主動脈弓計算流體力學模型的建立與應用

賀嘉嘉 陳 鵬 周廣全▲

1.廣州中醫藥大學第一附屬醫院，廣東 廣州 510407；2.廣州中醫藥大學，廣東 廣州 510405

主動脈弓平右第2胸肋關節后方接升主動脈，呈弓形向左后行至脊椎左側第4胸椎下緣續為胸主動脈。弓的上緣平胸骨柄中部或稍上方，下緣平胸骨角。主動脈弓部疾病主要是主動脈弓上血管狹窄和主動脈弓粥樣硬化，這兩種病變均可通過血流動力學的變化引起腦缺血的癥狀，從而導致缺血性腦卒中。腦卒中是造成人類死亡的三大疾病之一，對患者的生命安全構成嚴重的威脅[1]。因此，深入了解主動脈弓血管的血流動力學特性，對研究主動脈弓疾病引起缺血性腦卒中的發生風險有著重要的指導意義。隨著計算機技術和流體動力學仿真研究的發展，以及三維重建技術和逆向工程技術的進一步推廣，使得無創性主動脈弓的流體動力學研究成為可能[2-3]。本研究旨在通過Mimics 14.1交互式圖像控制系統和大型有限元分析軟件ANSYS Fluent軟件建立主動脈弓的計算流體力學模型，模擬血液的流體運動，為科研的、合理的數字化主動脈弓疾病研究提供一個虛擬的執行平臺，為主動脈弓疾病的診斷提供一種臨床預警輔助診斷手段。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

運用逆向工程等技術建立主動脈弓計算流體動力學模型并對其進行流體動力學分析。

1.2 主要軟件及設備

影像資料獲取通過廣州中醫藥大學第一附屬醫院提供的Philips MR system Achieva 1.5T實現；三維重建利用廣州中醫藥大學中醫骨傷科實驗室提供的Mimics 14.1交互式圖像控制系統實現；流體動力學分析通過ANSYS Fluent實現。

1.3 對象和圖像獲取

受試者為健康志愿者，男性，30歲，無心臟病、高血壓、糖尿病和心血管疾病病史。對患者胸部進行MRI斷層掃描，共300層，層厚為 0.5 mm，每層為1024×1024像素，保存為DICOM格式文件。

1.4 方法

主動脈弓三維重建和實體化：將所得MRI圖像數據導入到Mimics 14.1中。通過閾值分析、空洞修補等功能，重建出主動脈弓三維模型（圖1），基于主動脈弓三維模型，利用Mimics的“Fit Centerline”可計算獲得主動脈弓的中心線，從而充分了解主動脈弓的解剖特性；然后把STL格式的主動脈弓文件導到入RapidForm XOR3逆向工程軟件，通過“Mesh”、“Smooth”和“Auto Surfacing”等功能對主動脈弓進行曲面擬合生成實體模型（圖2）；最后，把實體模型導入到ANSYS Fluent流體力學分析軟件進行網絡劃分，生成滿足研究需要的主動脈弓流體力學模型。

邊界設定和材料參數設置：按照人體心臟正常舒張狀態下血液流動性質設定血液入口與出口（圖3），然后確定流體介質為血液，血液密度為 ρ＝1.06×103kg/m3[4-5]，最后求解計算。

2 結果

交互式醫學圖像控制系統Mimics 14.1對基于主動脈弓MRI數據重建的三維模型立體直觀，三維效果逼真，清晰反映了主動脈弓的形態；通過測量功能可測量任意血管彎曲程度、長度及內徑，并可通過系統的手術模擬功能進行三維可視化手術操作，可重復性強，操作簡單易學。在此基礎上，本研究結合有限元技術、計算流體力學技術建立主動脈弓計算流體力學模型，通過血流出入口的設置，確定血液的流動方向并賦予相應的材料參數，計算獲得主動脈弓內血液流速分布（圖 4）。

3 討論

計算流體力學是多種領域的交叉學科，它涉及流體力學、數學理論、數值分析和三維有限元技術。隨著計算流體力學的飛速發展和廣泛應用，心血管研究人員逐漸利用計算流體力學技術解決臨床實際問題。利用三維重建技術建立主動脈弓的三維模型，為臨床醫生直觀地理解主動脈弓的完整形態具有重要意義，也為臨床醫生實施術前規劃和個性化手術路徑設計提供執行平臺[6]；而利用計算流體力學仿真技術分析主動脈弓的血流動力學特性，為醫生臨床診療提供了可靠的數據支持，有助于提高主動脈弓病變引發腦卒中診治的準確度。

主動脈弓是以心臟為中心的力學系統的重要組成部分，主動脈弓內血液流動、血管變形、血液和血管的相互作用，無不受著力學因素的影響，因此，力學因素的改變對主動脈弓血管重建及由此引起的相關疾病起到至關重要的作用。所以，本研究基于影像學、解剖學、血流動力學等基礎理論，結合三維重建技術、計算流體力學技術、有限元分析方法，從計算力學角度模擬主動脈弓血流運動，分析血管內血流力學特性，為進一步闡明主動脈弓疾病引起缺血性腦卒中的發病機制提供新的計算力學方法，也為主動脈弓疾病的虛擬手術模擬創造條件，還可以為主動脈弓疾病的診斷提供一種臨床預警輔助診斷手段。

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