使用計算流體力學的方法對生物流體進行分析研究是一項重要的進展, 并且這種方法的精確性和可靠性都比較好。由于構建模型相對來說簡單, 所以目前的CFD的研究大多在主動脈、胸部、以及胸部主動脈瘤等領域。對于AD疾病的應用較少。本研究通過臨床收集DeBakeyⅢ型AD患者的CT斷層掃描圖像數據包, 重構出具有真實解剖形態的AD三維血流動力學數值模擬分析模型, 對血流動力學因素在AD發生發展過程中的作用進行初步的探討。
1 臨床資料
1.1 CT斷層圖像獲取
采集我院血管外科門診和住院患者的DeBakeyⅢ型AD斷層圖像信息。使用GE Brighspeed Elite進行掃描, 范圍包括主動脈弓上的3支分支至雙側髂動脈之間的區域, 1mm的掃描層厚, 所有斷層圖像信息以數字醫學圖像信息標準格式保存并輸出。根據夾層撕破口位置、數量以及真腔是否受壓的情況, 所入選的DeBakeyⅢ型AD幾何形態可分為以下類型:AD01單破口型夾層、AD02多破口非受壓型夾層、AD03雙破口真腔受壓型夾層、AD04多破口真腔受壓型夾層。
1.2 CT斷層圖像處理與轉化
在工作站內, 把AD的CT圖像數據導入到MIMICS v12.11中去。通過軟件進行序列的重建, 對主動脈區域進行蒙照化的操作將閾值設定為最大值3071HU, 最小值68HU, 然后在編輯蒙罩功能中去除多余的蒙罩, 保留升降主動脈, 雙側的髂動脈, 主動脈弓上3支分支動脈、以及腹腔干、腸系膜上動脈和雙腎動脈均保留起始部。
編輯處理主動脈目標區域內每個斷層序列, 重建出AD三維面網格模型。然后選用對面網格模型的表面進行平滑化處理, 從而去除面網格中那些細小的、沒有重要解剖結構的部分, 這樣就達到了對AD模型的優化處理, 減少了面網格模型總體網格的數量, 面網格的一致性將得到提高。對于那些因為局部網格的改變而產生的低質量的面網格三角, 需要我們進行人工處理進行修復 (圖1) 。
1.3 DeBakeyⅢ型AD三維模型體網格劃分
使用網格處理軟件對已經構建成的AD面網格模型進行幾何修復, 已達到網格的扭曲率<0.75, 設定網格的自由增長率為1.1～1.2, 使用自由網格劃分的方式, 對AD面網格模型進行體網格劃分 (圖2) 。在主動脈流場的近壁面區域內的網格密度要高于中央流場的密度, 這樣可以提高計算動脈血流在邊界層的精準度。
1.4 DeBakeyⅢ型AD血流動力學模型求解驗證
要獲得一個精確而可靠的求解結果, 就要首先確定計算所需要的體網格數, 達到不依賴網格數量的求解。對AD面網模型分別按照40萬、80萬、120萬、140萬、160萬、180萬的四面體單元來進行體網格的劃分。其它的將血流性質設定為牛頓液, 血液黏性系數設定為0.0035Pas, 密度為1050kg/m3, 入口血流采用最大血流速穩態加載。在高級計算流體力學分析軟件FLUENT6.3的三維流場內來進行雙精度二階求解計算。
2 結果
提取自CT斷層圖像構建的DeBakeyⅢ型AD初始面網格數量在29萬～39萬之間, 并隨著夾層形態復雜程度而增加。經過面網格優化處理, 使夾層面網格數量降至12萬水平, 可顯著減輕后續工作站求解的工作負荷。當面網格數量低于此水平時, AD三維模型將出現明顯失真的情況。對求解結果進行收斂監測, 發現當AD三維體網格模型的四面體單元數量增加至160萬水平以上時, 求解收斂曲線將不再發生明顯變化, 即達到不依賴于網格尺寸的求解。本課題求解計算最終所確定的模型體網格數量在180萬四面體單元水平 (表1) 。
3 討論
基于醫學圖像來建立CFD三維動脈模型這一技術簡便、精準, 能夠較為真實的反應相應的生理以及病理狀態下的生物流體狀況。但是此種構建方法仍有待改善的地方。
(1) 通過CTA所取得的原始模型網格數量巨大, 并且有很多的不均一的網格和“噪音”結構, 這會顯著的影響后期求解的精度。所以對其要進行平滑化和優化處理, 減少總體面網格的數量, 這樣能減輕后期的網格劃分和計算求解的負荷。雖然平滑處理是由計算機自動完成, 但是仍會有部分數據無法達到求解的要求, 過度平滑則會失去重要的解剖信息。隨意對自動修復后的有些區域仍然需要人工處理, 這也將消耗較長的時間。并有可能會降低精準度。
(2) 現階段我們對于通過CT、MRI獲取的動脈面網格模型的處理大多采用非結構化的體網格, 部分可以采用混合網格。這種處理方法的不足之處在于:要增加流場邊界區域的體網格密度需要全局加密, 但是這會增加模型的網格數量, 如果超出了計算機的硬件承載力, 將會導致計算機無法進行后期的求解。改進軟件技術, 對于主動脈的網格劃分盡可能采用結構化的網格, 是提高血流動力學模擬精準性的重要問題。
摘要：目的 探索一種方法, 可以簡便精準的構建仿真DeBakeyⅢ型血流模擬來分析三維模型。方法 采用GE Brighspeed EliteCT薄層掃描技術, 然后基于1mm層厚來獲取4種常見的典型形態的DeBakeyⅢ型主動脈夾層連續斷層DICOM格式圖像, 導入醫學圖像處理軟件Materialise MIMICS v12.11, 先界定目標區域然后生成三維的動脈模型, 再通過網格優化處理除去質量較低的以及相交面的網格, 將輸出地接過導入TGrid5.0軟件當中去, 然后對主動脈面網格模型做幾何修復處理, 使得面網格扭曲率<0.75, 然后采用非結構化四面體網格來生成DeBakeyⅢ型的主動脈夾層血流動力學分析模擬體網格模型, 對構建的模型進行血流屬性、流場邊界等的界定, 初步來驗證模型的有效性。結果 通過初步計算求解, 確定所構建的DeBakeyⅢ型主動脈模型分別包含1857030, 1820501, 1844181及18149144個四面體單元。結論 利用64層螺旋CT薄層掃描技術獲取DICOM格式連續斷層CT圖像, 可以快速、準確地構建DeBakeyⅢ型主動脈夾層血流動力學分析計算機模型, 為進一步的計算流體力學分析奠定了良好的基礎。
關鍵詞：血流動力學,主動脈夾層,主動脈,計算流體力學分析,計算機斷層掃描血管造影
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