基于兩例CTA圖像的頸動脈分叉段三維重建及CFD數值模擬分析

戴志穎，郭金興，于 曦，李思瑢，唐鐳蕾，趙 寶，陳廣新

(1. 牡丹江醫學院醫學影像學院，黑龍江 牡丹江 157011；2. 牡丹江醫學院附屬紅旗醫院介入科，黑龍江 牡丹江 157011，3. 黑龍江省克東縣職業技術教育中心，黑龍江 克東 164800)

0 引言

粥樣動脈硬化是血管類疾病常見的且最重要的一種疾病，動脈粥樣硬化是西方發達國家的主要死亡原因。近些年來，隨著我國人民的生活水平提高和飲食習慣的改變，動脈粥樣硬化也成為了我國人民的重要的死亡原因[1]。動脈粥樣硬化常常發生在大、中動脈的分叉與彎曲部位，具有強烈的病灶選擇性。這表明動脈粥樣硬化的發生及發展過程與血管局部的血液動力學有密切的聯系，目前普遍認為低壁面剪切應力、震蕩剪切力和粒子停留時間過長是導致動脈粥樣硬化的血液動力學因素[2-3]。

應用計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）方法結合血管影像研究人體血管的血流動力學狀態已逐漸應用于科研和臨床[4-5]。頸動脈分叉段結構復雜，存在分叉及彎曲，其血液流動情況存在個體差異，容易形成斑塊，如堵塞血管則導致腦萎縮、腦缺血、血管破裂等嚴重情形發生。鑒于頸動脈分叉段的特殊性和重要性，應用CFD技術對頸動脈分叉段進行分析研究有助于醫生掌握血流動力學指標與動脈粥樣硬化的發生、發展的密切關系，對于臨床早期治療、治療方案制定具有重要的意義。

本研究采用 CFD方法對有斑塊及無斑塊的頸動脈分叉段的 Newton流體進行數值分析，研究了斑塊對頸動脈的血流動力學的速度場、管壁剪切應力、管壁壓力等分布情況的影響，為臨床研究提供了參考。

1 資料和方法

1.1 一般資料

圖像數據：采集牡丹江醫學院附屬紅旗醫院 2例男性患者頸部CTA掃描圖像數據，二患者年齡分別為58歲和64歲。儀器應用東芝64排螺旋CT，CT掃描參數：電壓120 V，電流250 mA，斷層厚度0.5 mm，圖像矩陣512×512，以4.0 ml/s流率經肘靜脈注射造影劑150 ml，要求患者在掃描過程中不做吞咽動作。

1.2 圖像后處理設備

圖形工作站：戴爾 Precision T7810：Xeon E5-2609 v3處理器、16 G內存、nVIDIA Quadro2200顯卡；

實驗應用軟件：Mimics 20.0；3-matic 12.0；SolidWorks2015；Geomagic2015；Ansys workbench 16.0。

1.3 方法

（1）圖像后處理

將二患者的頸部CTA影像DICOM數據分別導入Mimics20.0軟件，使用閾值分割（threshholding）、動態區域增長(dynamic region growing)、多層編輯（multiple- slice edit）等分割算法，分別提取出二患者的頸動脈蒙板。對頸動脈蒙板進行去除細小分支、截取，再通過計算三維工具（Calculate 3D）計算生成三維頸動脈分叉模型[6-9]。將生成的三維模型分別導入3-matic軟件進行平滑（Smooth）、包裹（wrap）、減少三角面片（triangle reduction）等處理。然后再將處理后的模型導入到SolidWorks軟件進行管口切面處理，再將處理之后的模型導入Geomagic軟件中在不改變曲面形狀的前提下進行修復多邊形網格的缺陷。

（2）計算流體力學（CFD）數值分析

將修復完畢的二個頸動脈模型分別導入 Ansys Workbench 16.0軟件中進行CFD分析：確定入口、出口、管壁，對頸動脈模型劃分網格。為提高計算的精度及減少計算時間，本研究采用四面體網格劃分技術，劃分網格節點數和網格單元數如表 1，頸動脈體網格化結果如圖1、圖2所示。

表1 體網格參數圖Tab.1 The volume meshing

圖1 模型I體網格Fig.1 The first volume meshing

圖2 模型2體網格Fig.2 The second volume meshing

在本實驗中假定血液是各向同性且不可壓縮的牛頓流體，密度為1060 kg/m3，粘度為0.00345 pa·s，由于頸動脈方向是從主動脈分支延伸到大腦的，血流在流動過程中要克服重力影響，因此，在模擬的過程中垂直方向的重力加速度-9.8 m/s2。血流模型選擇湍流模型。為了簡化模型，將頸動脈設定為光滑、無滲透性的剛性管壁，本實驗不考慮能量的傳遞，故不需考慮能量方程。控制方程如下：

