肾动脉非增强MRA成像技术与CFD血流动力学分析的研究

发布时间：2018-05-03 10:42

本文选题：计算流体力学 + 磁共振血管成像　；参考：《复旦大学》2014年博士论文

【摘要】：第一部分高血压患者肾动脉非增强与增强MRA成像的对比研究目的本研究通过与增强MRA的比较,来评价非增强MRA技术-快速稳态进动成像('True Fast Imaging with Steady State Precession", TrueFISP)检测可疑继发性高血压患者肾动脉狭窄的准确性。材料与方法1、44例怀疑肾动脉狭窄的高血压患者(男32例,女12例),均在1.5TMR超导型扫描仪同时进行了增强MRA与非增强TrueFISP MRA检查。2、所有DICOM格式图像传输到工作站Vitrea和图像处理软件Mimics,重建非增强与增强MRA图像,显示容积再现(VR)和最大密度投影(MIP)图像。用Mimics测量主肾动脉的体积(volume of main renal arteries, VMRA)。在工作站Vitrea计算最长可视肾动脉的长度(length of maximum visible renal artery, LMVRA)和可视肾动脉分支的数目(Number of visualized first branch vessels, NFBV),并测量了各肾动脉的狭窄程度。由两名有心血管影像诊断经验的放射科医师共同评价了增强MRA与非增强TrueFISP MRA的图像质量。3、根据数据类型及分布情况,对于连续性变量应用配对t检验,用于比较增强MRA与非增强TrueFISP MRA的VMRA、LMVRA和NFBV。对于定序变量应用Wilcoxon符号秩检验,用于评价增强MRA与非增强TrueFISP MRA图像质量的差异性。结果1、所有44例患者共获得肾血管88支。所有肾动脉均计算了VMRA、LMVRA和NFBV,三者在增强MRA与非增强TrueFISP MRA均无统计学差异(P值分别为0.62,0.59和0.91,均0.05)。2、对于狭窄程度评价,88支肾动脉中,增强MRA显示26例有RAS,狭窄程度从轻度到重度；而非增强MRA仅20例显示肾动脉有狭窄,且狭窄程度从轻度到中等程度；其中仅有6例二者显示的狭窄程度一致,余者均增强MRA显示的狭窄程度大于非增强MRA。3、所有肾血管的图像质量都达到优或良的级别。对于近段肾动脉,非增强与增强MRA显示无差别(P0.05)；而中段、远段及第一分支的图像质量评分非增强MRA优于增强MRA(P0.05)。结论非增强TrueFISP MRA是评价肾动脉疾病的一种可靠方法。相对于增强MRA,TrueFISP MRA可在不使用对比剂的情况下提供相同或更高质量的肾动脉图像。鉴于复杂的临床情况,比如肾功能不足而又怀疑继发性高血压的患者,TrueFISPMRA可作为一种很好的替代方法来评价肾动脉的情况。3、所有肾血管的图像质量都达到优或良的级别。对于近段肾动脉,非增强与增强MRA显示无差别(P0.05)；而中段、远段及第一分支的图像质量评分非增强MRA优于增强MRA(P0.05)。结论非增强TrueFISP MRA是评价肾动脉疾病的一种可靠方法。相对于增强MRA,TrueFISP MRA可在不使用对比剂的情况下提供相同或更高质量的肾动脉图像。鉴于复杂的临床情况,比如肾功能不足而又怀疑继发性高血压的患者,TrueFISPMRA可作为一种很好的替代方法来评价肾动脉的情况。第二部分基于非增强MRA的计算流体力学技术对肾动脉狭窄的血流动力学评价目的基于MR和CT图像的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,是一种定量评价患者个体化血流动力学的新方法,已经应用于心血管系统的各个方面,但尚无应用于活体肾动脉狭窄后血流动力学研究的报道。本研究应用基于非增强SSFP MRA的CFD技术来评价肾动脉狭窄后的肾动脉压降、流速及流量等血流动力学改变。材料与方法1、30例单支肾动脉狭窄的高血压患者,血压平均值160.8±22.6mmHg;实验室检查没有血清肌酐的升高和肾小球滤过率的减低。10例正常志愿者。2、所有患者和正常志愿者MR检查采用西门子Magnetom Aera 1.5T MR超导型扫描仪,采用呼吸触发非增强磁共振MRA(steady-state free precession, SSFP)技术扫描。扫描时间依赖于患者的呼吸频率,采集时间在5-7分钟。3、30例患者中有12例在磁共振SSFP MRA检查前3天内进行了多普勒超声检查,采用飞利浦IU22超声检查仪,在静息状态下测量狭窄肾动脉收缩期峰值流速(peak systolic velocity, PSV)。