數(shù)值模擬仿真方法在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架研究中的應(yīng)用

郝鳳陽，孫璐，蘇健

北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院 （北京 101111）

顱內(nèi)血管類疾病是嚴(yán)重威脅人類生命健康的主要疾病之一，發(fā)病率逐年提高，已成為世界神經(jīng)外科學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。顱內(nèi)動(dòng)脈瘤是指顱內(nèi)動(dòng)脈壁局部外突形成的動(dòng)脈瘤，作為顱內(nèi)血管類疾病中常見的類型，其發(fā)病率僅次于顱內(nèi)血栓與高血壓出血，其破裂會(huì)引發(fā)蛛網(wǎng)膜下腔出血，具有較高的致殘率和致死率[1-4]。顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架介入治療是一種重要的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤介入治療方式，其在血管內(nèi)造影輔助下，通過微導(dǎo)管將編織型密網(wǎng)支架置于動(dòng)脈瘤病變處，以改善流體力學(xué)環(huán)境，阻止血流沖擊動(dòng)脈瘤，避免開顱手術(shù)對人體造成的巨大損傷。顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的研發(fā)過程中，會(huì)通過體外試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)評價(jià)產(chǎn)品的安全性和有效性，然而試驗(yàn)中很難測量應(yīng)力分布、支架植入后的血管壁壓力、壁面切應(yīng)力等重要參數(shù)，數(shù)值模擬仿真方法可有效解決該問題，且數(shù)值模擬仿真方法便捷、高效，有助于提升體外試驗(yàn)的效率，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

1 顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架簡介

顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架是目前市場較為常見的用于介入治療顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流導(dǎo)向裝置，由極細(xì)的金屬支架絲交叉螺旋編織而成。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在承受徑向載荷時(shí)，具有較大的軸向變形。支架絲之間的接觸與相互滑動(dòng)使編織型支架具有良好的柔順性，便于體內(nèi)輸送時(shí)通過迂曲復(fù)雜的血管部位，并便于醫(yī)師操作。血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的密網(wǎng)型結(jié)構(gòu)使其具有更高的金屬覆蓋率和高密度網(wǎng)孔覆蓋率，可緊密貼合病變部位，改變流體狀態(tài)，有效減少血流對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的沖擊，并阻滯動(dòng)脈瘤中的血流，促進(jìn)動(dòng)脈瘤內(nèi)血栓形成，以達(dá)到閉塞動(dòng)脈瘤的效果。

顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架主要由鎳鈦合金、鈷鉻合金、鈷鎳鉻鉬合金等材料構(gòu)成，具有生物相容性好、高強(qiáng)度和高彈性、成形性良好及抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 數(shù)值模擬仿真方法簡介

數(shù)值模擬仿真方法是一種通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際系統(tǒng)和過程的方法，以便探析研究對象的行為和性能。它是一種基于數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)算法的計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，數(shù)值模擬仿真方法是設(shè)計(jì)、研發(fā)過程中的一種重要分析手段。常用方法如下。（1）有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）方法：這是一種廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬仿真方法，可用于模擬醫(yī)療器械的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、電磁性能，以及與人體組織相互作用的生物力學(xué)情況，如人工關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布、血管支架力學(xué)性能等。（2）計(jì)算流體力學(xué)分析（computational fluid dynamics，CFD）方法：這是一種用于模擬流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬仿真方法。在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中，主要用于模擬液體或氣體在器械內(nèi)流動(dòng)和傳熱的過程，如血液在人體血管中的流動(dòng)、氧氣在呼吸器具中的輸送等。（3）多體動(dòng)力學(xué)分析（multibody dynamics，MD）方法：這是一種用于模擬多個(gè)物體之間相互作用的數(shù)值模擬仿真方法。在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中，可用于模擬人體組織之間的相互作用，如關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、心臟收縮過程等。（4）流固耦合分析（fluid-structure interaction analysis，F(xiàn)SI）方法：可模擬液體與固體之間的相互作用和耦合效應(yīng)。在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中，可用于模擬人體內(nèi)部體液與器械之間的相互作用，以及器械本身的流動(dòng)和變形情況，如血管支架植入后在血管和血流綜合作用下的應(yīng)力和變形情況，人工心臟瓣膜植入后的運(yùn)動(dòng)和變形情況等。

數(shù)值模擬仿真過程主要包括以下步驟。（1）建立數(shù)學(xué)模型：基于對實(shí)際問題的分析和理解建立數(shù)學(xué)方程或模型，描述問題的行為和性能。（2）離散化：將連續(xù)的物理體系或現(xiàn)象離散化為有限的單元或網(wǎng)格，以便在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。（3）選擇數(shù)值方法：根據(jù)數(shù)學(xué)模型和離散化后的問題，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法求解數(shù)學(xué)模型，如有限元分析法、有限差分方法、有限體積法等。（4）數(shù)值計(jì)算：利用計(jì)算機(jī)對離散化后的問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過迭代、插值等數(shù)值方法求解數(shù)學(xué)模型，得到數(shù)值解。（5）驗(yàn)證：驗(yàn)證數(shù)值解的準(zhǔn)確性和精度，如對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)或其他已知結(jié)果。

