使用计算流体力学的方法对生物流体进行分析研究是一项重要的进展, 并且这种方法的精确性和可靠性都比较好。由于构建模型相对来说简单, 所以目前的CFD的研究大多在主动脉、胸部、以及胸部主动脉瘤等领域。对于AD疾病的应用较少。本研究通过临床收集DeBakeyⅢ型AD患者的CT断层扫描图像数据包, 重构出具有真实解剖形态的AD三维血流动力学数值模拟分析模型, 对血流动力学因素在AD发生发展过程中的作用进行初步的探讨。
1 临床资料
1.1 CT断层图像获取
采集我院血管外科门诊和住院患者的DeBakeyⅢ型AD断层图像信息。使用GE Brighspeed Elite进行扫描, 范围包括主动脉弓上的3支分支至双侧髂动脉之间的区域, 1mm的扫描层厚, 所有断层图像信息以数字医学图像信息标准格式保存并输出。根据夹层撕破口位置、数量以及真腔是否受压的情况, 所入选的DeBakeyⅢ型AD几何形态可分为以下类型:AD01单破口型夹层、AD02多破口非受压型夹层、AD03双破口真腔受压型夹层、AD04多破口真腔受压型夹层。
1.2 CT断层图像处理与转化
在工作站内, 把AD的CT图像数据导入到MIMICS v12.11中去。通过软件进行序列的重建, 对主动脉区域进行蒙照化的操作将阈值设定为最大值3071HU, 最小值68HU, 然后在编辑蒙罩功能中去除多余的蒙罩, 保留升降主动脉, 双侧的髂动脉, 主动脉弓上3支分支动脉、以及腹腔干、肠系膜上动脉和双肾动脉均保留起始部。
编辑处理主动脉目标区域内每个断层序列, 重建出AD三维面网格模型。然后选用对面网格模型的表面进行平滑化处理, 从而去除面网格中那些细小的、没有重要解剖结构的部分, 这样就达到了对AD模型的优化处理, 减少了面网格模型总体网格的数量, 面网格的一致性将得到提高。对于那些因为局部网格的改变而产生的低质量的面网格三角, 需要我们进行人工处理进行修复 (图1) 。
1.3 DeBakeyⅢ型AD三维模型体网格划分
使用网格处理软件对已经构建成的AD面网格模型进行几何修复, 已达到网格的扭曲率<0.75, 设定网格的自由增长率为1.1～1.2, 使用自由网格划分的方式, 对AD面网格模型进行体网格划分 (图2) 。在主动脉流场的近壁面区域内的网格密度要高于中央流场的密度, 这样可以提高计算动脉血流在边界层的精准度。
1.4 DeBakeyⅢ型AD血流动力学模型求解验证
要获得一个精确而可靠的求解结果, 就要首先确定计算所需要的体网格数, 达到不依赖网格数量的求解。对AD面网模型分别按照40万、80万、120万、140万、160万、180万的四面体单元来进行体网格的划分。其它的将血流性质设定为牛顿液, 血液黏性系数设定为0.0035Pas, 密度为1050kg/m3, 入口血流采用最大血流速稳态加载。在高级计算流体力学分析软件FLUENT6.3的三维流场内来进行双精度二阶求解计算。
2 结果
提取自CT断层图像构建的DeBakeyⅢ型AD初始面网格数量在29万～39万之间, 并随着夹层形态复杂程度而增加。经过面网格优化处理, 使夹层面网格数量降至12万水平, 可显著减轻后续工作站求解的工作负荷。当面网格数量低于此水平时, AD三维模型将出现明显失真的情况。对求解结果进行收敛监测, 发现当AD三维体网格模型的四面体单元数量增加至160万水平以上时, 求解收敛曲线将不再发生明显变化, 即达到不依赖于网格尺寸的求解。本课题求解计算最终所确定的模型体网格数量在180万四面体单元水平 (表1) 。
3 讨论
基于医学图像来建立CFD三维动脉模型这一技术简便、精准, 能够较为真实的反应相应的生理以及病理状态下的生物流体状况。但是此种构建方法仍有待改善的地方。
(1) 通过CTA所取得的原始模型网格数量巨大, 并且有很多的不均一的网格和“噪音”结构, 这会显著的影响后期求解的精度。所以对其要进行平滑化和优化处理, 减少总体面网格的数量, 这样能减轻后期的网格划分和计算求解的负荷。虽然平滑处理是由计算机自动完成, 但是仍会有部分数据无法达到求解的要求, 过度平滑则会失去重要的解剖信息。随意对自动修复后的有些区域仍然需要人工处理, 这也将消耗较长的时间。并有可能会降低精准度。
(2) 现阶段我们对于通过CT、MRI获取的动脉面网格模型的处理大多采用非结构化的体网格, 部分可以采用混合网格。这种处理方法的不足之处在于:要增加流场边界区域的体网格密度需要全局加密, 但是这会增加模型的网格数量, 如果超出了计算机的硬件承载力, 将会导致计算机无法进行后期的求解。改进软件技术, 对于主动脉的网格划分尽可能采用结构化的网格, 是提高血流动力学模拟精准性的重要问题。
摘要：目的 探索一种方法, 可以简便精准的构建仿真DeBakeyⅢ型血流模拟来分析三维模型。方法 采用GE Brighspeed EliteCT薄层扫描技术, 然后基于1mm层厚来获取4种常见的典型形态的DeBakeyⅢ型主动脉夹层连续断层DICOM格式图像, 导入医学图像处理软件Materialise MIMICS v12.11, 先界定目标区域然后生成三维的动脉模型, 再通过网格优化处理除去质量较低的以及相交面的网格, 将输出地接过导入TGrid5.0软件当中去, 然后对主动脉面网格模型做几何修复处理, 使得面网格扭曲率<0.75, 然后采用非结构化四面体网格来生成DeBakeyⅢ型的主动脉夹层血流动力学分析模拟体网格模型, 对构建的模型进行血流属性、流场边界等的界定, 初步来验证模型的有效性。结果 通过初步计算求解, 确定所构建的DeBakeyⅢ型主动脉模型分别包含1857030, 1820501, 1844181及18149144个四面体单元。结论 利用64层螺旋CT薄层扫描技术获取DICOM格式连续断层CT图像, 可以快速、准确地构建DeBakeyⅢ型主动脉夹层血流动力学分析计算机模型, 为进一步的计算流体力学分析奠定了良好的基础。
关键词：血流动力学,主动脉夹层,主动脉,计算流体力学分析,计算机断层扫描血管造影
参考文献
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