4、CFD技术利用医学图像处理软件Materialise-Mimics 14.0 (Materialise Company, Leuven, Belgium),将采集的MRA (DICOM格式)图像转化,重建肾动脉血管三维几何,并以STL格式保存。然后,导入计算流体网格划分软件ANSYS-ICEM,生成数值模拟用的计算网格。采用Prism网格技术,由血管近壁面向内逐渐递增生成3层Prism网格,第一层网格与壁面距离固定为0.02mm。所有患者个体化模型生成的网格数量范围在2060198至3608948之间,整个重建与计算网格生成所需时间大约为5至10分钟。对于血流流入与流出的方向,假设均处于研究区域血管几何的法向。为在研究区域进口近端形成充分发展的流动,在进口向上游方向延长15倍管径的距离,以在边界层形成充分发展的速度剖面。为模拟外周血管的特性,在所有计算区域出口处下游法向方向延长相应血管管径的40倍长度,用来满足血流压力的衰减。进口与出口区域的延长方法仅为计算所需,与分析研究区域的流动特性无关。计算中,血管假设为无弹性刚性壁面。血流假设为不可压缩牛顿流体,且运动为层流。血流密度设定为1060kg/m3,血液粘滞度设定为0.0035Pa.s。假设腹主动脉延长区域进口血流量为3500ml/min,双肾保持血流恒定,左右肾动脉远端出口沿流动方向保持零压力梯度。上述这些边界条件的假设,都确保满足基本线性方程的求解需要。基于有限体积法的流体计算软件ANSYS-CFX用于求解血流控制方程(纳维-斯托克斯方程)。5、定性分析MRA图像的质量基于整个动脉的可视化情况、移动伪影和背景组织信号的抑制情况。由两名有心血管影像诊断经验的放射科医师共同评价MRA图像。二者均在对患者临床资料不知情的情况下评价,并最后对每例患者的意见达成一致。肾动脉最大密度投影(MIP)图像质量的评价共分为5级：4级优、3级良、2级可、1级差和0级无法评价。肾动脉的狭窄程度共分5级：Ⅰ级正常、Ⅱ级轻度、Ⅲ级中等程度、Ⅳ重度和V级闭塞。超声测量的12例病人的收缩期峰值流速(peak systolic velocity, PSV)作为参考标准来对比CFD结果显示的最大流速值的准确性。对于狭窄组,最大流速定义为狭窄最严重处的血流速度值；狭窄部分的压降定义为从肾动脉的起始处到狭窄远端正常处的压力差。对于正常志愿者组,肾动脉压降定义为从肾动脉的起始处至分叉起始处；流速测量肾动脉中段处的流速值。所有研究对象的流量均在肾动脉的远段测量。6、CFD测量的最大流速与超声PSV的比较采用配对t检验,并评价了组内相关系数。对于连续性变量(压降、流速和流量值),应用配对t检验和单因素方差分析,并与正常对照组做比较。结果1、所有30例患者和10例正常志愿者SSFP MRA图像质量均达到满意,其中36例为4级,4例为3级；所有研究对象按照设定的CFD计算标准(残差0.0001)均收敛并获得了最后结果。2、狭窄的肾动脉总计30支,狭窄发生于左侧肾动脉的15支,右侧肾动脉15支。狭窄程度从2.0%至75.5%,Ⅰ级12例,2级7例,3级9例,4级2例,5级0例。3、12例同时进行了SSFP MRA和超声检查的患者,CFD最大流速值与超声测得的PSV没有差异性(P0.05),并有显示了很高的组内相关性,(组内相关系数值0.955)。4、对于正常志愿者组,评价了生理学和血流动力学各指标。左肾动脉的压降为1.80mmHg-9.24mmHg(平均值4.33±1.96mmHg);右肾动脉的压降为1.82mmHg～8.45mmHg(平均值4.11±1.94mmHg)。左肾动脉的最大流速为0.67m/s～1.09m/s(平均值0.82±0.12m/s)；右肾动脉的最大流速为0.64m/s～1.18m/s(平均值0.80±0.16m/s)。左肾动脉的流量为541.7ml/min～814.7ml/min(平均值653.7±108.1ml/min);右侧肾动脉流量为385.3ml/min-658.3ml/min(平均值546.3±108.1ml/min)。左、右侧肾动脉压降、流速和流量之间无统计学差异(P0.05)。5、不同狭窄程度的肾动脉压降不同。Ⅳ级和Ⅲ级狭窄肾动脉的压降大于Ⅱ级、Ⅰ级狭窄的患者和正常对照组(p0.001)；Ⅳ级狭窄肾动脉的压降明显高于Ⅲ级狭窄肾动脉的压降。肾动脉不同程度狭窄对应的压降经CFD计算后结果为：正常对照组4.22±1.90mmHg;Ⅰ级狭窄5.86±3.41mmHg; Ⅱ级狭窄14.60±6.30mmHg; Ⅲ级狭窄68.36±31.01 mmHg;Ⅵ级狭窄120.50±2.71mmHg。6、狭窄肾动脉与狭窄程度相对应的最大流速值分别为：Ⅰ级狭窄0.94±0.23m/s,Ⅱ级狭窄1.56±0.41m/s,Ⅲ级狭窄3.43±0.98m/s,Ⅳ级狭窄4.65±0.31m/s。