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PMC9935197
PMID:
30583311
基于计算机断层成像及逆向工程软件建立左心房憩室血流动力学有限元模型
Construction of finite element model of left atrial diverticulum based on computed tomography and reverse engineering softwares
军 文
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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军 文
林 张
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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林 张
国平 陈
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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国平 陈
庭辉 郑
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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庭辉 郑
建群 余
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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建群 余
真林 李
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China
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真林 李
礼清 彭
西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China 西南科技大学 土木工程与建筑学院 力学系（四川绵阳 621010）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, Sichuan 621010, P.R.China 四川大学 建筑与环境学院 力学系（成都 610000）, Department of Mechanics, Institute of Civil Engineering and Architecture, Sichuan University, Chengdu 610000, P.R.China 四川大学华西医院 放射科（成都 610041）, Department of Radiology, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, P.R.China
礼清 彭:
moc.621@4120gnepqL
彭礼清，Email：
moc.621@4120gnepqL
目前临床上对于 LAD 的认识并不统一，多数学者认为 LAD 是一种正常的解剖变异，在临床治疗中可以不予干预，少部分学者认为 LAD 在房颤射频消融患者需要引起重视 [ 3 - 4 ] 。研究表明 LAD 在房颤患者中发生率约 36.0%，在非房颤人群中发生率约 32.7% [ 5 ] ，差异无统计学意义，但 LAD 的壁明显薄于邻近正常心房壁 [ 5 ] 。对于存在 LAD、较大开口憩室伴异位房性早搏的区域进行消融可能会增加心房穿孔的风险 [ 5 , 6 - 7 ] 。此外，由于 LAD 的存在，局部血流状态可能与左心房腔内不同，可能会导致房颤患者微血栓形成 [ 8 - 9 ] 。血栓形成是心房颤动最常见的严重并发症，是房颤患者致残、致死的一个重要原因 [ 10 ] 。对于房颤或非房颤患者是否因 LAD 的存在而有不同微血栓的发生率，进而导致临床不良事件尚不清楚。目前，临床上也尚无可用于评价 LAD 存在与微血栓形成相关性的可行方法。近年来，计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）已越来越多地被用于心血管疾病研究 [ 11 - 14 ] 。CFD 可提供体外和在体心血管模型的血流动力学特征，包括流速、壁面剪切力（wall shear stress，WSS）及流线形态，而这些指标常常难以通过在体实验直接获得 [ 11 - 14 ] 。这些指标常常被用于预测或解释临床并发症如心血管系统血栓形成、内膜增生、血管狭窄及动脉瘤破裂位置等 [ 11 - 19 ] 。
多层螺旋计算机断层（computed tomography，CT）技术的快速发展使得无创心脏成像成为可能 [ 20 - 21 ] 。心脏 CT 成像研究发现，LAD 不仅仅表现为囊袋样结构，亦可表现为其他多种形态（如锥形、管状及不规则形），LAD 大小变异较大，长度范围为 1.7～37.6 mm，开口直径范围为 1.8～18.8 mm [ 5 , 22 ] 。
