基于多孔介質的顱內動脈瘤血流導向裝置數值模擬分析

張 琪 林 強 楊海明 宿海超

牡丹江醫學院附屬紅旗醫院康復科，黑龍江牡丹江 157011

顱內動脈瘤（intracranial aneurysm，IA）是一種嚴重的血管膨脹類疾病，已經在全世界范圍內引起廣泛關注[1]。對IA的治療方式主要是介入治療、夾閉手術等[2]。血流導向裝置（flow diverter，FD）是一種全新的介入治療方法，其原理為借助載瘤動脈的FD，使動脈瘤內的血液流動狀態發生改變，進而促進動脈瘤內的血栓形成，提高動脈瘤的介入治療效果[3-5]。

多孔介質模型是一種基于計算流體力學（computation fluid dynamics，CFD）技術，利用多孔介質CFD技術可模擬動脈瘤安裝FD的血液流變，實現動脈瘤介入手術的預后效果評估。本研究基于多孔介質方法模擬FD，考察計算黏性阻力系數對動脈瘤內血流狀態的影響，為動脈瘤介入治療臨床輔助決策提供借鑒和幫助。

1 方法

1.1 數據采集

采集牡丹江醫學院附屬紅旗醫院放射科1例IA患者CTA影像數據。掃描設備為GE 128排薄層CT設備，矩陣512×512，層數200，層距0.5 mm。影像掃描過程中，患者保持靜臥，肘部注射造影劑。本研究經醫院醫學倫理委員會批準，患者知情同意并簽署同意書。

1.2 三維建模

IA影像數據為DICOM格式。應用MIMICS（Materialise公司，比利時）軟件導入動脈瘤CTA影像數據，利用閾值分割、區域增長、蒙版編輯、三維重建等算法生成動脈瘤三維模型。將動脈瘤三維模型應用逆向工程軟件Geomagic（3D System，美國）逆向為點線面體結構的幾何模型。利用Solidworks（DASSAULT SYSTEM公司，法國）對動脈瘤幾何模型進行切割，構建出FD薄片模型，FD的厚度為0.05 mm。動脈瘤瘤體、FD、載瘤血管幾何模型結構見圖1。

圖1 幾何模型結構

1.3 網格劃分

將動脈瘤及FD幾何文件導入網格劃分軟件ANSYS Meshing（ANSYS公司，美國）中，網格劃分采用四面體網格，FD與動脈瘤瘤體、載瘤血管連接處加密處理，確保FD徑向達到兩層以上。網格劃分數量達80萬以上。

1.4 計算設置

計算采用FLUENT軟件，血流動力學為流體力學在血流領域的具體應用，血流動力學本質仍是流體力學，因此血流動力學遵循流體力學的Navier-Stokes方程，多孔介質的運用則是在Navier-Stokes中加入多孔介質的動量源項目（momentum source term，MST）[6]。MST可以表示如下。

式中s為動量；μ為血液黏度；v為血流速度；ρ為血液密度；i為直角坐標系方向編號；α為計算黏性阻力系數，C2慣性阻力系數。本研究多孔介質模型FD的特異性常數值1/α為1.848 114×109，C2慣性阻力系數為1.111 28×104[5-7]。本研究為考察不同α對動脈瘤血流導向的影響，分別計算ɑ、ɑ/2、無FD三種條件下的動脈瘤流體血流分布情況。血液密度為 1060 kg/m3，黏度為 0.0035 Pa·s[7-9]，計算選用層流模型，血管壁假定為剛性壁無滑移穩態計算，觀察指標為壁切應力（wall shear stress，WSS）、壓力（pressure）、流場分布及血流速度（velocity）等[10-12]。

2 結果

2.1 動脈瘤WSS分布特征分析

圖2為無FD動脈瘤、50% ɑ和100% ɑ的動脈瘤WSS分布特征圖。FD α達到50%時，動脈瘤WSS高壁切應力分布區域較100% α小，且總體平均值低于100% α狀態下的IA分布。而無FD動脈瘤的高WSS區域面積和平均值都遠高于50% ɑ、100% α的IA。說明FD對動脈瘤的WSS有一定的降低作用，α與WSS值呈正相關。

