基於 CT 影像進行複雜主動脈剝離的患者特異性血流體力學模擬

概述

Simpleware ScanIP 是一個非常寶貴的工具，它能虛擬複製患有主動脈剝離困難病例的患者主動脈內血流，不僅使我們能夠準確地提取這些患者的複雜主動脈幾何形狀，而且還提供了重要的形態和功能資訊，對於建模工作流程至關重要。

亮點

開發工作流程實現由非侵入性臨床數據獲得主動脈夾層的個人化計算流體力學（CFD）模型。
使用 Simpleware ScanIP 從 CT 影像中提取三個複雜研究個案患者的特定結構。
使用 ANSYS CFX 完成 CFD 模擬，提供的血流動力學建議可以增強臨床認識、支援決策過程。

介紹

主動脈剝離 (AD) 是一種危及生命的血管疾病，發病率和死亡率很高，在 AD 中主動脈內膜層的撕裂導致血液在血管壁內流動，形成兩個或多個流動通道：真生理管腔 (TL) 和一個或多個假病理管腔 (FL) ，由內膜瓣 (IF) 分隔。

解剖主動脈的形態非常複雜且具有患者特異性，通常以曲折的 FL 透過多個 IF 撕裂與 TL 互連為特徵，這種複雜的環境導致異常的血流動力學力（例如壓力和剪切應力），從而推動疾病的演變。目前影像技術無法提供體內血流動力學的準確評估，然而臨床影像和計算流體動力學 (CFD) 的結合可以提供重要的預後見解，從而支持這種危及生命的疾病的臨床決策過程。

工作流程描述

開發主動脈剝離 CFD 模型的生成和個人化工作流程步驟：

1. 使用 Simpleware ScanIP 重建患者特定主動脈的 CT 掃描幾何結構
2. 為模擬特定患者主動脈的血流動力學包絡調整 CFD 模型的邊界條件
3. 使用 ANSYS 軟體求解計算模型並進行結果的後處理

使用 Simpleware ScanIP 進行結構分割

將臨床 CT 掃描的 DICOM 檔案直接匯入 Simpleware ScanIP 中，並使用中值濾波器進行處理，以減少影像的雜訊。首先使用自動閾值演算法（即洪水填充）對感興趣區域（由解剖的主動脈及其主要分支表示）進行分割，然後進行手動細化以準確描述 IF 及其撕裂。為了消除像素化偽影，對生成的遮罩應用平滑演算法，然後透過 Simpleware ScanIP 中的自動工具垂直於血管中心線進行裁剪，從而創建 CFD 模型的流入和流出邊界，然後將患者特定的解剖主動脈的表面模型匯出到 ANSYS 軟體以設定模型。

圖：主動脈剝離的分割：(a) CT 數據的渲染； (b) 平滑後的分段遮罩； (c) 模擬中使用的 3D 模型

圖：重建三個案例研究的幾何模型。箭頭表示內膜瓣撕裂的位置

CFD 模型設定與個人化

CFD 模型具有 Windkessel 邊界條件，其參數根據特定患者的情況進行調整，涉及模擬主動脈的集總參數模型。實作這些模型所需的幾何資料（即血管段的長度和橫截面積）是透過 Simpleware ScanIP 中提供的中心線工具箱獲得的。個人化 CFD 模型在 ANSYS CFX 中求解，所得的結果在 ANSYS CFD-Post 中進行後處理。

結果
這個工作流程在三個複雜的 AD 病例上進行了測試，結果成功地與有創血壓測量結果進行了比較，驗證了模擬結果。血流動力學結果（例如管腔內壓力、管腔之間的流動分配、基於壁剪切應力的指數）提供了單獨使用成像無法獲得的資訊，從而深入了解疾病狀態，值得注意的是，遠端內膜瓣中的小撕裂會造成兩個管腔內的血流紊亂。此外，經常在腹部區域撕裂附近觀察到內膜瓣上的振盪壓力，這可能表明真腔有動態阻塞的風險。