構(gòu)建頸內(nèi)動(dòng)脈瘤雙向流固耦合模型的血流模擬

1、中國組織工程研究第18卷第2期2014–01–08出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJanuary82014Vol.18No.2P.O.Box10002Shenyang110180www.CRTER.g218www.CRTER.g呂紹茂，男，1981年生，湖南省永州市人，漢族，2007年昆明醫(yī)科大學(xué)畢業(yè)，碩士，主治醫(yī)師，助理教授，主要從事影像解剖與應(yīng)用研究。通訊作者：段少銀，博士，教授

2、，主任醫(yī)師，廈門大學(xué)附屬中山醫(yī)院，福建省廈門市361004doi:10.3969j.issn.20954344.2014.02.010[:www.crter.g]中圖分類號(hào):R318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):20954344(2014)020021807稿件接受：20131219LvShaomaoMasterAttendingphysicianAssistantprofessZhongshanHospitalofXiamenUnivers

3、ityXiamen361004FujianProvinceChinaCrespondingauth:DuanShaoyinM.D.ProfessChiefphysicianZhongshanHospitalofXiamenUniversityXiamen361004FujianProvinceChinaAccepted:20131219構(gòu)建頸內(nèi)動(dòng)脈瘤雙向流固耦合模型的血流模擬呂紹茂，鐘華，陳麗君，段少銀(廈門大學(xué)附屬中山醫(yī)院，福建省廈門

4、市361004)文章亮點(diǎn)：1虛擬動(dòng)脈瘤模型相對(duì)于動(dòng)物模型及體外模型，具有相對(duì)簡單、經(jīng)濟(jì)及較好的一致性等特點(diǎn)。得到的數(shù)據(jù)直觀可視化，顯示的相關(guān)參數(shù)很容易進(jìn)行相關(guān)比較與分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)相互間的異同。2實(shí)驗(yàn)采用最新開發(fā)的雙向流固耦合方式(ansysfluent)的軟件組合，功能上比ansyscfx軟件組合更強(qiáng)大，具有更強(qiáng)的處理大形變的網(wǎng)格能力。以往研究中采用剛性壁而且是穩(wěn)態(tài)的研究為多，忽略了血管壁的彈性作用以及作為瞬態(tài)的血流動(dòng)力學(xué)變化。3以往的

5、雙向流固耦合研究采用動(dòng)脈壁及動(dòng)脈瘤統(tǒng)一厚度，而本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)脈壁及動(dòng)脈瘤分開定義厚度，得出的計(jì)算結(jié)果更加精確。4研究結(jié)果與臨床觀察或事實(shí)相吻合，瘤頸部具有很高的剪切力與壓力，同時(shí)確認(rèn)瘤頂部有一高壓點(diǎn)，可能與動(dòng)脈瘤的破裂有關(guān)，為動(dòng)脈瘤基礎(chǔ)與應(yīng)用研究提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：組織構(gòu)建；組織工程；頸內(nèi)動(dòng)脈；后交通動(dòng)脈瘤；有限元建模；血流模擬；國家自然科學(xué)基金主題詞：頸內(nèi)動(dòng)脈；動(dòng)脈瘤；有限元分析；血流動(dòng)力學(xué)基金資助：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81071

6、214)資助摘要背景：動(dòng)脈瘤血液動(dòng)力學(xué)變化為動(dòng)脈瘤的治療與其破裂的預(yù)防研究提供了前提與條件，有限元分析是一種很好的技術(shù)手段。目的：構(gòu)建頸內(nèi)動(dòng)脈瘤的雙向流固耦合模型，并進(jìn)行相關(guān)血流模擬。方法：利用GELightspeed64排螺旋CT掃描獲得頸內(nèi)動(dòng)脈瘤CT血管造影數(shù)據(jù)，分別在mimics10.01軟件上進(jìn)行三維模型的實(shí)體構(gòu)建，ansysfluent軟件進(jìn)行流固耦合及血流模擬與仿真。結(jié)果與結(jié)論：構(gòu)建了頸內(nèi)動(dòng)脈瘤瘤壁和流場(chǎng)的有限元模型，模型具

7、有良好的解剖形態(tài)，并與實(shí)體模型一致。模擬展示整個(gè)心動(dòng)周期的血流變化：瘤體血流呈漩渦樣，瘤體部流速較瘤頸部慢；血流引起動(dòng)脈瘤壁的形變、壁面剪切力、壓力及應(yīng)力以瘤頸部最大，瘤頂部最小。模擬值以0.16s(快速射血期)時(shí)刻為最高值，0.74s(舒張期)為最低值。結(jié)果顯示基于CT血管造影掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行頸內(nèi)動(dòng)脈瘤的雙向流固耦合建模，其方法簡單、實(shí)用。模擬動(dòng)脈瘤血流接近人體的生理狀態(tài)，結(jié)果為研究動(dòng)脈瘤發(fā)生、發(fā)展提供新的理論依據(jù)。呂紹茂，鐘華，陳麗君，