式中U為速度矢量，P為流場壓力，ρ為血流密度。

頸動脈入口采用速度邊界，入口速度為0.4 m/s，假定出口流動是充分發展的。采用Simple方法以二階迎風格式，迭代300次計算得到血流速度、血流流線和管壁切應力、管壁壓力等血流動力學指標，采用矢量圖、云圖和流線圖顯示計算結果：第一組是無斑塊的患者頸動脈血流動力學指標分布圖，第二組是有斑塊患者頸動脈血流動力學指標分布圖，如圖3-10。

2 結果與分析

2.1 頸動脈模型速度場

由圖1、圖3、圖5和圖7所示，在分叉部位形成血流分離區，局部存在低流速血流，分叉下流區有次級血流模式形成，血流自頸總動脈流入，中心軸線流速高，沿徑向逐漸降低，靠近血管壁的血流速度最低，血流速度在分叉處分布改變。血流在進入載斑塊頸動脈管腔狹窄段血流加速。

圖3 正常人體頸動脈速度矢量圖Fig.3 Vector distribution of blood flow in the healthy carotid artery velocity

圖4 正常人體頸動脈速度流線圖Fig.4 Streamline distribution of blood flow in the healthy carotid artery velocity

圖5 正常人體頸動脈壁切應力云圖Fig.5 Wall shear stress distribution in the healthy carotid artery

圖6 正常人體頸動脈壁面壓力云圖Fig.6 Wall pressure distribution in the healthy carotid artery

圖7 有斑塊人體頸動脈血流速度矢量圖Fig.7 Vector distribution of blood flow in the carotid artery velocity with plaques

圖8 有斑塊人體頸動脈血流速度流線圖Fig.8 Streamline distribution of blood flow in the carotid artery velocity with plaques

2.2 頸動脈壁面切應力分布

圖9 有斑塊人體頸動脈壁切應力（WSS）云圖Fig.9 Wall shear stress distribution in the carotid artery with plaques

圖10 有斑塊人體頸動脈壁面壓力云圖Fig.10 Wall pressure distribution in the carotid artery with plaques

血管壁切應力（WSS）是指血液流動時對血管壁產生的切向應力，是一項重要的血管壁力學參數，在多種血管病變發生過程中發揮重要的作用，血管壁的切應力或震蕩切應力被指與斑塊易損性及斑塊破裂密切相關。在本實驗中可觀察到載斑塊頸動脈壁面切應力分布紊亂，忽高忽低，在貼近頸動脈竇、內頸動脈斑塊之間最狹窄處壁面切應力大幅度增高，而在內頸動脈最狹窄處，壁切應力達驟然增高。

2.3 頸動脈壁壓力分布

血流沖擊力可造成被沖壓區域壓力的增高，當血流速度降低時，血液機械運動能力轉化為壓力，在血流場中，稱作為動壓力（dynamic pressure）或動壓。在血流沖擊動脈壁時血流方向發生改變，速度隨之下降，這樣大部分動壓力轉化為靜壓力。壁壓力是動壓力與靜壓力之和[10-12]。通過圖8可發現，載斑塊頸動脈分叉處、總頸動脈處壁壓力過高，而血流通過分叉處后，外頸動脈、內頸動脈的壁壓降低，內頸動脈內側壁存在一小范圍高壓力區。

3 討論

在血流動力學研究中，血流速度、壁面切應力與壓力是影響斑塊的發生及發展的最主要的參數，這一點已經得到多數學者的認同，對于理解斑塊的發生及發展乃至破裂，有著重要的意義。筆者通過CTA獲取患者頸動脈的真實解剖學影像對模型進行劃分網格，采用有限體積法的離散化方法對頸動脈分叉段建立控制方程組，給予離散化的初始條件及邊界條件，給定血流的相關參數，通過迭代計算求解出頸動脈分叉段的速度場和管壁切應力等血流動力學指標，初步探討了在真實模型條件下分析幾何特征與血液動力學的之間的密切關系以及動脈粥樣硬化的發展過程中的影響[13-16]，為研究動脈粥樣硬化提供了重要的參考，使用有限的硬件資源成功的完成了復雜的頸動脈分叉段的有限元分析，實驗具有可操作性和科學性。

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