基于3.0T MRA 影像數(shù)據(jù)的椎動脈開窗幾何建模與血流動力學(xué)分析

王東俠，江潔，劉鶴，尹燕偉，胡明成★

（1.北京市豐臺中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 放射科，北京 10000；2.牡丹江林業(yè)中心醫(yī)院 感染科，黑龍江 牡丹江 157011；3.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 磁共振科，黑龍江 牡丹江 157011）

0 前言

椎動脈開窗畸形顱內(nèi)開窗畸形發(fā)生率中所占比例極低，據(jù)報(bào)道據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道為僅為1.3%-5.3%[1]。椎動脈開窗畸形表現(xiàn)為顱內(nèi)椎動脈局限性血管重復(fù)，表現(xiàn)為椎動脈在走行過程中1 支分成兩支，平行走行一段距離再回合[2]。顱內(nèi)椎動脈開窗畸形由于其彎曲增多，導(dǎo)致血流動力學(xué)指標(biāo)改變，嚴(yán)重?fù)p害動脈內(nèi)膜，易再損傷局部形成血栓，從而導(dǎo)致動脈狹窄或腦栓塞[3]。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的快速發(fā)展，對椎動脈開窗畸形的影像診斷[4]，3.0T MRA 相比1.5T MRI 更具有優(yōu)勢，椎動脈開窗畸形經(jīng) CEMRA 或 3D TOF MRA 處理可獲得滿意的圖像。近幾年來，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）方法研究血液系統(tǒng)的血液流變學(xué)越來越廣泛，憑借CFD 技術(shù)的數(shù)值模擬血流動力學(xué)仿真，可求解得出各種血流動力學(xué)指標(biāo)，對血液流變的形成規(guī)律、手術(shù)評價(jià)等醫(yī)學(xué)研究、治療提供借鑒和幫助。目前，應(yīng)用MRA 影像數(shù)據(jù)構(gòu)建椎動脈開窗模型與CFD 血流動力學(xué)仿真研究不同椎動脈開窗類型的血流動力學(xué)的文獻(xiàn)極少。本文旨在根據(jù)不同幾何形態(tài)的椎動脈開窗畸形患者的影像資料，構(gòu)建三維幾何模型和CFD仿真技術(shù)計(jì)算，以探討椎動脈開窗幾何形態(tài)對血流動力學(xué)指標(biāo)的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

檢查方法與數(shù)據(jù)獲取：采集核磁科椎動脈開窗畸形患者兩例和健康者一例MRA 影像數(shù)據(jù)。健康患者排除其他腦血管疾病，椎動脈開窗患者經(jīng)兩名副高及以上的影像科醫(yī)生診斷為右側(cè)椎動脈開窗。裂隙型開窗患者，男，49 歲，主訴頭暈伴頸部不適數(shù)月、近期明顯加重，測血壓為130/100mmHg(1mmHg=0.133kPa),心 率85 次/min；凸透鏡型開窗患者，男，45 歲，主訴頸部不適，測血壓為140/110mmHg，心率90 次/ 分；檢查前去除患者隨身金屬異物，囑患者掃描過程中平靜呼吸、不得隨意運(yùn)動，保持仰臥位頭先進(jìn)，身體長軸與掃描床長軸一致，掃描線圈中心為下頜下緣，常規(guī)進(jìn)行橫斷位及冠矢狀位掃描，范圍為聽眶線至顱頂。使用飛利浦 Achieva3.0T 磁共振成像系統(tǒng)，采用梯度回波序列及小角度激勵，以三維時(shí)間飛躍法及磁化轉(zhuǎn)移對比技術(shù)重建血管，掃描圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存為DICOM 格式。患者知情同意并簽署知情同意書。

使用的軟件及圖形工作站：醫(yī)學(xué)圖像處理軟件：MIMICS 21.0（比利時(shí)，Materialise 公司）；醫(yī)學(xué)正向工程建模軟件：3-Matic(比利時(shí)，Materialise公司）；網(wǎng)格劃分軟件：Fluent Meshing；CFD 仿真軟件：CFX 2019R3(美國，ANSYS 公司）；圖像后處理軟件：EnSight 2019R3(美國，ANSYS 公司）；血流動力學(xué)指標(biāo)求解程序采用ccl 格式編寫；工作站：戴爾（DELL）T5820 圖形工作站（CPU I9-10900X 10核3.7GHz，內(nèi)存64G，硬盤512G+4T，顯卡RTX3080 10G）。