8、段少銀.構(gòu)建頸內(nèi)動(dòng)脈瘤雙向流固耦合模型的血流模擬[J].中國組織工程研究，2014，18(2):218224.BloodflowsimulationofinternalcarotidarteryaneurysmusingtwowayflowsolidcouplingmethodLvShaomaoZhongHuaChenLijunDuanShaoyin(ZhongshanHospitalofXiamenUniversityXiamen36

9、1004FujianProvinceChina)AbstractBACKGROUND:Thehemodynamicschangesofaneurysmprovidethebasisfaneurysmtreatmentrupturedaneurysmpreventionwhilefiniteelementanalysisisagoodtechnicalmeans.OBJECTIVE:Toconstructthetwowayflowsoli

10、dcouplingmodelofinternalcarotidarteryaneurysmthussimulateitsflows.METHODS:CTangiographydataofinternalcarotidarteryaneurysmwererecdedwithGELightspeed64spiralCTscanningthecrespondingthreedimensionmodelwasconstructedwithmim

11、ics10.01software.ThenthefluidsolidcoupledflowsimulationsweredonedependingonAnsysFluentsoftware.RESULTSCONCLUSION:Thetwowayflowsolidcouplingmodelofinternalcarotidarteryaneurysmwasbuiltwiththesamemphologyanatomyasthethreed

12、imensionalCTimaging.InthewholecardiaccyclethebloodflowofaneurysmbodywasswirltypeditsvelocitywasslowerthanthatoftheaneurysmneckthedefmationwallshearstresspressurevonMisesstressofaneurysmwallwerethemaximumatthenecktheminim

13、umatthetop.Theirhighestvaluewasatthe0.16s(rapidejectionperiod)theirlowestvalueatthe0.74s(relaxationperiod).OnthebasisofCTangiographydatatoconstructthetwowayflowsolidcouplingmodelofinternalcarotidarteryaneurysmisasimplepr

14、acticalmethod.Thebloodflowsimulationofaneurysm呂紹茂，等.構(gòu)建頸內(nèi)動(dòng)脈瘤雙向流固耦合模型的血流模擬P.O.Box10002Shenyang110180www.CRTER.g220www.CRTER.g切的值，本文彈性模量采用E=50kPa，泊松比υ=0.45(近似于不可壓縮材料)，文獻(xiàn)[15]中健康的頸內(nèi)動(dòng)脈壁的厚度不超過0.5mm，動(dòng)脈瘤壁也肯定比動(dòng)脈壁要薄，所以本文設(shè)置動(dòng)脈壁的厚度為0.

15、3mm，文獻(xiàn)報(bào)道動(dòng)脈瘤壁厚度為0.080.2mm[16]，故動(dòng)脈瘤壁厚度為0.15mm。血管入口至頸內(nèi)動(dòng)脈床突段都位于硬腦膜外，周圍結(jié)構(gòu)較多，故采用固定的方式，出口固定位移為0，入口采用速度為邊界條件，出口使用壓力為0。流固耦合求解設(shè)置：采用ansys公司最新版的14.5版本，利用wkbench和fluent進(jìn)行雙向流固耦合，采用壓力速度耦合方式，流場(chǎng)計(jì)算時(shí)的微分方程組離散格式為二階精度的迎風(fēng)格式，使用104均方根殘差設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。流場(chǎng)和固

16、定計(jì)算所取時(shí)間步長為0.002s。使用處理器為intele31230v2，內(nèi)存8G，經(jīng)超過2個(gè)周期的迭代運(yùn)算，耗時(shí)20h，得到穩(wěn)定的收斂結(jié)果。2結(jié)果Results2.1模型比較構(gòu)建了頸內(nèi)后動(dòng)脈交通段動(dòng)脈瘤的壁和流場(chǎng)的有限元模型，模型具有良好的解剖形態(tài)，并與實(shí)體模型一致(圖2)。2.2血液流動(dòng)情況截取中間第2個(gè)周期幾個(gè)典型時(shí)刻的血管腔內(nèi)的流線圖及速度體積圖，分別是0.16s(入口瞬時(shí)速度為94.7cms，心動(dòng)周期內(nèi)的最大速度)；0.36s