圖2 動脈瘤WSS分布特征圖

2.2 動脈瘤壓力分布特征分析

由圖3可見，無FD的動脈瘤頂部出現高壓力區域面積、最高壓力值均比放置FD的瘤體大。而計算黏性阻力系數50%動脈瘤的瘤頂部壓力值遠低于計算黏性阻力系數100%的動脈瘤，說明計算黏性阻力系數大小與壓力分布呈正相關。

圖3 動脈瘤壓力分布圖

2.3 動脈瘤流場分析

圖4為動脈瘤流線分布圖。圖4中無FD動脈瘤血流速度流線十分紊亂，多處部位出現渦流、回流，瘤內流線數量多且高度緊貼瘤壁頂。血流自入口進入血流，在瘤頂血流速度出現下降，血液流動狀況復雜。而FD 50%α動脈瘤內的流線出現降低渦流、回流等現象，流線明顯減少。FD 100%α動脈瘤內的血流流線、渦流、回流等現象均比50%高。圖5為動脈瘤無FD、50%α、100%α的血流入射平面的血流速度分布圖，由圖可見無FD的動脈瘤內的血流速度存在高值區域，且高值區域面積較大，而FD 50%α時遠比FD 100%α時高速度區域低。因此，FD α與動脈瘤血流速度、渦流等現象呈正相關。

圖4 動脈瘤流線分布圖

圖5 血流入射平面血液速度分布

3 討論

動脈瘤FD介入治療方法在動脈瘤的治療中發揮重要的作用[11-13]。應用FD治療動脈瘤確實能夠改善動脈瘤內的血液流動狀況，但是FD的敏感度仍然需要進一步研究，預后效果也需要進行評估。研究不同的FD治療策略對動脈瘤的血流動力學有影響，有利于提高動脈瘤的介入治療針對性。

一些學者對動脈瘤的FD進行了定量分析，如有研究[14]采用支架放置技術，也有學者應用快速虛擬支架技術，利用可變性網格和簡單幾何模擬動脈瘤的栓塞手術[15]。上述研究方法各有利弊，或者方法偏差較大，或者材料屬性考慮不足，或者對彎曲血管針對性不足。本研究通過多孔介質模型α對動脈瘤內的血液流動的影響。α、計算慣性阻力系數這兩個多孔介質動量源參數與動脈瘤FD的預后效果有著緊密聯系。因此，本研究利用多孔介質模型開展動脈瘤FD的預后效果評估，可以幫助醫生在治療動脈瘤栓塞等介入手術的輔助決策，為醫生提供預測評估的方法。

動脈瘤FD可通過調整α、計算慣性阻力系數來調整、改變動脈瘤體內的血流速度、壁切應力、壁壓力等。雖然動脈瘤FD能夠在一定程度上閉合動脈瘤的血液流動，但也無法避免并發癥如分支閉塞、組織缺血等發生[15-17]。本研究結果證實α增加，則導致瘤體內的血流狀態趨于復雜，WSS的分布特征是動脈瘤破裂、內皮細胞的病理機制變化的重要因素。

本研究應用計算流體力學方法，運用多孔介質FD來模擬動脈瘤血流導向的血流動力學分布特征，一方面分析了FD的α對瘤內的血流分布的影響，另一方面，為臨床醫生FD介入手術提供輔助決策依據。利用多孔介質、單相流、剛性壁、牛頓流體的計算模式數值模擬動脈瘤血流分布，這種方法存在一定的不足之處，未考慮血液的壁黏彈性特點和非牛頓效應。在后續的研究中，本研究將進一步采用雙向流固耦合、非牛頓流體來對比FD的多孔介質求解方法的差異，彌補本算法的不足。