基于MIMICS建模和SimVascular仿真計算的不同狹窄率頸動脈非牛頓血流動力學分析

高銘澤 陳廣新 陳曉琴 胡明成 成志國 林 強▲

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，黑龍江牡丹江 157011

頸動脈為顱內組織供血，頸動脈斑塊是引起腦卒中的重要原因之一[1]。頸動脈狹窄的形成原因比較復雜，血管內膜損傷、血管壁蛋白纖維作用減弱導致的血管壁硬化、變厚等均促成頸動脈粥樣硬化[2]。已有研究證實，血流動力學因素是頸動脈粥樣硬化和血栓形成的重要因素[3]。目前，現有的醫學檢查手段仍無法對體內的血流動力學分布特征進行有效測量。近些年計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）快速發展，將CFD技術應用于血流動力學仿真分析可實現頸動脈內的血流動力學分布特征參數，對頸動脈狹窄的發生發展、病理機制研究有重要的意義[4]。本研究基于MIMICS軟件對個體化CTA真實患者數據構建輕中度三種狹窄程度的幾何模型、利用CFD仿真軟件SimVascular進行血流動力學仿真計算，分析不同狹窄程度對頸動脈的血流動力學指標的特征分布規律，并探討狹窄率大小與頸動脈斑塊的形成關系。

1 模型構建

1.1 數據采集與幾何模型構建

采集牡丹江醫學院附屬紅旗醫院影像科1例頸動脈狹窄患者的CTA影像數據作為研究對象，經牡丹江醫學院附屬紅旗醫院醫學倫理委員會批準。影像采集設備為GE 64排螺旋CT，電壓120 kV，電流300 mA，層距0.5 mm，層厚0.3 mm，螺距1.75 mm，矩陣512×512，共獲得120張圖像。使用MIMICS軟件（Materialise公司，比利時）對CTA文件進行閾值分割、蒙版編輯、區域生長、三維重建等操作生成幾何模型（STL格式），利用3-matic（MIMICS軟件附帶）對頸動脈初步模型進行優化、光滑生成頸動脈狹窄模型，并在此基礎上構建正常頸動脈、輕度狹窄、重度狹窄幾何模型，見圖1。

1.2 CFD仿真計算模型構建

采用SimVascular（開源血流動力學仿真軟件）劃分網格，網格邊界層設為5層，增長率為1.2，入口采用速度入口，入口速度曲線見圖2。出口采用壓力出口，血液生理壓力為13 339 Pa[5]。計算模型采用非牛頓血液黏度模型Carreau-Yasuda，血液密度為1060 kg/m3[6]。在Carreau-Yasuda模型中，剪切率與動力黏度關系見圖3。血液為各向同性、不可壓縮、層流，其控制方程為Navier-Stokes方程。計算時間步間隔0.01 s，周期為0.8 s，總計算時間為2.4 s即3個周期。迭代精度設為10-4。

圖2 入口速度曲線

圖3 非牛頓血液黏度模型

2 結果

2.1 血流速度分布特征分析

由頸動脈內血流速度（峰值時刻）流線圖（圖4）可知，頸動脈狹窄處附近形成了血流速度的最大值區，血液在流經狹窄區域之前，頸動脈血流在頸總動脈分布均勻，血液到達分叉部位狹窄區域血流發生了較大的流動分離，血液的穩定層被破壞，呈現復雜的流態分布。隨著狹窄率增高，血管壁對血液的流動速度產生了影響，在狹窄率較高的區域，血流速度更快，在狹窄部位出現局部的渦流、回流、二次流現象，頸動脈狹窄部位的血流速度、方向的震蕩對動脈粥樣硬化斑塊的穩定性、形成、發展以及血管壁的重塑、修復具有重要的影響。

圖4 血液流線圖

2.2 壁面切應力分布特征分析

壁面切應力分布圖（圖5）結果表明，在頸動脈狹窄處呈現壁面切應力較高的情況，尤其是狹窄率越高，壁面切應力的值越高、高壁面切應力的區域面積越大。隨著頸動脈狹窄率增高，狹窄區域過高的壁面切應力易導致血管斷裂，也易導致斑塊的脫落，這也構成了缺血性腦卒中發生的可能。高壁面切應力使紅細胞聚集，增加斑塊破裂、脫落堵塞血管的風險。

