旋转手法对颈内动脉狭窄者Willis环内血流动力学影响的有限元分析

发布时间：2017-05-08 07:09

  本文关键词：旋转手法对颈内动脉狭窄者Willis环内血流动力学影响的有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的：1、Willis环是颅内重要侧支循环,但目前没有完整的包含血管和血流的Willis环三维有限元模型,对于环内血流情况的研究相对较少。本研究试用有限元方法来建立正常情况下的Wiliis环完整的三维有限元模型,分析正常情况下环内血液流变学情况。2、颈内动脉狭窄是一种常见的病理状态,与颅内缺血性疾病的发病相关。尚未有研究来探索颈内动脉狭窄时的Willis环内的血流情况。本研究拟建立右侧颈内动脉狭窄的Willis环三维有限元模型,分析颈内动脉狭窄情况下的环内血液流变学及血管应力应变,明确颈内动脉狭窄这一因素对Willis环的影响,从机制上研究颈内动脉狭窄与颅内缺血性病变的关系。3、颈椎旋转手法临床应用广泛,是治疗颈项痛眩晕等病症的常规手法之一,伴随其广泛应用也有报道其并发症,最常见的是颅内缺血疾病。旋转手法是否会影响环内血流从而导致中风等严重并发症亟待实验来证实,本研究拟采用有限元方法来模拟施加旋转手法,以探索旋转手法对健康模型及颈内动脉狭窄模型的Willis环内的血流动力学及应力应变的影响,以验证颈椎旋转手法的安全性。方法：1、通过Mimics软件,基于一个青年志愿者颅内血管的MRA图像文件,结合国人平均解剖学数据,经过编辑后生成3D图像,我们建立生理状态下的Willis环内血流的初步几何模型。通过Ansys软件的前处理模块SCDM(Space Claim Direct Modeler),在血流的初步几何模型的基础上,抽取其中轴线,赋予管径长度,建立各个血管面,顺长轴将面拉出成血管体,建立血流的三维几何模型。然后在Workbench里面的网格划分模块Meshing中进行网格划分,赋予材料属性,设置血流为不可压缩的牛顿体,建立血流的三维有限元模型。通过Ansys软件的结构处理模块DM (Design Modeler),在血流的几何模型基础上,结合平均解剖学数据,赋予各个血管壳单元厚度,将所有的壳单元相加形成一个体,建立血管的三维几何模型。并且在网格划分模块Meshing中进行网格划分,赋予材料属性,设置血管为不可压缩的线弹性体,建立血管的三维有限元模型。将血管和血流的模型合并后,建立流体固体合并一体的Willis环三维有限元模型。2、分别在流体模块及结构模块中设置边界条件,流体部分设置压力入口和质量流量出口,在三条交通动脉设置监测面；血管部分设置固定限制、血管外颅内压施加的压力,在耦合模块中设置耦合参数,进行双向作用的流固耦合的有限元分析,得到正常情况下Willis环血管应力分布、结构改变数据及血液的的流体动力学结果。3、在SCDM模块中模拟右侧颈内动脉狭窄的流体三维几何模型,颈内动脉狭窄率分别为15%、30%、45%,60%、70%、80%和90%。进行网格划分,赋予材料属性,建立颈内动脉不同程度狭窄的流体三维有限元模型。非狭窄段血管建模同步骤1类似,施加壳单元,单元厚度就是血管厚度。狭窄段的血管,也是通过在血流上施加壳单元来实现,壳单元厚度根据狭窄率的不同,分为8等分,以最狭窄处为中心,向两侧递减,所有的壳单元相加,建立不同狭窄程度下血管的三维有限元模型,两部分模型结合,建立颈内动脉不同程度狭窄的流固结合三维有限元模型。4、分别在流体模块及结构模块中设置边界条件,流体部分设置压力入口和质量流量出口,在三条交通动脉设置监测面；血管部分设置固定限制、血管外颅内压施加的压力,在耦合模块中设置耦合参数,进行双向作用的流固耦合有限元分析,得到颈内动脉不同狭窄情况下,Willis环血管应力分布、结构改变数据及血液的的流体动力学改变结果。5、通过在正常模型右侧颈内动脉远端平面上施加远端旋转位移模拟颈椎旋转手法,其余边界条件不变,再次进行有限元分析,得到生理个体上施加手法后的Willis环内血液流变学结果及血管应力分布、结构改变数据。