患者复杂主动脉夹层的血流动力学模拟

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概述

对于希望虚拟重现主动脉夹层疑难病例患者主动脉内血流这个目标来说,Simpleware ScanIP 是一个不可或缺的宝贵工具,它不仅能够准确地提取这些患者复杂的主动脉几何结构,而且还提供了重要的形态和功能信息,这对于建模工作流程至关重要。

亮点

  • 开发工作流程实现由非侵入性临床数据获得主动脉夹层的个性化计算流体力学(CFD)模型
  • 使用 Simpleware ScanIP 从 CT 图像中提取三个复杂研究个案患者的特定结构
  • 使用 ANSYS® CFX 完成 CFD 模拟,提供的血流动力学方面见解可以增强临床认识、支持决策过程。

介绍

主动脉夹层(AD)是一种可危及生命的血管疾病,发病率和死亡率都很高。在 AD 中,主动脉内膜层的撕裂导致血液在血管壁内流动,产生两个或更多流道,真腔(TL)和一个或多个假腔(FL)被内膜皮瓣(IF)隔开。主动脉夹层的形态高度复杂且具有患者特异性,通常由多个IF撕裂表现为曲折的FL与TL相连。这种复杂的环境产生异常的血流动力学应力(如压力和剪切应力),从而驱动疾病演变。目前,成像技术无法准确评估体内血流动力学。然而,临床图像和计算流体动力学(CFD)的结合可以提供重要的预后见解,从而支持这种危及生命疾病的临床决策过程。

工作流程说明

开发主动脉夹层 CFD 模型生成和个性化的工作流程。涉及的步骤:

  1. 利用 Simpleware ScanIP 重建患者特定主动脉的 CT 扫描几何结构
  2. 为模拟特定患者主动脉的血流动力学包络调整 CFD 模型的边界条件
  3. 在 ANSYS 软件中求解计算模型并进行结果的后处理

借助Simpleware ScanIP进行结构分割

将临床 CT 扫描的 DICOM 文件直接导入 Simpleware ScanIP 中,采用中值滤波处理,降低图像的“椒盐”噪声。对于以主动脉及其主要分支为代表的感兴趣区域,首先采用自动阈值算法(即 floodfill)分割,然后手动细化,以准确描述 IF 及其撕裂。为消除像素伪影,对生成的掩模采用平滑算法,然后通过 Simpleware ScanIP 中的自动工具垂直于脉管中心线裁剪,从而创建 CFD 模型的流入和流出边界。然后将患者特定的主动脉夹层面模型作为建立模型导入 ANSYS®软件。

图:主动脉夹层的分割:(a)CT数据的渲染;(b)平滑后的分割掩模;(c)模拟中使用的三维模型
图:对3个研究案例进行几何重构,箭头表示内膜瓣内撕裂的位置

CFD模型的设置和个性化

CFD 模型以 Windkessel 边界条件为主,其参数根据具体患者与程序涉及模拟主动脉的集总参数模型调整。利用 Simpleware ScanIP 中的中心线工具箱获取这些模型所必需的几何结构数据(即血管分段的长度和横截面积)。在 ANSYS® CFX 中求解个性化的 CFD 模型,所得结果在 ANSYS®CFD- Post 中进行后处理。

结果

通过三个复杂 AD 病例测试工作流程,并与有创血压测量结果比较,验证仿真的结果。血流动力学结果(如腔内压力、腔间流动分区、基于指数的壁剪切应力)可以提供单独使用影像学而无法获得的信息,对疾病的状态有了新的洞察。我们注意到内膜瓣远端处小的撕裂在两种腔内均诱发扰动流。此外,在靠近腹部撕裂处经常观察到跨内膜瓣的振荡压力,这可能表明真腔有动力性梗阻的风险。

图:获得3例患者的血流动力学指标。TAWSS:时间平均壁剪切应力,OSI:振荡剪切指数,RRT:相对停留时间

总结

该研究提出了一种使用通常用于 AD 监测的非侵入且往往是最小的数据集生成个性化CFD模型的新方法,展示了如何将常用的临床数据与计算建模相结合,成为增强AD临床理解的强大工具。


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