1.2 方法

1.2.1 三維模型構(gòu)建

使用 MIMICS 軟件對DICOM 格式MRI 圖像文件進(jìn)行閾值分割，采用蒙版編輯工具和三維重建算法進(jìn)行三維重建建立初步模型[5]。將三維重建獲取的初步模型導(dǎo)入3-matic 軟件中進(jìn)行包裹、光順、重構(gòu)三角面片及切面等處理并以stl 格式導(dǎo)出。

1.2.2 有限元網(wǎng)格劃分

將三個(gè)stl 格式模型導(dǎo)入Fluent Meshing 軟件中進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算精確設(shè)定6 層邊界層。

1.2.3 計(jì)算設(shè)置

由于椎動脈屬于大血管，根據(jù)雷諾數(shù)確定血流模式為層流，不考慮重力影響，計(jì)算按牛頓流體計(jì)算，血液粘度系數(shù)為0.0035Pa·s,密度為1060kg/m3。邊界條件為入口速度，入口速度-時(shí)間公式根據(jù)體積流量轉(zhuǎn)化（式1、式2）[6-7]。

其中d 為血管直徑，t 為時(shí)間，Vmean為進(jìn)口平均速度，q 為入口流量。r 代表所在點(diǎn)位置的半徑，v為入口速度[8]。在垂直于血流方向的血管截面上的血流速度分布為越接近入口中心處速度越快，越遠(yuǎn)離中心處速度越慢，即血流是充分發(fā)展的（圖1），入口體積流量曲線如圖2 所示，出口采用壓力出口，出口曲線如圖5 所示。

圖1 充分發(fā)展的血流

圖2 體積流量隨時(shí)間變化曲線

2 結(jié)果

2.1 血流動力學(xué)參數(shù)選取

本研究選擇時(shí)間平均壁面切應(yīng)力（time average wall shear stress，TAWSS）、平均壁面切應(yīng)力梯度（time average wall shear stress grade,TAWSSG）、剪切震蕩系數(shù)（oscillatory shear index，OSI）、粒子滯留時(shí)間(relative retention time，RRT)等參數(shù)作為觀察指標(biāo)[7-9]。壁面切應(yīng)力（wall shear stress,WSS）是指血液流動時(shí)在血管壁表面上引起的切向的動態(tài)摩擦力[9]。對于脈動流，在一個(gè)心臟周期內(nèi)用每個(gè)節(jié)點(diǎn)上積分WSS 量的值來計(jì)算TAWSS：

其中wssi是瞬時(shí)剪切應(yīng)力矢量，T 是周期的持續(xù)時(shí)間。同時(shí)提出了壁面切應(yīng)力梯度（wall shear stress,WSSG），可以更明顯觀測WSS 數(shù)值變化，WSSG的時(shí)間平均值即平均壁面切應(yīng)力梯度（TAWSSG）：

在一個(gè)心動周期內(nèi)，震蕩剪切系數(shù)（OSI）可以描述WSS 方向的變化程度，OSI 值介于（0，0.5）之間，OSI 數(shù)值越大[10]，表示W(wǎng)SS 方向的變化也就越大，但其值的大小與WSS 沒有必然聯(lián)系，其表達(dá)式為：

2.2 OSI 云圖分析

由圖3 所示，正常與開窗畸形椎動脈的在椎動脈主干血管上OSI 呈現(xiàn)不同的變化趨勢。凸透鏡型開窗畸形椎動脈在椎動脈末端分叉區(qū)域出現(xiàn)高OSI，相較于裂隙型高OSI 區(qū)域面積較小，說明裂隙型開窗畸形椎動脈的血液振蕩區(qū)域小。無論是椎動脈裂隙型開窗畸形還是凸透鏡型開窗畸形的椎動脈的高OSI 區(qū)域都比正常的椎動脈高OSI 區(qū)域面積大得多，由此可見開窗畸形造成WSS 方向變化劇烈。

