本文選題：計算流體力學(xué) + 磁共振血管成像��； 參考：《復(fù)旦大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：第一部分高血壓患者腎動脈非增強與增強MRA成像的對比研究目的本研究通過與增強MRA的比較,來評價非增強MRA技術(shù)-快速穩(wěn)態(tài)進動成像('True Fast Imaging with Steady State Precession", TrueFISP)檢測可疑繼發(fā)性高血壓患者腎動脈狹窄的準確性。材料與方法1、44例懷疑腎動脈狹窄的高血壓患者(男32例,女12例),均在1.5TMR超導(dǎo)型掃描儀同時進行了增強MRA與非增強TrueFISP MRA檢查。2、所有DICOM格式圖像傳輸?shù)焦ぷ髡綱itrea和圖像處理軟件Mimics,重建非增強與增強MRA圖像,顯示容積再現(xiàn)(VR)和最大密度投影(MIP)圖像。用Mimics測量主腎動脈的體積(volume of main renal arteries, VMRA)。在工作站Vitrea計算最長可視腎動脈的長度(length of maximum visible renal artery, LMVRA)和可視腎動脈分支的數(shù)目(Number of visualized first branch vessels, NFBV),并測量了各腎動脈的狹窄程度。由兩名有心血管影像診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師共同評價了增強MRA與非增強TrueFISP MRA的圖像質(zhì)量。3、根據(jù)數(shù)據(jù)類型及分布情況,對于連續(xù)性變量應(yīng)用配對t檢驗,用于比較增強MRA與非增強TrueFISP MRA的VMRA、LMVRA和NFBV。對于定序變量應(yīng)用Wilcoxon符號秩檢驗,用于評價增強MRA與非增強TrueFISP MRA圖像質(zhì)量的差異性。結(jié)果1、所有44例患者共獲得腎血管88支。所有腎動脈均計算了VMRA、LMVRA和NFBV,三者在增強MRA與非增強TrueFISP MRA均無統(tǒng)計學(xué)差異(P值分別為0.62,0.59和0.91,均0.05)。2、對于狹窄程度評價,88支腎動脈中,增強MRA顯示26例有RAS,狹窄程度從輕度到重度；而非增強MRA僅20例顯示腎動脈有狹窄,且狹窄程度從輕度到中等程度；其中僅有6例二者顯示的狹窄程度一致,余者均增強MRA顯示的狹窄程度大于非增強MRA。3、所有腎血管的圖像質(zhì)量都達到優(yōu)或良的級別。對于近段腎動脈,非增強與增強MRA顯示無差別(P0.05)；而中段、遠段及第一分支的圖像質(zhì)量評分非增強MRA優(yōu)于增強MRA(P0.05)。結(jié)論非增強TrueFISP MRA是評價腎動脈疾病的一種可靠方法。相對于增強MRA,TrueFISP MRA可在不使用對比劑的情況下提供相同或更高質(zhì)量的腎動脈圖像。鑒于復(fù)雜的臨床情況,比如腎功能不足而又懷疑繼發(fā)性高血壓的患者,TrueFISPMRA可作為一種很好的替代方法來評價腎動脈的情況。3、所有腎血管的圖像質(zhì)量都達到優(yōu)或良的級別。對于近段腎動脈,非增強與增強MRA顯示無差別(P0.05)；而中段、遠段及第一分支的圖像質(zhì)量評分非增強MRA優(yōu)于增強MRA(P0.05)。結(jié)論非增強TrueFISP MRA是評價腎動脈疾病的一種可靠方法。相對于增強MRA,TrueFISP MRA可在不使用對比劑的情況下提供相同或更高質(zhì)量的腎動脈圖像。鑒于復(fù)雜的臨床情況,比如腎功能不足而又懷疑繼發(fā)性高血壓的患者,TrueFISPMRA可作為一種很好的替代方法來評價腎動脈的情況。第二部分基于非增強MRA的計算流體力學(xué)技術(shù)對腎動脈狹窄的血流動力學(xué)評價目的基于MR和CT圖像的計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)技術(shù),是一種定量評價患者個體化血流動力學(xué)的新方法,已經(jīng)應(yīng)用于心血管系統(tǒng)的各個方面,但尚無應(yīng)用于活體腎動脈狹窄后血流動力學(xué)研究的報道。