3 數(shù)值模擬仿真方法在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬仿真方法貫穿于顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的設(shè)計(jì)研發(fā)、手術(shù)模擬和術(shù)后評估各個(gè)階段。

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段

在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的設(shè)計(jì)階段，數(shù)值模擬仿真方法有助于設(shè)計(jì)工程師評估不同支架材料和設(shè)計(jì)的力學(xué)性能。可通過有限元分析方法模擬顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架在血管內(nèi)的應(yīng)力分布情況，以及支架在輸送、展開和收縮等階段的力學(xué)行為；還可進(jìn)行一系列顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的分析選型，選取最差情況進(jìn)行體外試驗(yàn)，以提升體外試驗(yàn)的效率，并降低試驗(yàn)成本。可利用計(jì)算流體力學(xué)分析方法，研究顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的形狀、構(gòu)型、金屬覆蓋率等參數(shù)對血流分布和凝血效果的影響。這些仿真結(jié)果有助于設(shè)計(jì)工程師改進(jìn)支架設(shè)計(jì)，提高支架的力學(xué)性能和生物相容性。

3.2 手術(shù)模擬階段

在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的植入過程中，數(shù)值模擬仿真方法有助于醫(yī)師評估支架的適應(yīng)性和風(fēng)險(xiǎn)性。通過CT 或MRI 獲得醫(yī)學(xué)影像學(xué)資料，逆向構(gòu)建患者的特異性病變血管模型，再通過計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的展開情況、位置和形態(tài)，以及支架對血管壁的應(yīng)力分布情況。這些仿真結(jié)果有助于醫(yī)師選擇最佳支架類型并確定最佳植入位置，從而提高手術(shù)成功率和安全性。

3.3 術(shù)后評估階段

在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架植入后，數(shù)值模擬仿真方法有助于醫(yī)師評估支架的效果和血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。通過計(jì)算機(jī)模擬顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架植入前后的血流變化，預(yù)測支架植入后能否有效減小血流對動(dòng)脈瘤的沖擊，并評估顱內(nèi)動(dòng)脈瘤內(nèi)凝血的效果；還可預(yù)測血流動(dòng)力學(xué)異常和載瘤動(dòng)脈部位血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)，有助于醫(yī)師評估治療效果，并指導(dǎo)醫(yī)師進(jìn)行后續(xù)治療操作；還可采用流固耦合模擬分析方法，分析血流和血管壁與支架的相互作用影響，分析支架植入后動(dòng)脈壁應(yīng)力的變化情況，幫助醫(yī)師預(yù)測并發(fā)癥，提高治療的有效性和安全性。

4 數(shù)值模擬仿真方法在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架方面的研究進(jìn)展

Taylor等[5]率先采用有限元分析方法模擬血流，指出可采用該方法求解傳統(tǒng)試驗(yàn)方法難以獲得的血流參數(shù)，提出模擬計(jì)算的基本步驟。Steinman 等[6]基于患者影像學(xué)資料進(jìn)行個(gè)體化建模，研究影響動(dòng)脈瘤發(fā)展和破裂的因素。Xiang 等[7]開發(fā)了高保真虛擬支架技術(shù)，并與計(jì)算流體力學(xué)方法相結(jié)合，應(yīng)用于第一款顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架（Pipeline 支架）植入人體后的血流動(dòng)力學(xué)研究。近年來，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬仿真方法對顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架進(jìn)行研究，主要包括以下方面。

4.1 方法學(xué)研究

探索采用不同數(shù)值模擬仿真方法和新模擬仿真技術(shù)進(jìn)行顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的研究。Yun 等[8]開發(fā)了模擬顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架植入患者特異性動(dòng)脈瘤模型的有限元建模工作流程，綜合考慮了支架植入后的動(dòng)脈瘤變形情況。Zaccaria 等[9]構(gòu)建了編織支架設(shè)計(jì)的分析方法，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其可靠性。張琪等[10]應(yīng)用多孔介質(zhì)技術(shù)模擬計(jì)算黏性阻力系數(shù)對顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的血流分布特征的影響，證明動(dòng)脈瘤介入術(shù)中可通過調(diào)整動(dòng)脈瘤血流導(dǎo)向裝置的計(jì)算黏性系數(shù)調(diào)整血流狀態(tài)。陳端端等[11]基于Simplex mesh 虛擬支架技術(shù)構(gòu)建顱內(nèi)動(dòng)脈瘤虛擬支架模擬方法，用于模擬支架植入病變部位的使用過程，并獲得了發(fā)明專利。Abdehkakha 等[12]將經(jīng)典多孔介質(zhì)分析方法修正為非均勻多孔介質(zhì)分析新方法，優(yōu)化了血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架植入后的計(jì)算流體力學(xué)分析方法，提高了仿真的精確度和速度。