圖5 壁面切應力分布特征

2.3 壁面壓力分析

頸動脈心動周期壓力分布曲線（圖6）結果表明，在心動周期內動脈狹窄部位存在負壓現象。對比正常、輕度狹窄、重度狹窄的頸動脈狹窄部位的壁面壓力，隨著狹窄率越大，狹窄部位壁面壓力的波動范圍較大，壓力值逐漸減小。三種頸動脈壁面壓力值差異較大，頸動脈狹窄對遠端血管的血液流動產生影響，狹窄部位的低壓力導致遠端的血流動力不足，以至于出現血液回流的現象，甚至導致腦部供血不足，進而導致腦卒中發生。

圖6 頸動脈狹窄部位壓力曲線圖

3 討論

頸動脈是為大腦供血的重要通道，頸動脈斑塊導致頸動脈狹窄，嚴重威脅著大腦的血流運輸，腦供血不足、腦卒中的發生也與頸動脈狹窄有著密切聯系[7]。動脈粥樣硬化的形成發展最重要的因素是血流動力學因素。因此，不同狹窄率頸動脈的血流動力學參數如壁切應力、壁面壓力、剪切應力等特征分布情況，可為頸動脈狹窄的形成機制提供理論指導，也可為頸動脈狹窄的疾病診療提供理論指導[7-11]。本研究利用個體化真實病例的影像CTA數據，使用MIMICS軟件進行三維重建獲得個體化頸動脈的初步三維模型，在此基礎上利用3-matic軟件構建不同狹窄率的頸動脈幾何模型。這種構建模型的技術可以方便、快捷、有針對性地創建目標模型。

頸動脈狹窄是由于動脈粥樣硬化引起的血管局部結構異常、腦卒中的發生。頸動脈分叉部位復雜的血流動力學特征分布如壁切應力、壁壓力、血流速度等。頸動脈血液在頸動脈狹窄區域流動時的異常現象如血流回流、低速流動、渦流等刺激血細胞的滯留、沉積，并刺激平滑肌細胞和內皮細胞，導致增值平滑肌細胞，上述因素也是導致動脈粥樣硬化的基礎[12]。頸動脈血液的流動跟血管壁的壓力密切相關，頸動脈的血流速度和供血量不足會促進該紅細胞的沉積和滯留，而壓力梯度較小會導致頸動脈血流速度變慢、供血量不足[13]。一些研究表明[7-15]，動脈硬化與血栓的形成與壁切應力密切相關，低壁切應力對近血管壁的邊界層區域血液正常的層流狀態產生破壞作用，低壁切應力導致血流出現渦流、回流，血細胞在近壁面流動時，不斷與血管內壁層內皮細胞和平滑肌細胞摩擦，促進血小板活性的增加，使血小板在損傷部位黏附聚集，從而導致血管內膜增生，血管發生重構，進而產生動脈粥樣硬化并引起血管狹窄。臨床上對頸動脈狹窄的治療可采用支架介入等方式，支架的大小、形狀、體積等設計對狹窄頸動脈的血液流場及應力變化起到調節作用。

本研究對個體化不同狹窄率的頸動脈非牛頓、層流的血流動力學仿真計算研究，比較血流速度、壓力、壁面切應力的分布特征，研究結果表明：①不同狹窄率的頸動脈在狹窄部位血流分布存在較大差異，即血流速度與頸動脈狹窄率呈正相關，狹窄中心血流速度較大，靠近壁面區域的血流速度較小，狹窄部位出現渦流并且動脈越狹窄，渦流越明顯加強；②壁面切應力隨著動脈狹窄率增大，在狹窄部位出現峰值，并且頸動脈無狹窄區域也受到影響。壁面切應力過大對血管硬化和斷裂有積極作用，頸動脈斑塊脫落的危險因素增加，缺血性卒中風險增大；③在一個心動周期內，頸動脈狹窄的壓力出現負壓現象，即產生負壓效應。負壓效應導致在頸動脈狹窄部位血細胞沉積，進而形成頸動脈粥樣硬化斑塊，進一步造成動脈狹窄。

綜上所述，本研究采用考慮血液的非牛頓效應的單相流數值模擬分析，這種建模方法雖然能夠比較準確地考察頸動脈的血流動力學指標，但是忽略了頸動脈彈性血管的影響。因此，本研究存在一定的不足，在進一步的研究中，筆者將考慮采用非牛頓流體的流固耦合分析，以提高模擬的準確性。