圖3 不同開窗畸形椎動脈與正常椎動脈OSI 分布云圖

2.3 TAWSS 云圖分析

圖4 為不同幾何形態(tài)的椎動脈開窗TAWSS 分布云圖。由圖可見，在一個(gè)心動周期內(nèi)，裂隙型開窗畸形椎動脈在椎動脈主干血管壁的低TAWSS 區(qū)域面積最大，其次為凸透鏡型開窗椎動脈，而正常椎動脈主干血管壁TAWSS 最高。TAWSS 的分布大小具有臨床意義，TAWSS 如果低于4dynes/cm2，則提示主干血管容易出現(xiàn)動脈硬化，需要臨床干預(yù)。

圖4 不同開窗畸形椎動脈與正常椎動脈TAWSS 分布云圖

2.4 TAWSSG 云圖分析

圖5 為TAWSSG 分布云圖。TAWSSG 云圖提示在椎動脈開窗區(qū)域，存在TAWSSG 局部區(qū)域較高情況，推測可能由于血流經(jīng)過開窗畸形部位，血管較細(xì)，導(dǎo)致局部血流速度較快，對血管壁造成劇烈沖擊，形成高TAWSSG 區(qū)域。TAWSSG 在正常椎動脈主干血管分叉處呈現(xiàn)出數(shù)值較其他區(qū)域較大，但TAWSSG 過大，則易造成血管損傷。

圖5 不同開窗畸形椎動脈與正常椎動脈TAWSSG 分布云圖

3 討論

在一個(gè)心動周期內(nèi)使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)WSS 量值進(jìn)行積分即為TAWSS，TAWSS 為一個(gè)心動周期內(nèi)血管壁面的平均WSS 大小。高WSS 能導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂致使內(nèi)皮細(xì)胞損傷，主要通過活性保護(hù)因子分泌減少及分泌血管損傷因子增多[9-16]；并且血管內(nèi)皮細(xì)胞平行血流方向排列且傾向于變長是在WSS 大于1N/m2的條件下，內(nèi)皮細(xì)胞功能失調(diào)且內(nèi)皮細(xì)胞增加滲透性，出現(xiàn)淤滯且停留時(shí)間顯著延長的情況。在綜合情況共同影響下，血管壁周邊的內(nèi)皮細(xì)胞吸收邊流中的致動脈粥樣硬化因子增多形成斑塊等病變。為了更加清晰地表示出動脈粥樣硬化易發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，使用時(shí)均參數(shù)TAWSS 進(jìn)行分析，從上述云圖可看出，從三種不同幾何形態(tài)學(xué)的椎動脈開窗中，裂隙型具有較大的TAWSS 區(qū)域，并且高TAWSS 區(qū)域與高速渦流血流區(qū)域及高OSI 區(qū)域有部分共同區(qū)域，這也提示該區(qū)域有較大風(fēng)險(xiǎn)形成血管壁的粥樣硬化。OSI 是依據(jù)一個(gè)心動周期內(nèi)動脈血管壁上不同位置WSS 方向的變化計(jì)算出來的，表示的是一個(gè)心動周期內(nèi)WSS 方向振蕩的情況，當(dāng)OSI 值較大時(shí)即表明該周期內(nèi)WSS 振蕩情況越嚴(yán)重；同時(shí)OSI 也可表示血液流動方向的情況，當(dāng)OSI 值越大時(shí)即血液流動方向可能發(fā)生頻繁的方向改變甚至有可能回流[12]。當(dāng)OSI 值為0 時(shí)可見在該心動周期內(nèi)血管內(nèi)皮細(xì)胞所受剪切方向恒定，具有較低的粥樣硬化斑塊形成的風(fēng)險(xiǎn)[14]；而當(dāng)OSI 值不為0 時(shí)，即該OSI 值區(qū)域內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞所受的剪切力有振蕩[16-18]；數(shù)值越大，越易導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，從而極大促使斑塊的發(fā)生。裂隙型和凸透鏡型均于開窗分支血管終末段連接處呈現(xiàn)高OSI 區(qū)域；重復(fù)型開窗的高OSI 主要集中于開窗分支起始處及開窗外側(cè)支拐角小片狀區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)粥樣硬化性斑塊損傷的可能性較大。