笔者假设 LAD 内的血流动力学特征与邻近左心房内不同，这种异常的血流动力学改变可能是导致微血栓的危险因素。复习文献，国内外尚无 LAD 血流动力学研究的相关报道。LAD 及左心房的结构较为复杂，对其三维有限元模型的提取非常困难，目前对于 LAD 的研究主要集中在对心脏 CT 影像数据分析其形态及位置。本研究拟采用 Geomagic Studio 12（美国 Geomagic 公司）、Mimics 15（比利时 Materialise 公司）逆向工程软件以及 ANSYS 15（美国 ANSYS 公司）有限元分析软件，探索建立 LAD 的有限元模型并进行初步分析，为今后进一步对 LAD 进行血流动力学研究奠定理论基础。
1. 资料和方法
1.1. 研究对象
纳入四川大学华西医院放射科 1 例成年男性阵发性房颤患者（56 岁）。该患者房颤射频消融治疗术前行心电门控心脏三维增强 CT。CT 图显示该患者左心房右前上壁存在一个 8 mm × 10 mm 大小的囊袋样憩室。
1.2. 仪器与方法
CT 扫描设备及参数：该患者采用二代双源 CT（dual-source CT，DSCT）进行扫描（Somatom Definition，Siemens Healthcare，德国）。心脏扫描区域（气管分叉下 2 cm 到心底）进行心电门控，采集舒张中期图像。采用头足方向扫描。扫描参数如下：准直器宽度：128 × 0.6 mm；架旋转时间：280 ms；参考管电压：100 kV；参考管电流：220 mA。开启 CAREkV 和 CAREDose4D 剂量调节技术以降低辐射剂量。通过高压注射器经肘前静脉以 5.0 mL/s 流速注入 70～80 mL 非离子型对比剂碘帕醇 370 mg/Ml（上海博莱科信谊药业有限责任公司），然后以同样流速注入 20 mL 生理盐水。感兴趣区置于升主动脉，触发扫描阈值为 100 HU。
三维模型重建软件：美国戴尔（DELL）Precision5510 移动工作站（I7-6700HQ 8G 256G）；Mimics 12.0 软件（Materialise，比利时）；Geomagic Studio 9（Raindrop Geomagic，美国）；ANSYS 14.0（ANSYS，美国）。
1.3. 方法
1.3.1. Mimics 图像处理与三角片模型提取
将 CT 扫描得到的 DICOM 格式文件导入 Mimics 中，通过动态区域增长（dynamic region growing）选择左心房以及左心耳部位阴影区域（如 图 1 所示）。然后对选中的区域进行三维（three dimensional，3D）重建（calculate 3D from mask），编辑 3D 模型，完成最后左心房以及心耳部位的模型提取（如 图 2 所示），并清晰地显示 LAD 的位置以及大小。此时将提取的模型文件保存为 STL 格式以备下一步操作。
Extracted results by Mimics software
左心房（包含憩室）CT 数据的 Mimics 提取结果
Div: diverticulum; LAA: left atrial appendage; RSPV: right superior pulmonary vein; RIPV: right inferior pulmonary vein; LSPV: left superior pulmonary vein; LIPV: left inferior pulmonary vein
Div：LAD；LAA：左心耳；RSPV：右上肺静脉；RIPV：右下肺静脉；LSPV：右上肺静脉；LIPV：左下肺静脉
1.3.2. 模型光滑处理与实体模型提取
Mimics 提取后生成三角片模型文件（STL），将其导入到 Geomagic Studio 逆向工程软件中，进而转换为实体文件，并对模型进行修复与光滑处理，转换为实体模型，处理前后如 图 3 所示。模型实体化后保存为 IGS 或 STP 格式，用于下一步有限元分析。
1.3.3. 模型边界处理
由于 LAD 血流动力学计算需要在整个左心房的环境下进行，因此对心房入口和出口进行流体力学边界设置。由于逆向工程软件提取的模型在边界上存在较多的曲面，因此需要通过 3D 软件对边界处进行切面处理与延长处理，这个过程一方面有利于流体边界条件的设置，另一方面有利于保证流体充分发展。本文通过 Pro/E 对左心房右上、右下、左上及左下肺静脉，以及主动脉出口都进行了边界处理，如 图 4 所示，结果保存为 IGS 格式。
1.3.4. 模型网格划分
将 Pro/E 处理后的 IGS 模型文件导入到 ANSYS Workbench 平台中，通过 Mesh 模块对 LAD 模型进行网格划分。由于憩室部位流场较为复杂，而且是研究的关注区域，因此在该处需要进行局部网格加密。网格划分完毕后，需要对边界进行定义，本次研究的模型包含 5 个边界，包括四个肺静脉入口以及一个心房出口，最终网格结果如 图 5 所示。
1.3.5. 血流动力学材料定义
将 Mesh 模块生成的网格模型导入至 Ansys Fluent 计算模块中进行材料定义，由于本研究考虑到血液的非牛顿特性及红细胞的影响，因此本文采用非牛顿多相流的计算模型。该模型定义基于 N-S 方程，计算中需要分别考虑每一相的质量、速度、能量，同时还需要考虑连续相与颗粒相之间的相互影响。此外，颗粒相的黏度也不是恒定的，而是由剪切率和其自身的体积分数共同决定，在时间和空间内发生变化。
每一相的连续性方程：
是密度， t 是时间， ε 是体积分数， 是速度，需要注意的是，各个相的体积分数总和须等于 1；
血浆设定为恒定黏度和恒定密度，其中黏度为 0.001 kg/（m·s），密度为 1 003 kg/m 3 ，约占 55%。红细胞黏度通过血液的混合黏度得到，其密度为 1 096 kg/m 3 ，约占 45%。此外，血液的混合密度设定为 1 045 kg/m 3 。
2. 结果
