賀嘉嘉 陳 鵬 周廣全▲

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，廣東 廣州 510407；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)，廣東 廣州 510405

主動(dòng)脈弓平右第2胸肋關(guān)節(jié)后方接升主動(dòng)脈，呈弓形向左后行至脊椎左側(cè)第4胸椎下緣續(xù)為胸主動(dòng)脈。弓的上緣平胸骨柄中部或稍上方，下緣平胸骨角。主動(dòng)脈弓部疾病主要是主動(dòng)脈弓上血管狹窄和主動(dòng)脈弓粥樣硬化，這兩種病變均可通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)的變化引起腦缺血的癥狀，從而導(dǎo)致缺血性腦卒中。腦卒中是造成人類死亡的三大疾病之一，對(duì)患者的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]。因此，深入了解主動(dòng)脈弓血管的血流動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)研究主動(dòng)脈弓疾病引起缺血性腦卒中的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體動(dòng)力學(xué)仿真研究的發(fā)展，以及三維重建技術(shù)和逆向工程技術(shù)的進(jìn)一步推廣，使得無(wú)創(chuàng)性主動(dòng)脈弓的流體動(dòng)力學(xué)研究成為可能[2-3]。本研究旨在通過(guò)Mimics 14.1交互式圖像控制系統(tǒng)和大型有限元分析軟件ANSYS Fluent軟件建立主動(dòng)脈弓的計(jì)算流體力學(xué)模型，模擬血液的流體運(yùn)動(dòng)，為科研的、合理的數(shù)字化主動(dòng)脈弓疾病研究提供一個(gè)虛擬的執(zhí)行平臺(tái)，為主動(dòng)脈弓疾病的診斷提供一種臨床預(yù)警輔助診斷手段。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)用逆向工程等技術(shù)建立主動(dòng)脈弓計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。

1.2 主要軟件及設(shè)備

影像資料獲取通過(guò)廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院提供的Philips MR system Achieva 1.5T實(shí)現(xiàn)；三維重建利用廣州中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)骨傷科實(shí)驗(yàn)室提供的Mimics 14.1交互式圖像控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；流體動(dòng)力學(xué)分析通過(guò)ANSYS Fluent實(shí)現(xiàn)。

1.3 對(duì)象和圖像獲取

受試者為健康志愿者，男性，30歲，無(wú)心臟病、高血壓、糖尿病和心血管疾病病史。對(duì)患者胸部進(jìn)行MRI斷層掃描，共300層，層厚為 0.5 mm，每層為1024×1024像素，保存為DICOM格式文件。

1.4 方法

主動(dòng)脈弓三維重建和實(shí)體化：將所得MRI圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics 14.1中。通過(guò)閾值分析、空洞修補(bǔ)等功能，重建出主動(dòng)脈弓三維模型（圖1），基于主動(dòng)脈弓三維模型，利用Mimics的“Fit Centerline”可計(jì)算獲得主動(dòng)脈弓的中心線，從而充分了解主動(dòng)脈弓的解剖特性；然后把STL格式的主動(dòng)脈弓文件導(dǎo)到入RapidForm XOR3逆向工程軟件，通過(guò)“Mesh”、“Smooth”和“Auto Surfacing”等功能對(duì)主動(dòng)脈弓進(jìn)行曲面擬合生成實(shí)體模型（圖2）；最后，把實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS Fluent流體力學(xué)分析軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，生成滿足研究需要的主動(dòng)脈弓流體力學(xué)模型。

邊界設(shè)定和材料參數(shù)設(shè)置：按照人體心臟正常舒張狀態(tài)下血液流動(dòng)性質(zhì)設(shè)定血液入口與出口（圖3），然后確定流體介質(zhì)為血液，血液密度為 ρ＝1.06×103kg/m3[4-5]，最后求解計(jì)算。

2 結(jié)果

交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)Mimics 14.1對(duì)基于主動(dòng)脈弓MRI數(shù)據(jù)重建的三維模型立體直觀，三維效果逼真，清晰反映了主動(dòng)脈弓的形態(tài)；通過(guò)測(cè)量功能可測(cè)量任意血管彎曲程度、長(zhǎng)度及內(nèi)徑，并可通過(guò)系統(tǒng)的手術(shù)模擬功能進(jìn)行三維可視化手術(shù)操作，可重復(fù)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單易學(xué)。在此基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合有限元技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)建立主動(dòng)脈弓計(jì)算流體力學(xué)模型，通過(guò)血流出入口的設(shè)置，確定血液的流動(dòng)方向并賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，計(jì)算獲得主動(dòng)脈弓內(nèi)血液流速分布（圖 4）。

3 討論

計(jì)算流體力學(xué)是多種領(lǐng)域的交叉學(xué)科，它涉及流體力學(xué)、數(shù)學(xué)理論、數(shù)值分析和三維有限元技術(shù)。隨著計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，心血管研究人員逐漸利用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)解決臨床實(shí)際問(wèn)題。利用三維重建技術(shù)建立主動(dòng)脈弓的三維模型，為臨床醫(yī)生直觀地理解主動(dòng)脈弓的完整形態(tài)具有重要意義，也為臨床醫(yī)生實(shí)施術(shù)前規(guī)劃和個(gè)性化手術(shù)路徑設(shè)計(jì)提供執(zhí)行平臺(tái)[6]；而利用計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)分析主動(dòng)脈弓的血流動(dòng)力學(xué)特性，為醫(yī)生臨床診療提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于提高主動(dòng)脈弓病變引發(fā)腦卒中診治的準(zhǔn)確度。

主動(dòng)脈弓是以心臟為中心的力學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，主動(dòng)脈弓內(nèi)血液流動(dòng)、血管變形、血液和血管的相互作用，無(wú)不受著力學(xué)因素的影響，因此，力學(xué)因素的改變對(duì)主動(dòng)脈弓血管重建及由此引起的相關(guān)疾病起到至關(guān)重要的作用。所以，本研究基于影像學(xué)、解剖學(xué)、血流動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論，結(jié)合三維重建技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)、有限元分析方法，從計(jì)算力學(xué)角度模擬主動(dòng)脈弓血流運(yùn)動(dòng)，分析血管內(nèi)血流力學(xué)特性，為進(jìn)一步闡明主動(dòng)脈弓疾病引起缺血性腦卒中的發(fā)病機(jī)制提供新的計(jì)算力學(xué)方法，也為主動(dòng)脈弓疾病的虛擬手術(shù)模擬創(chuàng)造條件，還可以為主動(dòng)脈弓疾病的診斷提供一種臨床預(yù)警輔助診斷手段。

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