本研究應(yīng)用基于非增強SSFP MRA的CFD技術(shù)來評價腎動脈狹窄后的腎動脈壓降、流速及流量等血流動力學(xué)改變。材料與方法1、30例單支腎動脈狹窄的高血壓患者,血壓平均值160.8±22.6mmHg;實驗室檢查沒有血清肌酐的升高和腎小球濾過率的減低。10例正常志愿者。2、所有患者和正常志愿者MR檢查采用西門子Magnetom Aera 1.5T MR超導(dǎo)型掃描儀,采用呼吸觸發(fā)非增強磁共振MRA(steady-state free precession, SSFP)技術(shù)掃描。掃描時間依賴于患者的呼吸頻率,采集時間在5-7分鐘。3、30例患者中有12例在磁共振SSFP MRA檢查前3天內(nèi)進行了多普勒超聲檢查,采用飛利浦IU22超聲檢查儀,在靜息狀態(tài)下測量狹窄腎動脈收縮期峰值流速(peak systolic velocity, PSV)。4、CFD技術(shù)利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Materialise-Mimics 14.0 (Materialise Company, Leuven, Belgium),將采集的MRA (DICOM格式)圖像轉(zhuǎn)化,重建腎動脈血管三維幾何,并以STL格式保存。然后,導(dǎo)入計算流體網(wǎng)格劃分軟件ANSYS-ICEM,生成數(shù)值模擬用的計算網(wǎng)格。采用Prism網(wǎng)格技術(shù),由血管近壁面向內(nèi)逐漸遞增生成3層Prism網(wǎng)格,第一層網(wǎng)格與壁面距離固定為0.02mm。所有患者個體化模型生成的網(wǎng)格數(shù)量范圍在2060198至3608948之間,整個重建與計算網(wǎng)格生成所需時間大約為5至10分鐘。對于血流流入與流出的方向,假設(shè)均處于研究區(qū)域血管幾何的法向。為在研究區(qū)域進口近端形成充分發(fā)展的流動,在進口向上游方向延長15倍管徑的距離,以在邊界層形成充分發(fā)展的速度剖面。為模擬外周血管的特性,在所有計算區(qū)域出口處下游法向方向延長相應(yīng)血管管徑的40倍長度,用來滿足血流壓力的衰減。進口與出口區(qū)域的延長方法僅為計算所需,與分析研究區(qū)域的流動特性無關(guān)。計算中,血管假設(shè)為無彈性剛性壁面。血流假設(shè)為不可壓縮牛頓流體,且運動為層流。血流密度設(shè)定為1060kg/m3,血液粘滯度設(shè)定為0.0035Pa.s。假設(shè)腹主動脈延長區(qū)域進口血流量為3500ml/min,雙腎保持血流恒定,左右腎動脈遠端出口沿流動方向保持零壓力梯度。上述這些邊界條件的假設(shè),都確保滿足基本線性方程的求解需要�；谟邢摅w積法的流體計算軟件ANSYS-CFX用于求解血流控制方程(納維-斯托克斯方程)。5、定性分析MRA圖像的質(zhì)量基于整個動脈的可視化情況、移動偽影和背景組織信號的抑制情況。由兩名有心血管影像診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師共同評價MRA圖像。二者均在對患者臨床資料不知情的情況下評價,并最后對每例患者的意見達成一致。腎動脈最大密度投影(MIP)圖像質(zhì)量的評價共分為5級：4級優(yōu)、3級良、2級可、1級差和0級無法評價。腎動脈的狹窄程度共分5級：Ⅰ級正常、Ⅱ級輕度、Ⅲ級中等程度、Ⅳ重度和V級閉塞。超聲測量的12例病人的收縮期峰值流速(peak systolic velocity, PSV)作為參考標準來對比CFD結(jié)果顯示的最大流速值的準確性。對于狹窄組,最大流速定義為狹窄最嚴重處的血流速度值；狹窄部分的壓降定義為從腎動脈的起始處到狹窄遠端正常處的壓力差。對于正常志愿者組,腎動脈壓降定義為從腎動脈的起始處至分叉起始處；流速測量腎動脈中段處的流速值。所有研究對象的流量均在腎動脈的遠段測量。6、CFD測量的最大流速與超聲PSV的比較采用配對t檢驗,并評價了組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。