梗阻性腦積水生物力學(xué)機(jī)制的有限元分析及臨床相關(guān)性研究.pdf

1、研究工作主要包括以下三部分： 1．側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型的構(gòu)建 目的：構(gòu)建側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型。 方法：依據(jù)正常青年男性志愿者顱腦MRIT2加權(quán)軸位掃描圖像資料確定重建對(duì)象。選取一幀包含側(cè)腦室前角、后角及體部的典型圖像，用清華紫光UNISCANM1600數(shù)字膠片掃描儀掃描后將圖像文件導(dǎo)入個(gè)人計(jì)算機(jī)，保存為JPEG格式，用圖像處理軟件PHOTOSHOP 9.0進(jìn)行編輯?？紤]到大腦解剖結(jié)構(gòu)在軸位

2、層面的幾何對(duì)稱性，只選取圖像的一半作為研究對(duì)象。采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的邊界提取算法進(jìn)行目標(biāo)圖像的邊界提取，用最小邊界能量與邊界曲率分析相結(jié)合的輪廓跟蹤算法提取關(guān)鍵點(diǎn)。依圖象顯示MRI片比例尺為準(zhǔn)，確定圖象坐標(biāo)單位和實(shí)際長(zhǎng)度單位的比值，并以此比例進(jìn)行數(shù)字縮放，使MRI圖像上的代表實(shí)際尺寸的標(biāo)尺長(zhǎng)度與圖像處理軟件中的網(wǎng)格與標(biāo)尺相吻合。使用PHOTOSHOP 9.0中的坐標(biāo)系統(tǒng)逐一提取各關(guān)鍵點(diǎn)的平面(二維)坐標(biāo)值，得到輪廓坐標(biāo)，記錄并保存于Mic

3、rosoft Excel文件中，獲取建立模型所需解剖信息的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。將坐標(biāo)文件逐一導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS9.0中，采取自底向上的建模方法，對(duì)邊界進(jìn)行空間線性擬合。由關(guān)鍵點(diǎn)生成線，由線生成面，完成幾何建模。定義單元類型，選擇SOLlD 8節(jié)點(diǎn)四邊形單元，給定腦組織特性生物力學(xué)參數(shù)，設(shè)定單元尺寸為0.8mm，采用自由網(wǎng)格劃分的方法劃分網(wǎng)格，生成側(cè)腦室及室周腦組織的二維有限元模型。保存模型儲(chǔ)存為單元(ELIST)和節(jié)點(diǎn)(NLIST)

4、數(shù)據(jù)文件。 結(jié)果：成功構(gòu)建出側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型，同實(shí)際解剖形態(tài)具有很好的幾何相似性。模型總單元數(shù)(ELEMENT)2187，總節(jié)點(diǎn)數(shù)(NODE)6806，保存為L(zhǎng)IST文件格式。 結(jié)論：醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料為構(gòu)建形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的顱腦有限元模型提供了準(zhǔn)確簡(jiǎn)便的方法；通過(guò)利用圖像數(shù)字化處理設(shè)備、圖像資料的輪廓提取技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助分析方法及大型有限元軟件，大幅度提高了有限元建模的效率。 2．梗阻性腦積水的有限元模

5、擬及生物力學(xué)分析 目的：通過(guò)構(gòu)建的側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型對(duì)梗阻性腦積水進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并進(jìn)行生物力學(xué)分析。 方法：將以單元(ELIST)和節(jié)點(diǎn)(NLIST)文件格式儲(chǔ)存的側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型，通過(guò)FORTRAN語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換為INP格式文件，導(dǎo)入適用于固結(jié)計(jì)算的大型有限元軟件ABAQIJS6.5中。模擬腦組織為各向同性的固、液兩相多孔線彈性連續(xù)介質(zhì)，固相骨架為神經(jīng)細(xì)胞，液相部分為組織間液和血液，充滿在

6、固相骨架的孔隙中，即細(xì)胞間隙中，稱作孔隙液。設(shè)置固結(jié)參數(shù)，包括楊氏模量(E，MPa)、泊松比(γ)和滲透系數(shù)(CM/S)，設(shè)定邊界條件和初始條件并施加載荷進(jìn)行模擬計(jì)算求解。結(jié)果在ABAQIJS Viewer中提取，得到應(yīng)力、應(yīng)變、位移和孔隙壓的數(shù)值及云圖。 結(jié)果：有限元模擬很好地顯示了梗阻性腦積水側(cè)腦室各部的動(dòng)態(tài)擴(kuò)張過(guò)程，整個(gè)模擬計(jì)算過(guò)程總時(shí)間步數(shù)為37。在第37個(gè)時(shí)間步，即t=345600秒(96小時(shí)，4天)時(shí)，側(cè)腦室擴(kuò)張達(dá)到

7、最大程度。隨著時(shí)間步的增長(zhǎng)，側(cè)腦室前、后角逐漸膨隆，體部凸度逐漸變小拉平。位移云圖顯示，側(cè)腦室各部向周邊方向發(fā)生的位移不相同，從X軸方向觀察，在各個(gè)時(shí)間步，體部向外側(cè)的位移最顯著，而側(cè)腦室前、后角前外側(cè)端向外側(cè)的位移明顯小于體部；從應(yīng)力云圖分析，室周腦組織內(nèi)存在不同的應(yīng)力類型及分布，前、后角周圍發(fā)生膨脹(拉伸)性應(yīng)力集中，越靠近角部越明顯，其它區(qū)域的應(yīng)力為壓縮性，體部周圍壓應(yīng)力集中明顯；應(yīng)變是應(yīng)力的結(jié)果，而孔隙比反映應(yīng)變，角部周圍產(chǎn)生拉