Ⅰ级狭窄与正常对照组间无明显差异性(p=0.059)；Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级间有差异性(p0.01),且每级与正常对照组间均有显著性差异(p0.001)。根据狭窄程度和最大流速的相关曲线发现两处骤然变化位置,在狭窄50%时流速达2.0 m/s,在狭窄70%时流速约为4.0m/s。7、狭窄肾动脉的流量总的趋势为血流量随着狭窄程度的加大而流量逐渐减少。各级别狭窄对应的平均流量值为：Ⅰ级544.4±132.8ml/min,Ⅱ级502.1±122.6ml/min,Ⅲ级299.0±122.6ml/min, Ⅳ级137.4±5.0ml/min。Ⅰ级和Ⅱ级间无明显差异(p0.05)；Ⅲ级和Ⅳ级间无明显差异(p0.05)；但是Ⅰ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅳ级间有明显差异性(p0.01),即狭窄50%前后流量有明显的不同。结论CFD技术在肾动脉狭窄的初步研究,证明了非增强MRA与CFD技术的结合可用来无创性地对肾动脉狭窄进行血流动力学评价。CFD提供的血流动力学信息增加了临床对肾动脉狭窄和血流动力学改变之间关系的理解。第三部分应用计算流体力学技术方法对高血压肾动脉狭窄血管成形术的模拟分析目的肾动脉血管成形术后血流动力学改变和功能恢复情况仍然缺乏标准的方法来评价,临床医生仍然迫切需要更好的工具来评价肾动脉血管成形术后肾功能改善与否。本研究的目的是评价CFD通过分析模仿介入血管成形术后不同程度狭窄的RAS的血流动力学指标,来预测介入治疗效果的能力。材料与方法1、高血压病史20年的患者并发右肾动脉狭窄,现在血压为150/95mmHg,非增强MRA成像诊断右侧肾动脉直径狭窄70%。2、利用医学图像处理软件Materialise-Mimics,将由临床采集的MRA(DICOM格式)图像转化,重建患者肾动脉血管三维几何(STL格式)保存。然后,利用另一图像处理软件Pro Engineer Wildfi ire,生成一组不同直径的模拟支架,并分别与肾动脉几何融合,生成一组新的几何。依次将融合后的三维血管几何导入计算流体网格划分软件ANSYS-ICEM生成数值模拟用计算网格。根据CFD技术处理原则,设定计算边界条件以确保满足基本线性方程的求解需要。3、重建7个不同直径狭窄程度的模拟模型,狭窄程度从0到60%,间隔10%。包括原始的70%的狭窄,总共分析8个不同狭窄程度的几何模型的血流动力学参数。结果1、计算了模拟不同程度狭窄的右侧主肾动脉的压降与左侧正常肾动脉的压降,右侧压降明显高于左侧。随着狭窄程度的减低,右侧主肾动脉的压降波动性地减低。不同狭窄程度的右侧主肾动脉压降分别为：70%的狭窄为79.78mmHg,60%为59.16mmHg,50%^ 58.99 mmHg,40%;为51.99 mmHg,30%为36.08 mmHg,20%为33.62 mmHg,10%为29.37mmHg,模拟无狭窄时右肾动脉的压降为22.12mmHg。2、根据患者长期治疗后的血压值150/95 nmHg,模拟不同直径狭窄程度从狭窄60%到无狭窄时,相对应的腹主动脉收缩期血压降低百分比分别为：狭窄60%时13.7%,50%时14.7%,40%时18.0%,30%时24.3%,20%时28.0%,10%时29.2%,无狭窄时34.0%。3、肾动脉内血流的平均流速随着狭窄程度的减低而波动性地降低。狭窄程度为70%时的最大流速为4.65m/s。与各狭窄程度相对应的平均流速分别为：狭窄70%时流速为3.68m/s,60%为2.84 m/s,50%为3.10 m/s,40%2.73 m/s,30%为2.09 m/s,20%为1.80 m/s,10%为1.95 m/s,无狭窄时为1.64m/s。4、随着狭窄严重程度的减低,RAS侧肾动脉血流量改变的总趋势是逐渐增加的。与狭窄程度对应的肾动脉血流量分别为：70%时流量为178.1ml/min,60%为228.2ml/min,50%为338.4 ml/min,40%为472.8 ml/min,30%为693.4 ml/min,20%为528.3 mk/min,10%为710.5 ml/min,模拟无狭窄时为722.8ml/min。结论基于非增强MRA的CFD技术通过模仿血管成形术,用来无创性评价肾动脉狭窄修复后的血流动力学改变,显示了其对肾动脉血管成形术和支架植入术后血流动力学改变的预测能力,有助于指导临床对肾动脉狭窄介入手术的治疗应用。
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【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R445.2;R544.1

【参考文献】