17、(入口瞬時(shí)速度為53.2cms，為峰谷時(shí)刻)，0.44s(入口速度為58.19cms，為第二峰速時(shí)刻)，0.74s(舒張期末，心動(dòng)周期內(nèi)最小入口速度，為37.2cms)。模擬圖像可以發(fā)現(xiàn)(圖3)，在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，動(dòng)脈瘤腔內(nèi)均存在較為明顯漩渦流動(dòng)。當(dāng)血流經(jīng)動(dòng)脈瘤遠(yuǎn)頸部時(shí)分成兩股血流，一股血流沿著載瘤動(dòng)脈直接下行至大腦前、大腦中動(dòng)脈，為主干血流，另一股較少血流流入動(dòng)脈瘤體內(nèi)，瘤體內(nèi)形成逆時(shí)針的漩渦，最后加入主干血流；漩渦流動(dòng)的類型在整個(gè)心

18、動(dòng)周期內(nèi)比較穩(wěn)定，各個(gè)時(shí)刻流線圖及速度體積圖形顯示遠(yuǎn)心端瘤頸部血流速度最快，靠近近心端瘤頸部區(qū)域也有小部分相對(duì)較快的血流，瘤腔內(nèi)的其他部分血流相對(duì)較慢(圖3)。2.3血管壁的形變情況顯示的對(duì)整個(gè)心動(dòng)周期的血液流動(dòng)觀察后，動(dòng)脈瘤壁的變形情況，隨著心臟的搏動(dòng)，收縮期整個(gè)動(dòng)脈瘤擴(kuò)張，舒張期恢復(fù)，形變的規(guī)律隨著流場(chǎng)的變化而變化，整個(gè)動(dòng)脈瘤在0.16s時(shí)刻的變形最大，以動(dòng)脈瘤遠(yuǎn)心端頸部血管壁變形量最明顯，變形約為0.27mm，因?yàn)榇藚^(qū)域直接受到血

19、流的沖擊作用，而動(dòng)脈瘤兩側(cè)壁的形變相對(duì)較小(圖4)。2.4血管壁面剪切力(WSS)選取第2個(gè)心動(dòng)周期，作為觀察動(dòng)脈瘤的壁面剪切力的變化情況，取4個(gè)標(biāo)志性點(diǎn)：a點(diǎn)(位于遠(yuǎn)心端瘤頸部)，b、c點(diǎn)位于遠(yuǎn)心端瘤至瘤頂中間，d點(diǎn)位于瘤頂。整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)a點(diǎn)的壁面剪切力變化范圍58.2246.5Pa，b點(diǎn)為20.2115.0Pa，c點(diǎn)為4.850.1Pa，d點(diǎn)的壁面剪切力的變化范圍為0.615.3Pa。觀察發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭艿窖鞯闹苯記_擊，a點(diǎn)區(qū)域的壁面

20、剪切力最大，并且圖中可以看出a點(diǎn)區(qū)域的壁面剪切力梯度最大，隨著漩渦流動(dòng)到瘤頂d點(diǎn)區(qū)域時(shí)，剪切力最小(圖5)。2.5血液對(duì)管壁的壓力顯示4個(gè)點(diǎn)a、b、c、d位置的壓力及不同時(shí)刻對(duì)管壁的壓力曲線圖(測(cè)定點(diǎn)的位置與壁面剪切力模擬相同)，心動(dòng)周期內(nèi)，a點(diǎn)的壓力變化范圍為90.4365.1Pa，b點(diǎn)的壓力變化范圍為161.1679.2Pa，c點(diǎn)的壓力變化范圍為263.51534Pa，d點(diǎn)壓力變化范圍為363.23143Pa；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)心端瘤頸a

21、點(diǎn)往后e點(diǎn)區(qū)域壓力較大，e點(diǎn)的壓力變化范圍為538.83174Pa。圖中和數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)心端瘤頸部是血流直接沖擊區(qū)域，在整個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)壓力變化最劇烈，并且在速度最大時(shí)刻附近達(dá)到最大值，壓力梯度也處于較高水平，隨著位置向近心端瘤頸部及兩側(cè)壁移動(dòng)，血流速度趨緩，壓力變化范圍幅度變小，峰值也減小，壓力梯度走低，處于低水平(圖5)。圖1上圖為超聲多普勒測(cè)得頸內(nèi)動(dòng)脈(入口處)的瞬時(shí)平均速度，下圖為GetData軟件獲得上圖第4個(gè)心動(dòng)周期的速度時(shí)間曲