本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)手法對(duì)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄者Willis環(huán)內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)影響的有限元分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目的：1、Willis環(huán)是顱內(nèi)重要側(cè)支循環(huán),但目前沒(méi)有完整的包含血管和血流的Willis環(huán)三維有限元模型,對(duì)于環(huán)內(nèi)血流情況的研究相對(duì)較少。本研究試用有限元方法來(lái)建立正常情況下的Wiliis環(huán)完整的三維有限元模型,分析正常情況下環(huán)內(nèi)血液流變學(xué)情況。2、頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄是一種常見(jiàn)的病理狀態(tài),與顱內(nèi)缺血性疾病的發(fā)病相關(guān)。尚未有研究來(lái)探索頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄時(shí)的Willis環(huán)內(nèi)的血流情況。本研究擬建立右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄的Willis環(huán)三維有限元模型,分析頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄情況下的環(huán)內(nèi)血液流變學(xué)及血管應(yīng)力應(yīng)變,明確頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄這一因素對(duì)Willis環(huán)的影響,從機(jī)制上研究頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄與顱內(nèi)缺血性病變的關(guān)系。3、頸椎旋轉(zhuǎn)手法臨床應(yīng)用廣泛,是治療頸項(xiàng)痛眩暈等病癥的常規(guī)手法之一,伴隨其廣泛應(yīng)用也有報(bào)道其并發(fā)癥,最常見(jiàn)的是顱內(nèi)缺血疾病。旋轉(zhuǎn)手法是否會(huì)影響環(huán)內(nèi)血流從而導(dǎo)致中風(fēng)等嚴(yán)重并發(fā)癥亟待實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí),本研究擬采用有限元方法來(lái)模擬施加旋轉(zhuǎn)手法,以探索旋轉(zhuǎn)手法對(duì)健康模型及頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄模型的Willis環(huán)內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)及應(yīng)力應(yīng)變的影響,以驗(yàn)證頸椎旋轉(zhuǎn)手法的安全性。方法：1、通過(guò)Mimics軟件,基于一個(gè)青年志愿者顱內(nèi)血管的MRA圖像文件,結(jié)合國(guó)人平均解剖學(xué)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)編輯后生成3D圖像,我們建立生理狀態(tài)下的Willis環(huán)內(nèi)血流的初步幾何模型。通過(guò)Ansys軟件的前處理模塊SCDM(Space Claim Direct Modeler),在血流的初步幾何模型的基礎(chǔ)上,抽取其中軸線(xiàn),賦予管徑長(zhǎng)度,建立各個(gè)血管面,順長(zhǎng)軸將面拉出成血管體,建立血流的三維幾何模型。然后在Workbench里面的網(wǎng)格劃分模塊Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,賦予材料屬性,設(shè)置血流為不可壓縮的牛頓體,建立血流的三維有限元模型。通過(guò)Ansys軟件的結(jié)構(gòu)處理模塊DM (Design Modeler),在血流的幾何模型基礎(chǔ)上,結(jié)合平均解剖學(xué)數(shù)據(jù),賦予各個(gè)血管殼單元厚度,將所有的殼單元相加形成一個(gè)體,建立血管的三維幾何模型。并且在網(wǎng)格劃分模塊Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,賦予材料屬性,設(shè)置血管為不可壓縮的線(xiàn)彈性體,建立血管的三維有限元模型。