本文通过医学三维重建软件 Mimics、逆向工程软件 Geomagic Studio、三维建模软件 Pro/E 以及有限元分析软件 ANSYS 建立了正常成年人 LAD 有限元模型，并对模型进行了网格划分以及血流动力学材料定义。网格划分结果：总四面体单元数为 370 046，网格最小扭曲系数为 0.2（扭曲系数从 0～1 变化，越接近 0 说明质量越差），网格最小体积为 5.99 × 10 –9 m 3 ，结果显示本次研究所建立网格模型准确度适中，可以作为下一步 LAD 血流动力学计算的有限元模型。
3. 模型验证
为了验证有限元模型的合理性，我们采用上述方法分别建立了包含憩室以及不包含憩室的左心房三维有限元模型进行血流动力学计算，分析流场以及剪切力的结果是否在实验范围之内。计算采用基于有限体积法的 ANSYS Fluent 计算流体力学软件，其中流场计算基于压力速度耦合的 SIMPLE 算法。流动控制方程选择定场流三维不可压缩 Navier-Stokes 方程：
分别为血液的密度与黏度，血液黏度为 0.003 5 kg/（m·s），密度为 1 050 kg/m 3 。
选择心动周期内舒张期某一时刻瞬时速度，实验测得对于不包含憩室的左心房，其左上、左下、右上、右下肺静脉入口处速度分别为 0.26、0.16、0.15、0.44 m/s；对于包含憩室的左心房，其左上、左下、右上、右下肺静脉入口处速度分别为 0.32、0.14、0.25、0.41 m/s。出口边界都设定为压力出口，即出口处的速度压力变化梯度为 0。左心房与四个肺静脉血管壁及出口壁都假定为刚性无滑移壁面。计算迭代次数 1 000 次。连续性方程与动量方程的监视残差都设定为 1 × 10 –5 ，作为判定结果收敛的标准之一。
流场计算结果（见 图 6 ）表明不带有憩室的左心房内部流场相对均匀，相对于带有憩室的流场而言，流动低速区域较少，此外出口处流速二者差异不大。对于带有憩室的左心房流场，由于右上壁憩室的存在，导致该处以及右上肺静脉区域的流动较为紊乱。此外，从憩室到左心耳的部分，这一区域的低速回流区域也显著增加。就流场而言，两者计算结果都在左心房合理的流速范围之内 [ 23 ] 。
另一方面，针对上述两种模型，本文还做了壁面剪切力分析，如 图 7 所示。不带有憩室的左心房剪切力在四个入口延长端以及右前、后壁与带有憩室的心房剪切力分布较接近。然而，两者低剪切力分布区域存在一些区别：不带有憩室的左心房低剪切力区域位于左心耳区域，而带有憩室的左心房低剪切力在憩室及左心耳区域都有分布。由于低剪切力可能会导致内皮细胞功能性紊乱，细胞渗透性增大引起内膜增生，因此本文推测心耳以及憩室处都有可能出现有害物质颗粒的沉积。此外，两个模型计算得到的整体剪切力分布水平与人体合理的剪切力分布相符合 [ 24 ] 。
4. 讨论
由于血管以及血液构成的复杂性，使得心血管血流动力学研究具有很多较为特殊的地方，其中，血液本身的非牛顿特性、多相流特性、血液的脉动性、边界条件的复杂性以及心血管系统本身具有的自我调节功能导致血流动力学研究更为复杂 [ 25 ] 。单纯的临床试验与临床统计已经很难解决目前临床所面临的问题。随着计算机技术的发展以及有限元方法的提出，通过有限元方法来模拟难以实现的临床试验，以及配合临床试验来获得更全面的血流动力学数据，已经成为当前心血管医学研究的重要趋势 [ 14 , 16 - 19 , 25 - 26 ] 。
本文通过逆向工程软件以及有限元分析软件建立了 LAD 的三维有限元模型，并通过数值计算结果验证了模型的合理性。目前针对 CT 数据提取有限元模型的研究主要针对骨骼及大血管等方面，而极少讨论复杂心血管的模型提取。由于心房结构的复杂性使得模型提取的难度很大，针对心房憩室的研究主要集中在 CT 解剖研究层面，因此本研究为复杂心血管三维有限元模型提取提供了一个新的思路 [ 12 , 27 - 31 ] 。研究数值计算结果表明 LAD 与左心耳处的壁面剪切力均低于其余心房壁的剪切力水平，说明 LAD 与左心耳存在相似流体特征，可能是房颤患者血栓形成增多的风险因素 [ 10 ] 。
本文的工作也存在一定的局限性。因为心脏血流动力学的研究应包含心肌、血管、瓣膜以及血液多个部分，而本文对于左心房以及憩室的提取仅限于血液部分，并未考虑心肌和二尖瓣的提取，因此通过流-固耦合的方法提取完整的憩室模型并做相关血流动力学分析将作为未来进一步研究方向之一 [ 32 - 34 ] 。此外，血液本身构成较为复杂，除了占主要比重的血浆以及红细胞外，血小板和白细胞等其他微粒也占有一定的比重，但本文在血液模型材料定义方面仅仅设定血液由红细胞以及血浆组成 [ 35 ] 。因此，对更为全面的血液构成的研究也将在进一步的工作中实现。
综上所述，基于心脏三维 CT 图像，采用逆向工程软件建立 LAD 有限元模型是可行的，本文的工作为今后进一步对 LAD 进行血流动力学分析奠定了方法学基础。
Funding Statement
国家自然科学基金资助项目（81601462）；四川省科技厅支撑计划项目（2016FZ0107）；四川省卫生和计划生育委员会科研课题（16ZD013）；西南科技大学博士基金（15zx7151）
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Articles from
Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi = Journal of Biomedical Engineering
are provided here courtesy of
West China Hospital of Sichuan University
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