6、在各个颈内动脉狭窄的模型右侧颈内动脉远端平面上施加远端旋转位移模拟颈椎旋转手法,其余边界条件不变,进行有限元分析,得到不同程度狭窄情况下施加手法后的Willis环内血液流变学结果及血管应力分布、结构改变数据,与未施加手法前的结果进行一一比较。结果：1、我们建立了一个生理情况下Willis环的的三维有限元模型,这个模型包含完整的Willis环组成血管及其血流,是首个同时包含血管和血流的此类模型,模型的精度也是目前可见最高的。在此基础上,我们建立了颈内动脉不同程度狭窄的Willis环三维有限元模型(狭窄率分别为15%、30%、45%,60%、70%、80%和90%)。测量发现模型内各个血管内流量质量与实际情况符合、应力分布正常,压力与血压相当。未见血管变形或者移位、流速1.2m/s也符合临床实际,通过与这些解剖学平均数据的对比,验证了模型的科学性准确性,可应用于进一步的研究计算。2、测量各个模型中,通过前交通动脉与两条后交通动脉的质量流量,包括生理状态下的模型与颈内动脉不同程度狭窄的模型。颈内动脉未狭窄之前,在前交通动脉、右侧后交通动脉、左侧后交通动脉中通过的初始血流量是0.14g/s、0.11g/s、O.10g/s,随着右侧颈内动脉狭窄率不断增加,前交通动脉和右侧有交通动脉内的血流明显增加,当狭窄率达到最高的90%时,环内血流也达到最高的2.8g/s和2.3g/s,但是在左侧后交通动脉中的增加就没有像上述两条交通动脉那么明显,狭窄率达到90%时,在监测面通过的流量质量达到0.29g/s。狭窄率达到70%时,右侧大脑前动脉的颈内动脉节段就明显缺血,此时右侧颈内动脉的血流大部分通过大脑中动脉流出,但是大脑前动脉的输出量还是能够得以维持。为了维持大脑前动脉的输出血流,3条交通动脉内的血流就维持逐渐的上升趋势。我们注意到,维持大脑前动脉的血流大部分是通过前交通动脉来输入。Willis环内血流的方式是从后循环到前循环,从左侧到右侧,也就是从相对供血充足的区域进入相对缺血区域。狭窄率达到70%后,虽然大脑前动脉的输出流量质量是可以维持的,但是却需要更长的时间,因此可以推断,实际的情况中,在单位时间内,通过大脑前动脉输出的血流量是变少的。血管环内压力无明显改变。应力应变方面,初始集中在大脑前动脉与中动脉交叉处,随着狭窄率的增加,应力基本集中在狭窄的右侧颈内动脉附近,以狭窄区域周围明显,从入口到出口其应力分布递减；即使在狭窄状态下,血管应变也极小,基本是在1e-4m级别的变化,形变最大的位置是狭窄处的近心端,当狭窄率达到70%以上的时候,可以看到其扩张,随着狭窄率的升高,其扩张也越来越明显,前后交通动脉的外形均未见明显膨胀扩张。计算初期模型不稳定时,也即是血流初始灌注时,可见到右侧颈内动脉的轻度摆动,随着血流在血管内完全充盈,整个过程中,血管均无摆动,血管无明显的位移变化。从动态视频来看,也进一步验证了上述运算过程中的流量变化和应力应变改变。3、施加了旋转手法后,血流的方向没有出现明显的改变。随着颈内动脉狭窄率的增加,各血管中通过监测平面可以看到流量质量基本上维持不变。狭窄率达到70%时,右侧大脑前动脉的颈内动脉节段缺血情况也没有改变。生理状态模型内,通过前交通动脉、右侧后交通动脉、左侧后交通动脉的流量质量分布为0.15 g/s、0.10 g/s、0.11 g/s,直到颈内动脉的狭窄率上升到80%后,交通动脉的血流才出现少量的增加,但其波动的量极小基本可以忽略不计。但是当狭窄程度达到90%后,3条交通动脉的流量质量明显变化,从2.8g/s到1.4g/s,从2.3g/s到1.2g/s,从0.29 g/s到0.21g/s。血流的方向,生理状态下,以右侧为例,右侧颈内动脉供应的血流,除了到达右侧大脑中动脉、大脑前动脉之外,还极少量通过前交通动脉到了左侧的大脑前动脉,基本忽略不计。狭窄状态下,则出现了通过前交通动脉,从左侧环向右侧环的血流。也可以发现,通过右侧的后交通动脉,血流从Willis环的后环部分到前环部分。施加手法后,出现了流量质量的改变,但方向维持不变,血流方向仍然是从正常区域流向缺血区域。压力未因为施加手法后而增加。流速与施加手法前无差异。