基于DSA和CTA影像的冠状动脉血流动力学仿真分析

摘要

心血管疾病是全球的头号死因。据估计，2008年约有1730万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的30％。在我国，心血管疾病的死亡顺位排名第一，且死亡率高于欧美国家4-5倍，严重危害患者的生命和健康，给患者及其家庭和社会带来沉重的医疗、经济和社会负担。
　　数字减影血管造影术(Digital subtraction angiography, DSA)和计算机断层扫描造影术(Computed tomography angiography, CTA)在心血管疾病的早期筛查、临床诊断、术前预测和术后评估等方面正发挥重要作用。然而，目前DSA和CTA仅能提供血管的结构信息（如狭窄、膨胀、堵塞等），无法提供定量化的血管功能信息（如血流速度、压力和剪切应力等）。
　　基于DSA和CTA影像，本文分别提出了一种血流动力学的模拟仿真方法，并利用临床数据验证了方法的可行性和有效性。首先，基于二维DSA数据进行形态学上的图像预处理，包括感兴趣区域的分割与提取，坐标变化，将三种计算流速的数学模型应用到实验对象中，获得血流的相对流速，并又将光流法应用于幻影数据中讨论分析其加权、迭代以及各参数设置对结果的影响;然后，利用3D图像生成及编辑处理软件MIMICS从三维CTA影像数据提取冠状动脉，建立三维几何模型，导入到有限元分析软件ANSYS中划分网格，设定边界条件后求解控制方程，获得血液流速、压力、壁面切应力等参数的分布。利用这种仿真方法，比较了稳态与瞬态情况下的结果，狭窄区域修复（又称为仿真干预）前后的结果;最后，通过CT数据计算了冠状动脉血流储备分数(Fractionalflow reserve based on CT, FFRCT)，并与临床上利用压力传感器导管测量的结果进行了比较。
　　结果表明，DSA:三种计算结果收敛，相对速度差异不大，并且改进后的光流法相对于其他未改进的三种方法计算速度、精度以及对噪声的鲁棒性都有可观的提高;CTA:(1) ANSYS计算结果收敛，且与网格尺寸无关;(2)稳态和瞬态:稳态情况下，各参数计算结果的分布趋势相同，数值由设定入口速度决定。稳态和瞬态的计算结果明显不同，瞬态结果收到前一时刻影响。(3)血流速度:在狭窄处血流速度提高，二次流向狭窄内壁处有高速流场;修复后狭窄处血流速下降，高速流场转移(4)血管压力:血管壁面压力和血流速度密切相关，在狭窄前突然升高，在狭窄处降低，在狭窄后到远端持续降低。狭窄修复后，血管壁面压力由入口到出口平缓降低。(5)血管剪切应力:存在狭窄时，壁面切应力很高，为63.69Pa，变化的区域较多;而狭窄修复后，其相同位置处的切应力降低，为2.59Pa，且整体分布较平滑。(6)质量流量:狭窄修复前后LAD上流过端口的质量流量的比例为0.633。(7) FFR:不同位置的FFRCT和实际测量值无明显差异:右主冠脉（0.87，大于0.8），左前降支(0.69，0.71)，左旋支(0.83，大于0.8)。仿真干预后，左前降支和左旋支FFRCT升高到0.97和0.96。
　　总之，基于DSA和CTA的血流动力学仿真是有效的和可行的，能够提供大量、稳态和瞬态情况下的血管功能信息，包括血流速度、质量流量、压力和壁面剪切应力分布等。模拟PCI(Percutaneous coronary intervention，PCI，经皮冠状动脉介入)治疗的仿真干预能够预测治疗效果。FFRCT有可能成为一种无创测量血管功能的方法，与血管结构参数结合，促进冠脉病变的评价、治疗和机理研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 心血管疾病

1．1．2 影像学分析

1．1．3 基于血流的病理分析

1．1．4 血流动力学仿真分析

1．2 本文研究内容

第2章 基于DSA的血流动力学仿真

2．1 概述

2．2 材料与方法

2．2．1 研究对象与实验仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 对参数的讨论

2．3．2 权值λ的影响

2．3．3 迭代方法

2．3．4 改进的机遇梯度的Horn and Schunck方法

2．3．5 基于DSA数据的实验讨论

2．3．6 基于密度时间曲线的模型分析法

2．4 本章小结

第3章 基于CTA的血流动力学仿真

3．1 概述

3．2 材料与方法

3．2．1 研究对象与实验仪器

3．2．2 实验方法

3．3 实验结果

3．3．1 网格划分及收敛性

3．3．2 稳态动力学分析

3．3．3 瞬态动力学分析

3．3．4 仿真干预前后的对比分析

3．4 讨论

3．4．1 网格划分

3．4．2 导入FLUENT负网格的讨论

3．4．3 稳态与瞬态血液动力学比较

3．4．4 数值计算结果

3．5 本章小结

第4章 基于CTA血流动力学仿真的FFRct分析

4．1 概述

4．2 材料与方法

4．2．1 研究对象与实验仪器

4．2．2 实验方法

4．3 实验结果

4．3．1 FFRct与FFR结果比较

4．3．2 仿真干预FFRct结果比较

4．4 讨论

4．5 本章小结

第5章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果