基于個性化Willis環(huán)體外模型的腦動脈瘤血流動力學(xué)研究.pdf

1、我國蛛網(wǎng)膜下腔出血的年發(fā)病率為5/100，000-20/100，000人，其中動脈瘤所致者占52％。頸內(nèi)動脈眼動脈段動脈瘤發(fā)生在頸內(nèi)動脈和眼動脈的分叉處，占顱內(nèi)動脈瘤的0.47％-9.26％。由于其手術(shù)空間狹小，一直是神經(jīng)外科手術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)。另一方面，由于有許多因素都會影響動脈瘤的形成和增長，有必要采用能夠反映局部和整體腦血流特性的方法，以揭示動脈瘤形成因素之間的相互作用。
　　 為了探究動脈瘤的形成機(jī)理，本文通過生物力學(xué)方法研

2、制出基于腦部計算機(jī)斷層掃描圖像的個性化腦Willis環(huán)體外模型，保證了模型結(jié)構(gòu)的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐腹庑院涂芍貜?fù)性。并通過體外灌流實(shí)驗(yàn)觀測頸內(nèi)動脈眼動脈段動脈瘤以及整個Willis環(huán)內(nèi)的流動和溶液傳輸特性，考察了Willis環(huán)通過交通動脈的血液調(diào)節(jié)作用，揭示了動脈瘤的存在對腦部供血的影響。
　　 本文的研究內(nèi)容包括以下三個方面:
　　 復(fù)雜血管的計算機(jī)三維重建。首先基于Simpleware軟件構(gòu)建了Willis環(huán)的三維有

3、限元模型。然后開發(fā)了圖像處理和結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格生成算法，解決了復(fù)雜血管分叉連接問題，并成功應(yīng)用于不同分叉血管及腎臟的三維重建，經(jīng)過適當(dāng)擴(kuò)展，可以應(yīng)用到Willis環(huán)的三維模型重建。為真實(shí)結(jié)構(gòu)血管內(nèi)血流動力學(xué)分析提供了較好的計算建模方法。
　　 個性化Willis環(huán)透明體外模型的研制。開發(fā)了一套基于醫(yī)學(xué)圖像制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)體外模型的方法。這一方法通過單純的模板堆砌，及不同熱物性及光學(xué)材料的組合，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜血管網(wǎng)模型的一次成型。為復(fù)雜血

4、管體外模型的制作，提供了除三維打印機(jī)以外的低成本、快捷有效的方法。
　　 Willis環(huán)內(nèi)流動特性的可視化實(shí)驗(yàn)。首先搭建了體外灌流實(shí)驗(yàn)平臺。通過植入U型管超聲體模實(shí)驗(yàn)確立了壓力，流量以及溫度等參數(shù)的測試方法。并通過在左右兩側(cè)頸動脈以及基底動脈注入墨水溶液，考察了不同結(jié)構(gòu)Willis環(huán)內(nèi)的溶液傳輸特性。最后，運(yùn)用特殊的示蹤粒子灌注液，并結(jié)合高速攝影儀考察了Willis環(huán)內(nèi)的流動特性。首次獲得了腦動脈瘤與Willis環(huán)內(nèi)流動特性相互

5、作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 Willis環(huán)墨水溶液傳輸特性實(shí)驗(yàn)表明，不同動脈所供給的組織區(qū)域不同，其中，頸動脈基本僅供應(yīng)同側(cè)的中腦動脈、前腦動脈、眼動脈區(qū)域，而來自基底動脈的溶液所供給的區(qū)域較廣，甚至可以覆蓋整個Willis環(huán)。當(dāng)Willis環(huán)結(jié)構(gòu)改變后，頸動脈和基底動脈所供給的區(qū)域?qū)l(fā)生變化。
　　 流動可視化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，發(fā)生頸動脈-眼動脈瘤后，除了兩側(cè)眼動脈流
　　 量外，左右兩側(cè)Willis環(huán)內(nèi)的流量較沒

6、有動脈瘤時更加平衡，三個交通動脈的流量明顯升高，說明Willis環(huán)通過交通動脈的調(diào)節(jié)作用增加顯著。另外，當(dāng)發(fā)生動脈瘤以后，同側(cè)的眼動脈的流量增大，左右兩側(cè)眼動脈流量差距明顯升高。最后，從瞬時速度分布中可以看出，在無瘤和有瘤的完整Willis環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，后交通動脈的瞬態(tài)速度波動最為明顯，有時會出現(xiàn)回流。
　　 這些結(jié)果表明，頸動脈-眼動脈瘤的存在明顯地改變了整個Willis環(huán)內(nèi)以及眼動脈的流動和傳質(zhì)特性，在Willis環(huán)內(nèi)通過交通動