將血管和血流的模型合并后,建立流體固體合并一體的Willis環(huán)三維有限元模型。2、分別在流體模塊及結(jié)構(gòu)模塊中設(shè)置邊界條件,流體部分設(shè)置壓力入口和質(zhì)量流量出口,在三條交通動(dòng)脈設(shè)置監(jiān)測(cè)面；血管部分設(shè)置固定限制、血管外顱內(nèi)壓施加的壓力,在耦合模塊中設(shè)置耦合參數(shù),進(jìn)行雙向作用的流固耦合的有限元分析,得到正常情況下Willis環(huán)血管應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)改變數(shù)據(jù)及血液的的流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果。3、在SCDM模塊中模擬右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄的流體三維幾何模型,頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄率分別為15%、30%、45%,60%、70%、80%和90%。進(jìn)行網(wǎng)格劃分,賦予材料屬性,建立頸內(nèi)動(dòng)脈不同程度狹窄的流體三維有限元模型。非狹窄段血管建模同步驟1類(lèi)似,施加殼單元,單元厚度就是血管厚度。狹窄段的血管,也是通過(guò)在血流上施加殼單元來(lái)實(shí)現(xiàn),殼單元厚度根據(jù)狹窄率的不同,分為8等分,以最狹窄處為中心,向兩側(cè)遞減,所有的殼單元相加,建立不同狹窄程度下血管的三維有限元模型,兩部分模型結(jié)合,建立頸內(nèi)動(dòng)脈不同程度狹窄的流固結(jié)合三維有限元模型。4、分別在流體模塊及結(jié)構(gòu)模塊中設(shè)置邊界條件,流體部分設(shè)置壓力入口和質(zhì)量流量出口,在三條交通動(dòng)脈設(shè)置監(jiān)測(cè)面；血管部分設(shè)置固定限制、血管外顱內(nèi)壓施加的壓力,在耦合模塊中設(shè)置耦合參數(shù),進(jìn)行雙向作用的流固耦合有限元分析,得到頸內(nèi)動(dòng)脈不同狹窄情況下,Willis環(huán)血管應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)改變數(shù)據(jù)及血液的的流體動(dòng)力學(xué)改變結(jié)果。5、通過(guò)在正常模型右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈遠(yuǎn)端平面上施加遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)位移模擬頸椎旋轉(zhuǎn)手法,其余邊界條件不變,再次進(jìn)行有限元分析,得到生理個(gè)體上施加手法后的Willis環(huán)內(nèi)血液流變學(xué)結(jié)果及血管應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)改變數(shù)據(jù)。6、在各個(gè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄的模型右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈遠(yuǎn)端平面上施加遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)位移模擬頸椎旋轉(zhuǎn)手法,其余邊界條件不變,進(jìn)行有限元分析,得到不同程度狹窄情況下施加手法后的Willis環(huán)內(nèi)血液流變學(xué)結(jié)果及血管應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)改變數(shù)據(jù),與未施加手法前的結(jié)果進(jìn)行一一比較。結(jié)果：1、我們建立了一個(gè)生理情況下Willis環(huán)的的三維有限元模型,這個(gè)模型包含完整的Willis環(huán)組成血管及其血流,是首個(gè)同時(shí)包含血管和血流的此類(lèi)模型,模型的精度也是目前可見(jiàn)最高的。在此基礎(chǔ)上,我們建立了頸內(nèi)動(dòng)脈不同程度狹窄的Willis環(huán)三維有限元模型(狹窄率分別為15%、30%、45%,60%、70%、80%和90%)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)模型內(nèi)各個(gè)血管內(nèi)流量質(zhì)量與實(shí)際情況符合、應(yīng)力分布正常,壓力與血壓相當(dāng)。