应力应变方面,应力基本集中在狭窄的右侧颈内动脉附近,狭窄区域周围应力比未施加手法前更集中,从入口到出口其应力分布递减；即使在狭窄状态下,血管应变也极小,基本是在1e-4m级别的变化,施加手法后导致的变形基本发生在狭窄区域,其余环内血管未因为手法导致额外的形变；施加了手法后,右侧颈内动脉出现了绕着长轴的旋转,但未见矢状面或冠状面上的位移,可见施加手法后血管无明显的位移变化。观察计算过程动态视频,进一步印证了上文描述的血流分配、应力应变以及位移变化。结论：1、生理状态下,Willis环内,颈内动脉的血流通过同侧大脑前动脉和中动脉流出,前交通动脉、双侧后交通动脉内的血流量极少,无明显流动,血管中无明显应力过度集中,血流血管耦合后无明显应变,无明显位移,这些应变位移都是可以忽略不计,可见交通动脉基本处于闭合状态。2、当颈内动脉出现不同程度狭窄时,随着狭窄率的不断上升,三条交通动脉内血流均出现逐步的增加,血流的方向从左侧到右侧,从后环到前环,也就是从正常区域流向相对缺血区域。证实了交通动脉在颈内动脉狭窄患者中有重要的代偿侧支循环的作用。狭窄率达到70%的时候,大脑前动脉的颈内动脉段出现缺血,通过前交通动脉代偿能维持大脑前动脉的输血血流,但需要更长的时间才能完成,可见单位时间内,通过大脑前动脉的血流量开始出现了减少。应力应变集中在右侧颈内动脉狭窄区域,狭窄段近心端可见轻度扩张,并随着狭窄率的增加,其扩张也越变更明显,考虑到我们的模型只截取很短的一段颈内动脉,真实情况下其扩张是可以忽略不计的。血流完全充盈在血管内后,整个模型保持稳定无明显位移,无明显形状改变,前后交通动脉内无应力集中及明显膨胀等形变,除了狭窄处流速减慢,其他环内血管的流速未有明显影响。3、施加颈椎旋转手法后,在正常状态个体上,环内血液的流量质量和方向均无明显改变。随着颈内动脉狭窄程度增加,早期其流量质量也无明显改变。狭窄率达到70%的时候,大脑前动脉的颈内动脉段出现缺血,施加手法后,这个现象无明显改变,完成这个过程的时间也没有明显延长。狭窄率达到90%的模型上,则出现血流的量明显减少,尤其是前交通动脉和右侧后交通动脉的流量质量锐减近半,方向无明显改变。压力也未因为施加手法而增减,流速基本维持不变。应力集中区域与施加手法前无明显改变,都是在右侧颈内动脉狭窄区,施加手法后,除了右侧颈内动脉狭窄处之外,环内无明显的形变改变。由此可见,颈椎旋转手法对于大多数个体来说均是安全的,但对于颈内动脉重度狭窄的个体来说,手法会影响环内血流的代偿,因而可能导致颅内部分供血不足。建议对于肥胖老年等容易出现颈内动脉重度狭窄的患者,该类手法需慎用。
【关键词】：Willis环 旋转手法 颈内动脉狭窄 流固耦合 有限元
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R543.4
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 前言18-22
• 第一部分 正常Willis环三维有限元模型的建立及验证22-38
• 1. 材料与方法22-31
• 2. 结果及模型验证31-33
• 3. 讨论33-38
• 第二部分 颈内动脉狭窄对willis环影响的有限元分析38-74
• 1. 软件硬件设施38-39
• 2. 伴颈内动脉狭窄的Willis环三维有限元模型的建立39-56
• 3. 设置边界条件材料属性56-58
• 4. 运算结果58-70
• 5. 讨论70-74
• 第三部分 颈椎旋转手法对Willis环影响的有限元分析74-95
• 1. 模型基础74
• 2. 边界条件74-77
• 3. 结果77-90
• 4. 讨论90-95
• 参考文献95-101
• 综述101-112
• 参考文献108-112
• 学习期间完成论文情况112-113
• 致谢113-114

  本文关键词：旋转手法对颈内动脉狭窄者Willis环内血流动力学影响的有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：350675