颅内动脉瘤计算流体力学模型的构建方法
付凯亮1，王春霞（1综述），崔慧先2，任国山（2审校） 【期刊名称】河北医科大学学报 【年(卷),期】2013(034)006 【总页数】4
【关键词】【关键词】动脉瘤；傅里叶分析；综述文献 ·综 述·
颅内动脉瘤是颅内动脉壁局部异常膨出，其破裂出血是自发性蛛网膜下腔出血的主要原因，发病后可以出现较高的病死率和致残率。随着对其进行的深入研究，血流动力学机制被认为是导致动脉瘤生长乃至破裂的主要因素［1］。目前，基于计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）有限元法的数值模拟方法逐步被应用于颅内动脉瘤的血流动力学分析中，并且取得了一定的进展。随着计算机运算速度的提高和软件算法的改进，CFD模拟已成为颅内动脉瘤血流动力学研究的重要方法。现就颅内动脉瘤CFD模型的构建方法综述如下。
1 CFD模型的建立方法
其基本方法是根据颅内动脉瘤的形态，生成动脉瘤的边界，建立几何模型；利用有限元法，划分网格，建立计算模型；设定边界条件，上述结果导入CFD运算软件得出与动脉瘤内血流动力学相关的参数及其时间与空间分布。建立解剖精确的动脉几何模型是影响CFD的关键问题。动脉血管模型CFD模型的建立，常用方法有2种，一种是计算机辅助设计（computer aided design，CAD）建模，另一种是基于医学影像数据的个性化建模。
1.1 CAD软件建模：CAD软件建模是在CAD软件中建立模拟真实血管解剖结
构的二维或三维几何结构，再将生成的文件导入CFD软件进行分析。最先应用于流体力学分析的是颅内动脉瘤的理想化二维模型。符策基等［2］较早进行了颅内动脉瘤的血液动力学和破裂机制的数值模拟，认为有限元法的数值模拟对动脉瘤的介入治疗有重要意义。由于二维模型相对较简单，计算时间少，被研究得较多。但是二维模型反映不出更复杂的流场结构，如二次流等。Watton等［3］建立了三维的直筒型动脉的动脉瘤模型并模拟动脉瘤的不同生长阶段来进行流体力学分析。在国内，温功碧等［4］首先建立了颅内动脉旁瘤的三维模型并对其进行了数值模拟。
这种基于CAD软件建模方法的优点是建立结构简单的血管，如直筒型、单弯型动脉等实现起来非常简便；可简单地改变某一个或几个几何参数即可实现个体差异的血管模拟；建立的模型形态非常规则，可大大提高CFD模拟的计算效率。但是其缺点也非常突出，如一些CAD软件生成的文件与CFD软件存在接口不兼容的问题，需要进行几何模型的重新修补，降低了建模的效率；如果考虑到解剖结构的个体差异，分析特定患者的血液动力学参数，那么计算模型必须与实际血管解剖结构严格一致，计算结果才可信并且有临床意义，这对于使用CAD建模来说是极其困难的。对于复杂的血管结构进行个性化三维重建和数值模拟是十分重要的。基于医学影像的个性化建模就很好地解决了这个问题。 1.2 基于医学影像的个性化建模：近年来，计算机断层技术（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）等医学影像技术已广泛的应用于临床。已由早期的只提供二维影像发展到可以提供三维重建的影像。对于颅内动脉瘤的CFD模型也由二维模型向三维模型方向发展。基于
个性化数据的医学影像处理和三维重建一直是国内外研究人员非常关心的热点和难点。
由于计算机软、硬件的高速发展以及有限元法的应用，通过相应的处理就能够在体外对颅内动脉瘤内的血液流动进行数值模拟。2003年，Steinman等［5］利用患者的CT影像模拟了1例巨大的颈动脉动脉瘤，分析了动脉瘤的各项参数，指出了三维分析方法的实用性及对临床治疗的指导性。在国内，于红玉等［6］较早地利用患者的DSA三维影像数据建
立了颅内动脉瘤的3D几何模型，应用可视化工具和有限元分析实现了颅内动脉瘤的基于解剖真实的3D几何形体和初步的的力学形态可视化。
现在的高端CT、MRI设备的工作站可根据其二维断层影像重建出三维重建影像，但不能直接输出可被CFD软件直接利用的文件格式。Mimics、3DDOCTOR等软件可对CT、MRI断层扫描图像的进行建模，这些软件提供有限元软件的接口，通过这些接口可以将重建的三维模型输出。对于传统的DSA，其影像是二维影像，可利用Matlab软件提取其轮廓，使用Ansys软件建立其二维CFD模型。对于三维数字减影血管造影（3-dimensional digital subtraction angiography，3D-DSA），其设备可提供三维动脉重建模型和类CT重建方式的二维断层影像，对DSA生成的类CT断层影像，可利用Mimics等软件对其进行CFD建模，对于DSA生成的三维动脉模型可使用3DMAX等软件将其转换为能被CFD软件识别的标准模板库（stanlard tenplate library，STL）等格式的文件。3D-DSA由于具有使用超选择性动脉造影，靶血管造影剂浓度高、影像清晰、减影图像、无骨骼干扰、分辨率高等优点，是诊断动脉疾病的“金标准”，也是颅内动脉瘤CFD建模首选影像学资料。
颅内动脉瘤计算流体力学模型的构建方法