未見(jiàn)血管變形或者移位、流速1.2m/s也符合臨床實(shí)際,通過(guò)與這些解剖學(xué)平均數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了模型的科學(xué)性準(zhǔn)確性,可應(yīng)用于進(jìn)一步的研究計(jì)算。2、測(cè)量各個(gè)模型中,通過(guò)前交通動(dòng)脈與兩條后交通動(dòng)脈的質(zhì)量流量,包括生理狀態(tài)下的模型與頸內(nèi)動(dòng)脈不同程度狹窄的模型。頸內(nèi)動(dòng)脈未狹窄之前,在前交通動(dòng)脈、右側(cè)后交通動(dòng)脈、左側(cè)后交通動(dòng)脈中通過(guò)的初始血流量是0.14g/s、0.11g/s、O.10g/s,隨著右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄率不斷增加,前交通動(dòng)脈和右側(cè)有交通動(dòng)脈內(nèi)的血流明顯增加,當(dāng)狹窄率達(dá)到最高的90%時(shí),環(huán)內(nèi)血流也達(dá)到最高的2.8g/s和2.3g/s,但是在左側(cè)后交通動(dòng)脈中的增加就沒(méi)有像上述兩條交通動(dòng)脈那么明顯,狹窄率達(dá)到90%時(shí),在監(jiān)測(cè)面通過(guò)的流量質(zhì)量達(dá)到0.29g/s。狹窄率達(dá)到70%時(shí),右側(cè)大腦前動(dòng)脈的頸內(nèi)動(dòng)脈節(jié)段就明顯缺血,此時(shí)右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈的血流大部分通過(guò)大腦中動(dòng)脈流出,但是大腦前動(dòng)脈的輸出量還是能夠得以維持。為了維持大腦前動(dòng)脈的輸出血流,3條交通動(dòng)脈內(nèi)的血流就維持逐漸的上升趨勢(shì)。我們注意到,維持大腦前動(dòng)脈的血流大部分是通過(guò)前交通動(dòng)脈來(lái)輸入。Willis環(huán)內(nèi)血流的方式是從后循環(huán)到前循環(huán),從左側(cè)到右側(cè),也就是從相對(duì)供血充足的區(qū)域進(jìn)入相對(duì)缺血區(qū)域。狹窄率達(dá)到70%后,雖然大腦前動(dòng)脈的輸出流量質(zhì)量是可以維持的,但是卻需要更長(zhǎng)的時(shí)間,因此可以推斷,實(shí)際的情況中,在單位時(shí)間內(nèi),通過(guò)大腦前動(dòng)脈輸出的血流量是變少的。血管環(huán)內(nèi)壓力無(wú)明顯改變。應(yīng)力應(yīng)變方面,初始集中在大腦前動(dòng)脈與中動(dòng)脈交叉處,隨著狹窄率的增加,應(yīng)力基本集中在狹窄的右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈附近,以狹窄區(qū)域周?chē)黠@,從入口到出口其應(yīng)力分布遞減；即使在狹窄狀態(tài)下,血管應(yīng)變也極小,基本是在1e-4m級(jí)別的變化,形變最大的位置是狹窄處的近心端,當(dāng)狹窄率達(dá)到70%以上的時(shí)候,可以看到其擴(kuò)張,隨著狹窄率的升高,其擴(kuò)張也越來(lái)越明顯,前后交通動(dòng)脈的外形均未見(jiàn)明顯膨脹擴(kuò)張。計(jì)算初期模型不穩(wěn)定時(shí),也即是血流初始灌注時(shí),可見(jiàn)到右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈的輕度擺動(dòng),隨著血流在血管內(nèi)完全充盈,整個(gè)過(guò)程中,血管均無(wú)擺動(dòng),血管無(wú)明顯的位移變化。從動(dòng)態(tài)視頻來(lái)看,也進(jìn)一步驗(yàn)證了上述運(yùn)算過(guò)程中的流量變化和應(yīng)力應(yīng)變改變。3、施加了旋轉(zhuǎn)手法后,血流的方向沒(méi)有出現(xiàn)明顯的改變。隨著頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄率的增加,各血管中通過(guò)監(jiān)測(cè)平面可以看到流量質(zhì)量基本上維持不變。狹窄率達(dá)到70%時(shí),右側(cè)大腦前動(dòng)脈的頸內(nèi)動(dòng)脈節(jié)段缺血情況也沒(méi)有改變。