對于連續(xù)性變量(壓降、流速和流量值),應(yīng)用配對t檢驗和單因素方差分析,并與正常對照組做比較。結(jié)果1、所有30例患者和10例正常志愿者SSFP MRA圖像質(zhì)量均達到滿意,其中36例為4級,4例為3級；所有研究對象按照設(shè)定的CFD計算標準(殘差0.0001)均收斂并獲得了最后結(jié)果。2、狹窄的腎動脈總計30支,狹窄發(fā)生于左側(cè)腎動脈的15支,右側(cè)腎動脈15支。狹窄程度從2.0%至75.5%,Ⅰ級12例,2級7例,3級9例,4級2例,5級0例。3、12例同時進行了SSFP MRA和超聲檢查的患者,CFD最大流速值與超聲測得的PSV沒有差異性(P0.05),并有顯示了很高的組內(nèi)相關(guān)性,(組內(nèi)相關(guān)系數(shù)值0.955)。4、對于正常志愿者組,評價了生理學(xué)和血流動力學(xué)各指標。左腎動脈的壓降為1.80mmHg-9.24mmHg(平均值4.33±1.96mmHg);右腎動脈的壓降為1.82mmHg～8.45mmHg(平均值4.11±1.94mmHg)。左腎動脈的最大流速為0.67m/s～1.09m/s(平均值0.82±0.12m/s)；右腎動脈的最大流速為0.64m/s～1.18m/s(平均值0.80±0.16m/s)。左腎動脈的流量為541.7ml/min～814.7ml/min(平均值653.7±108.1ml/min);右側(cè)腎動脈流量為385.3ml/min-658.3ml/min(平均值546.3±108.1ml/min)。左、右側(cè)腎動脈壓降、流速和流量之間無統(tǒng)計學(xué)差異(P0.05)。5、不同狹窄程度的腎動脈壓降不同。Ⅳ級和Ⅲ級狹窄腎動脈的壓降大于Ⅱ級、Ⅰ級狹窄的患者和正常對照組(p0.001)；Ⅳ級狹窄腎動脈的壓降明顯高于Ⅲ級狹窄腎動脈的壓降。腎動脈不同程度狹窄對應(yīng)的壓降經(jīng)CFD計算后結(jié)果為：正常對照組4.22±1.90mmHg;Ⅰ級狹窄5.86±3.41mmHg; Ⅱ級狹窄14.60±6.30mmHg; Ⅲ級狹窄68.36±31.01 mmHg;Ⅵ級狹窄120.50±2.71mmHg。6、狹窄腎動脈與狹窄程度相對應(yīng)的最大流速值分別為：Ⅰ級狹窄0.94±0.23m/s,Ⅱ級狹窄1.56±0.41m/s,Ⅲ級狹窄3.43±0.98m/s,Ⅳ級狹窄4.65±0.31m/s。Ⅰ級狹窄與正常對照組間無明顯差異性(p=0.059)；Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級間有差異性(p0.01),且每級與正常對照組間均有顯著性差異(p0.001)。根據(jù)狹窄程度和最大流速的相關(guān)曲線發(fā)現(xiàn)兩處驟然變化位置,在狹窄50%時流速達2.0 m/s,在狹窄70%時流速約為4.0m/s。7、狹窄腎動脈的流量總的趨勢為血流量隨著狹窄程度的加大而流量逐漸減少。各級別狹窄對應(yīng)的平均流量值為：Ⅰ級544.4±132.8ml/min,Ⅱ級502.1±122.6ml/min,Ⅲ級299.0±122.6ml/min, Ⅳ級137.4±5.0ml/min。Ⅰ級和Ⅱ級間無明顯差異(p0.05)；Ⅲ級和Ⅳ級間無明顯差異(p0.05)；但是Ⅰ級、Ⅱ級與Ⅲ級、Ⅳ級間有明顯差異性(p0.01),即狹窄50%前后流量有明顯的不同。結(jié)論CFD技術(shù)在腎動脈狹窄的初步研究,證明了非增強MRA與CFD技術(shù)的結(jié)合可用來無創(chuàng)性地對腎動脈狹窄進行血流動力學(xué)評價。CFD提供的血流動力學(xué)信息增加了臨床對腎動脈狹窄和血流動力學(xué)改變之間關(guān)系的理解。第三部分應(yīng)用計算流體力學(xué)技術(shù)方法對高血壓腎動脈狹窄血管成形術(shù)的模擬分析目的腎動脈血管成形術(shù)后血流動力學(xué)改變和功能恢復(fù)情況仍然缺乏標準的方法來評價,臨床醫(yī)生仍然迫切需要更好的工具來評價腎動脈血管成形術(shù)后腎功能改善與否。本研究的目的是評價CFD通過分析模仿介入血管成形術(shù)后不同程度狹窄的RAS的血流動力學(xué)指標,來預(yù)測介入治療效果的能力。