面血管破裂后，血液流入蛛网膜下腔引起相应临床症状的一种卒中。

血流导向装置对动脉瘤血流动力学影响的数值模拟研究进展吕楠;黄清海
【期刊名称】《中国脑血管病杂志》
【年(卷),期】2013(010)010
【摘要】近年来,血管内栓塞已成为颅内动脉瘤治疗的重要方法之一.但对于巨大动脉瘤、宽颈动脉瘤及复杂动脉瘤,单纯通过弹簧圈栓塞存在着术后易复发、治疗费用昂贵等问题.随着血管内治疗技术的不断进步及血流动力学研究的逐步深入,具有高金属覆盖率、低孔率特征的血流导向装置（flow diverter,FD）应运而生.目前临床应用的血流导向装置主要有Pipeline Embolization Devise（PED,美国）、Silk flow diverting stent（SFD,美国）和Tubridge血流导向装置（中国）.
【总页数】4页(P545-548)
【作者】吕楠;黄清海
【作者单位】200433,上海,第二军医大学附属长海医院神经外科;200433,上海,第二军医大学附属长海医院神经外科
【正文语种】中文
【相关文献】
1.置入虚拟及真实血流导向装置后兔动脉瘤模型血流动力学的数值模拟研究 [J], 徐瑾瑜;邓本强;方亦斌;于瀛;程吉勇;王奎重;黄清海;刘建民
2.支架孔率对脑动脉瘤血流动力学影响的三维数值模拟研究 [J], 张星;黄清海;施洋;余钊胜;邵雪明;刘建民
3.血流导向装置在颅内动脉瘤治疗中应用的血流动力学研究进展 [J], 陈俊凡;杨新
健;刘健
4.颅内动脉瘤径颈比对瘤体与分支血管血流动力学影响的数值模拟研究 [J], 高卉; 程云章; 刘祥坤
5.基于影像数据的颅内动脉瘤血流动力学的三维数值模拟的研究进展 [J], 王芙昱;许百男
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LBM的GPU算法及其在颅内动脉瘤血流动力学中的应用颅内动脉瘤是一种常见的颅内凶险疾病,其破裂后产生的蛛网膜下腔出血具有极高的致残率和致死率。

支架置入术作为一种治疗颅内动脉瘤的最新方法受到广泛关注,该方法具有微创性、恢复快、疗效好等优点。

但是,支架的治疗效果受到动脉瘤形状、支架结构等多种因素的影响,需要针对个体真实动脉瘤模型进行深入研究。

对于此类问题,现有的临床观测、动物实验和体外实验等研究手段受到了很大的限制。

另一方面,血流动力学被普遍认为是影响动脉瘤发生、生长、破裂及治疗的主要因素之一,因而利用数值模拟研究动脉瘤内血流动力学参数的变化是探讨支架作用的极佳选择。

传统数值方法在研究颅内动脉瘤血流动力学方面会受到血液流体特性、血管复杂几何结构以及大规模计算量等诸多瓶颈的限制,因此需要发展高效的计算方法和先进的并行计算技术。

20世纪80年代后期发展起来的介观格子Boltzmann方法(LBM)兼有微观与宏观模型的优点,在模拟流体的相互作用和处理复杂边界等方面有着传统方法难以比拟的优势,特别适合用于研究颅内动脉瘤内的血流流动。

此外,LBM具有计算效率高且天然并行等优点,特别适合利用先进的并行计算技术进行加速。

与此同时,基于图形处理器(GPU)的并行技术近几年来获得迅猛的发展。

相比基于传统CPU的应用,基于GPU的应用可获得一到两个数量级的加速效果。

LBM的天然并行性使得其与GPU具有良好的匹配性,基于GPU的LBM可获得较理想的加速效果。

但是,目前基于GPU的LBM研究还未够深入,特别是对于血液流这种复杂流场内流动问题的LBM的实现与优化缺乏系统深入的讨论。

此外,基于LBM的颅内动脉瘤血流动力学相关研究中,未实现对置入支架的个体化真实动脉瘤的数值模拟。

鉴于此,本文将首先进一步发展基于GPU的LBM,在此基础上,展开基于医学图像的个体化真实颅内动脉瘤血流动力学研究。

论文主要工作包括以下两个部分：(1)在基于GPU的LBM方面,本文首先以方腔流等简单流场为例,着重探讨存储器访问优化等优化技术的作用,并对程序的性能进行了详细分析,探讨了在GPU处理器上影响LBM程序性能的因素。