生理狀態(tài)模型內(nèi),通過(guò)前交通動(dòng)脈、右側(cè)后交通動(dòng)脈、左側(cè)后交通動(dòng)脈的流量質(zhì)量分布為0.15 g/s、0.10 g/s、0.11 g/s,直到頸內(nèi)動(dòng)脈的狹窄率上升到80%后,交通動(dòng)脈的血流才出現(xiàn)少量的增加,但其波動(dòng)的量極小基本可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)狹窄程度達(dá)到90%后,3條交通動(dòng)脈的流量質(zhì)量明顯變化,從2.8g/s到1.4g/s,從2.3g/s到1.2g/s,從0.29 g/s到0.21g/s。血流的方向,生理狀態(tài)下,以右側(cè)為例,右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈供應(yīng)的血流,除了到達(dá)右側(cè)大腦中動(dòng)脈、大腦前動(dòng)脈之外,還極少量通過(guò)前交通動(dòng)脈到了左側(cè)的大腦前動(dòng)脈,基本忽略不計(jì)。狹窄狀態(tài)下,則出現(xiàn)了通過(guò)前交通動(dòng)脈,從左側(cè)環(huán)向右側(cè)環(huán)的血流。也可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)右側(cè)的后交通動(dòng)脈,血流從Willis環(huán)的后環(huán)部分到前環(huán)部分。施加手法后,出現(xiàn)了流量質(zhì)量的改變,但方向維持不變,血流方向仍然是從正常區(qū)域流向缺血區(qū)域。壓力未因?yàn)槭┘邮址ê蠖黾�。流速與施加手法前無(wú)差異。應(yīng)力應(yīng)變方面,應(yīng)力基本集中在狹窄的右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈附近,狹窄區(qū)域周?chē)鷳?yīng)力比未施加手法前更集中,從入口到出口其應(yīng)力分布遞減；即使在狹窄狀態(tài)下,血管應(yīng)變也極小,基本是在1e-4m級(jí)別的變化,施加手法后導(dǎo)致的變形基本發(fā)生在狹窄區(qū)域,其余環(huán)內(nèi)血管未因?yàn)槭址▽?dǎo)致額外的形變；施加了手法后,右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈出現(xiàn)了繞著長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn),但未見(jiàn)矢狀面或冠狀面上的位移,可見(jiàn)施加手法后血管無(wú)明顯的位移變化。觀(guān)察計(jì)算過(guò)程動(dòng)態(tài)視頻,進(jìn)一步印證了上文描述的血流分配、應(yīng)力應(yīng)變以及位移變化。結(jié)論：1、生理狀態(tài)下,Willis環(huán)內(nèi),頸內(nèi)動(dòng)脈的血流通過(guò)同側(cè)大腦前動(dòng)脈和中動(dòng)脈流出,前交通動(dòng)脈、雙側(cè)后交通動(dòng)脈內(nèi)的血流量極少,無(wú)明顯流動(dòng),血管中無(wú)明顯應(yīng)力過(guò)度集中,血流血管耦合后無(wú)明顯應(yīng)變,無(wú)明顯位移,這些應(yīng)變位移都是可以忽略不計(jì),可見(jiàn)交通動(dòng)脈基本處于閉合狀態(tài)。2、當(dāng)頸內(nèi)動(dòng)脈出現(xiàn)不同程度狹窄時(shí),隨著狹窄率的不斷上升,三條交通動(dòng)脈內(nèi)血流均出現(xiàn)逐步的增加,血流的方向從左側(cè)到右側(cè),從后環(huán)到前環(huán),也就是從正常區(qū)域流向相對(duì)缺血區(qū)域。證實(shí)了交通動(dòng)脈在頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄患者中有重要的代償側(cè)支循環(huán)的作用。狹窄率達(dá)到70%的時(shí)候,大腦前動(dòng)脈的頸內(nèi)動(dòng)脈段出現(xiàn)缺血,通過(guò)前交通動(dòng)脈代償能維持大腦前動(dòng)脈的輸血血流,但需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成,可見(jiàn)單位時(shí)間內(nèi),通過(guò)大腦前動(dòng)脈的血流量開(kāi)始出現(xiàn)了減少。應(yīng)力應(yīng)變集中在右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄區(qū)域,狹窄段近心端可見(jiàn)輕度擴(kuò)張,并隨著狹窄率的增加,其擴(kuò)張也越變更明顯,考慮到我們的模型只截取很短的一段頸內(nèi)動(dòng)脈,真實(shí)情況下其擴(kuò)張是可以忽略不計(jì)的。