材料與方法1、高血壓病史20年的患者并發(fā)右腎動脈狹窄,現(xiàn)在血壓為150/95mmHg,非增強MRA成像診斷右側(cè)腎動脈直徑狹窄70%。2、利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Materialise-Mimics,將由臨床采集的MRA(DICOM格式)圖像轉(zhuǎn)化,重建患者腎動脈血管三維幾何(STL格式)保存。然后,利用另一圖像處理軟件Pro Engineer Wildfi ire,生成一組不同直徑的模擬支架,并分別與腎動脈幾何融合,生成一組新的幾何。依次將融合后的三維血管幾何導(dǎo)入計算流體網(wǎng)格劃分軟件ANSYS-ICEM生成數(shù)值模擬用計算網(wǎng)格。根據(jù)CFD技術(shù)處理原則,設(shè)定計算邊界條件以確保滿足基本線性方程的求解需要。3、重建7個不同直徑狹窄程度的模擬模型,狹窄程度從0到60%,間隔10%。包括原始的70%的狹窄,總共分析8個不同狹窄程度的幾何模型的血流動力學(xué)參數(shù)。結(jié)果1、計算了模擬不同程度狹窄的右側(cè)主腎動脈的壓降與左側(cè)正常腎動脈的壓降,右側(cè)壓降明顯高于左側(cè)。隨著狹窄程度的減低,右側(cè)主腎動脈的壓降波動性地減低。不同狹窄程度的右側(cè)主腎動脈壓降分別為：70%的狹窄為79.78mmHg,60%為59.16mmHg,50%^ 58.99 mmHg,40%;為51.99 mmHg,30%為36.08 mmHg,20%為33.62 mmHg,10%為29.37mmHg,模擬無狹窄時右腎動脈的壓降為22.12mmHg。2、根據(jù)患者長期治療后的血壓值150/95 nmHg,模擬不同直徑狹窄程度從狹窄60%到無狹窄時,相對應(yīng)的腹主動脈收縮期血壓降低百分比分別為：狹窄60%時13.7%,50%時14.7%,40%時18.0%,30%時24.3%,20%時28.0%,10%時29.2%,無狹窄時34.0%。3、腎動脈內(nèi)血流的平均流速隨著狹窄程度的減低而波動性地降低。狹窄程度為70%時的最大流速為4.65m/s。與各狹窄程度相對應(yīng)的平均流速分別為：狹窄70%時流速為3.68m/s,60%為2.84 m/s,50%為3.10 m/s,40%2.73 m/s,30%為2.09 m/s,20%為1.80 m/s,10%為1.95 m/s,無狹窄時為1.64m/s。4、隨著狹窄嚴重程度的減低,RAS側(cè)腎動脈血流量改變的總趨勢是逐漸增加的。與狹窄程度對應(yīng)的腎動脈血流量分別為：70%時流量為178.1ml/min,60%為228.2ml/min,50%為338.4 ml/min,40%為472.8 ml/min,30%為693.4 ml/min,20%為528.3 mk/min,10%為710.5 ml/min,模擬無狹窄時為722.8ml/min。結(jié)論基于非增強MRA的CFD技術(shù)通過模仿血管成形術(shù),用來無創(chuàng)性評價腎動脈狹窄修復(fù)后的血流動力學(xué)改變,顯示了其對腎動脈血管成形術(shù)和支架植入術(shù)后血流動力學(xué)改變的預(yù)測能力,有助于指導(dǎo)臨床對腎動脈狹窄介入手術(shù)的治療應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R445.2;R544.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 薛蘊菁;高培毅;林燕;;頸動脈分叉磁共振血管成像的計算流體力學(xué)研究初探[J];中國卒中雜志;2006年01期

2 徐躍平;楊金有;俞航;劉靜;洪洋;;應(yīng)用計算流體力學(xué)方法分析人體腹主動脈分叉內(nèi)血液流動[J];中國現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志;2012年08期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 楊金有;胸主動脈內(nèi)血液流動的計算流體力學(xué)方法研究[D];中國醫(yī)科大學(xué);2010年

，

本文編號：1838177