4.2 器械研發(fā)及性能方面的研究

通過數(shù)值模擬仿真方法研究結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、工藝等對顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架性能的影響。Fu 等[13]通過有限元分析方法研究了編織支架幾何參數(shù)對編織支架柔韌性的影響，發(fā)現(xiàn)編織絲直徑、數(shù)量和編織角度對編織支架彎曲特性的影響較大，軸向長度和公稱直徑對編織支架彎曲特性的影響較小。該團(tuán)隊(duì)還通過有限元分析方法研究了編織支架的幾何參數(shù)對徑向壓縮和彎曲性能的影響，指出與常用顱內(nèi)支架相比，幾何參數(shù)接近Pipeline 血流導(dǎo)向裝置支架的編織支架徑向剛度更小，但縱向靈活性更大[14]。Mckenna 和Vaughan 等[15]通過有限元分析方法研究編織角度和覆膜厚度對編織支架徑向力和彎曲變形的影響，驗(yàn)證了編織角度是決定金屬編織裸支架和覆膜金屬編織支架徑向和彎曲性能的關(guān)鍵控制參數(shù)，在金屬編織支架上添加聚合物覆膜，會(huì)導(dǎo)致支架所有編織角度的徑向剛度更大。Sun 等[16]設(shè)計(jì)了一種新的局部狹窄的血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架，并通過計(jì)算流體力學(xué)分析方法驗(yàn)證了其有效性。

4.3 治療方案的研究

通過數(shù)值模擬仿真方法驗(yàn)證不同治療方案的治療效果和可能出現(xiàn)的問題。術(shù)前進(jìn)行充分評估，以規(guī)避可能出現(xiàn)的問題和不良反應(yīng)，提高手術(shù)的安全性和有效性。付文宇等[17]通過對顱內(nèi)分叉動(dòng)脈瘤模型及植入顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的分叉動(dòng)脈瘤模型進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析，指出密網(wǎng)支架可降低顱內(nèi)分叉動(dòng)脈瘤腔內(nèi)的血流速度，但需特別關(guān)注密網(wǎng)支架和載瘤動(dòng)脈局部貼合不良問題，其可能導(dǎo)致載瘤動(dòng)脈狹窄。任偉等[18]術(shù)前通過計(jì)算流體力學(xué)分析方法進(jìn)行模擬分析，采用最佳手術(shù)方案，提升血流動(dòng)力學(xué)在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架治療椎基底動(dòng)脈夾層動(dòng)脈瘤中的有效性和安全性。

4.4 支架植入作用機(jī)理及作用效果的研究

通過數(shù)值模擬仿真方法研究顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的作用機(jī)理，并分析其適應(yīng)證和作用效果。Damiano 等[19]基于計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行了彈簧圈和顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架研究，表明顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的主要作用是改變血流走向，而彈簧圈的主要作用是在動(dòng)脈瘤中產(chǎn)生血液滯留，同時(shí)顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架重疊會(huì)降低動(dòng)脈瘤中血流的流入速率、平均速度和平均壁面切應(yīng)力。高卉等[20]通過多孔介質(zhì)模型模擬顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架栓塞顱內(nèi)分叉動(dòng)脈瘤的過程，分析比較不同分支血管直徑條件下顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架植入前后動(dòng)脈瘤瘤體與分支血管血液的流暢情況，指出分支血管直徑越大，顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架對動(dòng)脈瘤的栓塞治療效果與對血管粥樣硬化的改善作用越差，越易導(dǎo)致分支閉塞或其他缺血性并發(fā)癥。

4.5 手術(shù)前后動(dòng)脈瘤血流動(dòng)力學(xué)變化的研究

通過數(shù)值模擬仿真方法對比分析術(shù)前和植入顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架術(shù)后的血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境，對支架植入后的有效性進(jìn)行綜合評估，并分析其術(shù)后血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，評估術(shù)后復(fù)發(fā)及并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。Tang 等[21]研究了分叉處動(dòng)脈瘤在植入顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架后的血流動(dòng)力學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)側(cè)支血管較大的動(dòng)脈瘤治療后可能存在更大風(fēng)險(xiǎn)。姚韻楚等[22]采用可變形網(wǎng)格的虛擬支架快速模擬仿真算法，模擬支架展開并得到展開后的支架位置與形態(tài)結(jié)構(gòu)，再結(jié)合血流動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，比較術(shù)前、術(shù)后可量化的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。

5 結(jié)論

數(shù)值模擬仿真方法作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)方法，在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的研究和發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。采用數(shù)值模擬仿真方法可極大提高產(chǎn)品研發(fā)效率，也可從產(chǎn)品性能、生物力學(xué)作用影響、手術(shù)開展方式等方面得出科學(xué)、全面的結(jié)論。在顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架新產(chǎn)品的開發(fā)、驗(yàn)證過程中，可作為除體外試驗(yàn)和臨床試驗(yàn)外的又一有力工具，補(bǔ)充試驗(yàn)無法研究的部分，綜合試驗(yàn)和仿真的結(jié)果對產(chǎn)品做出更全面的評價(jià)，還能為顱內(nèi)血流導(dǎo)向密網(wǎng)支架的臨床應(yīng)用提供更多技術(shù)支持。