血流完全充盈在血管內(nèi)后,整個(gè)模型保持穩(wěn)定無(wú)明顯位移,無(wú)明顯形狀改變,前后交通動(dòng)脈內(nèi)無(wú)應(yīng)力集中及明顯膨脹等形變,除了狹窄處流速減慢,其他環(huán)內(nèi)血管的流速未有明顯影響。3、施加頸椎旋轉(zhuǎn)手法后,在正常狀態(tài)個(gè)體上,環(huán)內(nèi)血液的流量質(zhì)量和方向均無(wú)明顯改變。隨著頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄程度增加,早期其流量質(zhì)量也無(wú)明顯改變。狹窄率達(dá)到70%的時(shí)候,大腦前動(dòng)脈的頸內(nèi)動(dòng)脈段出現(xiàn)缺血,施加手法后,這個(gè)現(xiàn)象無(wú)明顯改變,完成這個(gè)過(guò)程的時(shí)間也沒(méi)有明顯延長(zhǎng)。狹窄率達(dá)到90%的模型上,則出現(xiàn)血流的量明顯減少,尤其是前交通動(dòng)脈和右側(cè)后交通動(dòng)脈的流量質(zhì)量銳減近半,方向無(wú)明顯改變。壓力也未因?yàn)槭┘邮址ǘ鰷p,流速基本維持不變。應(yīng)力集中區(qū)域與施加手法前無(wú)明顯改變,都是在右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄區(qū),施加手法后,除了右側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄處之外,環(huán)內(nèi)無(wú)明顯的形變改變。由此可見(jiàn),頸椎旋轉(zhuǎn)手法對(duì)于大多數(shù)個(gè)體來(lái)說(shuō)均是安全的,但對(duì)于頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄的個(gè)體來(lái)說(shuō),手法會(huì)影響環(huán)內(nèi)血流的代償,因而可能導(dǎo)致顱內(nèi)部分供血不足。建議對(duì)于肥胖老年等容易出現(xiàn)頸內(nèi)動(dòng)脈重度狹窄的患者,該類(lèi)手法需慎用。
【關(guān)鍵詞】：Willis環(huán) 旋轉(zhuǎn)手法 頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄 流固耦合 有限元
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：R543.4
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-18
• 前言18-22
• 第一部分 正常Willis環(huán)三維有限元模型的建立及驗(yàn)證22-38
• 1. 材料與方法22-31
• 2. 結(jié)果及模型驗(yàn)證31-33
• 3. 討論33-38
• 第二部分 頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄對(duì)willis環(huán)影響的有限元分析38-74
• 1. 軟件硬件設(shè)施38-39
• 2. 伴頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄的Willis環(huán)三維有限元模型的建立39-56
• 3. 設(shè)置邊界條件材料屬性56-58
• 4. 運(yùn)算結(jié)果58-70
• 5. 討論70-74
• 第三部分 頸椎旋轉(zhuǎn)手法對(duì)Willis環(huán)影響的有限元分析74-95
• 1. 模型基礎(chǔ)74
• 2. 邊界條件74-77
• 3. 結(jié)果77-90
• 4. 討論90-95
• 參考文獻(xiàn)95-101
• 綜述101-112
• 參考文獻(xiàn)108-112
• 學(xué)習(xí)期間完成論文情況112-113
• 致謝113-114

  本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)手法對(duì)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄者Willis環(huán)內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)影響的有限元分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：350675