8、應(yīng)變，孔隙比增大，孔隙液壓力增高，其它區(qū)域內(nèi)則減小。 結(jié)論：梗阻性腦積水發(fā)生時(shí)，由于側(cè)腦室?guī)缀涡螒B(tài)不規(guī)則，室周腦組織內(nèi)產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。表現(xiàn)為腦室各部的不均衡性擴(kuò)張，以及室周腦組織區(qū)域性的不同應(yīng)力、應(yīng)變類型及分布，導(dǎo)致了孔隙比及孔隙壓的變化。這些生物力學(xué)響應(yīng)，在梗阻性腦積水原發(fā)性和繼發(fā)性病理生理變化中起到了重要作用。 3．梗阻性腦積水生物力學(xué)機(jī)制有限元分析有效性的驗(yàn)證 (1)闡明梗阻性腦積水側(cè)腦室角部

9、易發(fā)腦水腫的生物力學(xué)機(jī)制根據(jù)有限元分析結(jié)果，梗阻性腦積水發(fā)生時(shí)，側(cè)腦室角部周圍易發(fā)腦水腫存在生物力學(xué)機(jī)制。增高的室內(nèi)壓在室周腦組織內(nèi)引發(fā)了應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中的類型在室周腦組織內(nèi)分布存在區(qū)域性差異。側(cè)腦室前、后角周圍發(fā)生了膨脹性應(yīng)力集中，其它區(qū)域內(nèi)發(fā)生壓縮性應(yīng)力集中。膨脹性應(yīng)力集中拉伸了角部室管膜，造成膜細(xì)胞間相互分離，細(xì)胞間隙擴(kuò)大，增加了液體的通透性；同時(shí)，膨脹性應(yīng)力集中產(chǎn)生拉應(yīng)變，使局部孔隙比增加，擴(kuò)展了細(xì)胞外間隙，增大了液體積聚的

10、空間；而壓縮性應(yīng)力集中減小了局部孔隙比，將孔隙液體擠出而滲透到孔隙比增加的區(qū)域。這樣，在室內(nèi)壓力作用下，腦脊液易于在角部周圍積聚，腦組織內(nèi)水含量增加，表現(xiàn)為腦水腫。有限元分析結(jié)果同臨床影像學(xué)發(fā)現(xiàn)一致。 (2)側(cè)腦室容積線性測(cè)量法的靈敏性分析梗阻性腦積水發(fā)生時(shí)，臨床醫(yī)生常根據(jù)顱腦CT或MRI觀察側(cè)腦室容積的變化來(lái)判斷病情的進(jìn)展。顯著的容積變化憑經(jīng)驗(yàn)即可做出判斷，但非顯著性變化卻不易觀察，而這在疾病的早期診斷及療效判斷上卻有重要意義

11、。這種情況下需要進(jìn)行側(cè)腦室容積測(cè)量。直接測(cè)量側(cè)腦室容積計(jì)算繁瑣不具實(shí)用性，臨床常用的為線性測(cè)量法。測(cè)量方法主要有Evans比值法，腦室顱腔指數(shù)(CVI)，額枕比值(FOratio)及側(cè)腦室對(duì)角線比值法(DVD ratio)。 我們的有限元分析結(jié)果顯示，在梗阻性腦積水的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，側(cè)腦室體部在每一個(gè)時(shí)間步向外側(cè)擴(kuò)張最明顯。從理論上講，體部間距變化同側(cè)腦室容積變化相關(guān)性最好。為此，我們提出了側(cè)腦室體部腦室腦比值法(VBS rat

12、io)，即耳眥線上60mm層面?zhèn)饶X室體部間距同其兩側(cè)延長(zhǎng)線上腦皮質(zhì)間距比值。此平面CT或MRI軸位圖像能很好反映側(cè)腦室前、后角和體部，且在擴(kuò)張過(guò)程中受丘腦及基底核等灰質(zhì)核團(tuán)的約束較小，更符合有限元分析的假設(shè)條件，實(shí)際測(cè)量結(jié)果更接近有限元分析結(jié)果。為臨床驗(yàn)證側(cè)腦室體部腦室腦比值法的有效性及靈敏性，我們選擇各種原因?qū)е碌墓Ｗ栊阅X積水病人20例，每例獲取3次顱腦螺旋CT薄層掃描圖像，共60套，通過(guò)圖像分析系統(tǒng)MCID測(cè)定每次檢查的側(cè)腦室容積；

13、利用螺旋CT能夠任意重建的優(yōu)勢(shì)，從每次掃描圖像中選取耳眥線上60mm平面的一幀圖像，進(jìn)行側(cè)腦室容積的線性測(cè)量，測(cè)量方法包括上述四種線性測(cè)量法及我們所建議的側(cè)腦室體部腦室腦比值法。各種線性測(cè)量法同側(cè)腦室容積變化的相關(guān)性通過(guò)Spearman秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較，不同線性測(cè)量方法相關(guān)性差異用Z檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果顯示VBS為最靈敏的估計(jì)側(cè)腦室容積變化的線性測(cè)量方法；FO和DVD是較靈敏的指標(biāo)，這兩者之間無(wú)顯著性差異;CVI同側(cè)腦室容積變化相