数值仿真在主动脉弓瘤中应用.docx

数值仿真在主动脉弓瘤中的应用1介绍主动脉，作为心脏输出量传递到全身的动脉床的主要通道，持续的暴露在高脉动压力和剪切应力下，这让主动脉很容易受伤害。特别随着动脉瘤的扩大，主动脉也同样比其他血管容易破裂。百分之五十的动脉瘤病人要是血管破裂，都会在送到医院之前不治身亡。这种情况发生的可能性随着年龄的增加而增加，据报道每年每十万人中有六人死于此。发生在主动脉弓的动脉瘤恶化专业术语称之为主动脉弓瘤。患有主动脉弓瘤的病人有多重动脉损伤或者有部分主动脉上的动脉瘤疾病。主动脉弓瘤只占了胸动脉瘤数量的10%但是它别其它动脉瘤有更高的破裂几率。流过动脉的血液是心血管中最复杂的流动模型之一。血流是脉动的并且主动脉瘤内的压力是不统一的。血流和血管壁之间动态的作用可能影响血管壁压力。在最近几年，计算机模型已经在科学，工程，生物和医药应用中取得了令人印象深刻的进步，并且提供这样一种可能性，即更深刻的理解生物力学问题和改善设计医疗设备和诊断病例的工具。像数学模型，计算流体动力学，松耦合等方法等计算方法已经用来在主动脉弓和主动脉弓瘤上模拟生物力学问题。这篇文章的目的就是描述主动脉弓瘤上数值仿真和计算机模型是如何工作的。2主动脉，主动脉弓和大动脉壁的结构动脉是从心脏输出血液的血管。主动脉是身体中最大的动脉。它从左心房出发，先形成一个弓形，然后到达肚子，从肚子开始分开成两个小动脉。主动脉包涵了升主动脉，主动脉弓和降主动脉。升主动脉从主动脉根部向上延伸到形成无名动脉，主动脉开始形成一个弓。主动脉弓就是主动脉顶部的曲线部分。降主动脉从主动脉弓向下弯曲的部分开始一直到下面。它携带者含氧丰富的血液并输送到全身各处。主动脉有很强的弹性。这帮助了主动脉消除了心跳引起的波动很大的血压的影响。为了理解主动脉的特性，有三种动脉不得不提。他们是弹性动脉，中间肌性动脉，细小动脉。对于主动脉，大动脉和小动脉来说，标准半径，标准长度和标准数量表示在表1中。弹性动脉能经受住最强的压力，并且离心脏最近。主动脉是最大的弹性动脉，把血液从左心室送到全身。主动脉在血管中层含有的弹性蛋白比平滑肌的还多。弹性蛋白能使血管在脉动压力下收缩和扩张。现在的研究会主要集中在弹性动脉，比如主动脉和颈动脉。弹性动脉的最内层是内膜，中层是中膜，最外面是外膜。总的来说，动脉壁的所有机械特性由胶原质，弹性蛋白和相关蛋白成分的不同决定的。总的原则是当弹性蛋白的比例高过胶原质时弹性模量就下降膨胀性就上升，反之亦然。主动脉壁三层组织的杨氏模量是不相同的。Xie做过血管壁的弯曲试验并且发现内层的杨氏模量比外层的高三到四倍。动脉壁的弹性模量在费舍尔主动脉内层剥落试验中有一点点高，这意味着内膜的弹力比血管壁平均弹力低因为内层包含的主要是内皮细胞。3利用几何计算重建主动脉弓瘤几何模型是主动脉模型分析的基本部分。由于主动脉复杂的几何形状，三维坐标的主动脉和动脉瘤模型有重大意义。先进的图像技术最开始被用作一种研究工具，后来用作临床的诊断测试。主动脉结构的重建包括使用一系列临床数据，这些数据已经被处理过可以用来勾画血管的形态。3.1主动脉弓瘤模型的STL形式立体光刻（STL）使用三维笛卡儿坐标系，通过三角形的单位法线和顶点来描绘一个粗糙的非机结构化的由三角形组成的面。表面按一定规律划分成许多小三角形的面。每一个小面由垂直方向和三个代表三角形顶点的点表示。以这种形式记录的点群和连接矩阵数据输入到CAD软件中或者网格生成软件。一个具体的STL形式的主动脉弓瘤模型就从CT图像中重建出来。这个模型是一个几何的曲面模型，还不能用直接用来进行数值仿真。逆向工程软件例如Geomagic和pro/e可以把STL形式的曲面模型重建成具体的可以用来进行数值仿真的模型。3.2主动脉弓瘤模型重建的方法3.2.1处理STL曲面模型因为这三个分支的边界会影响这些小碎片的整合并且导致创建NURBS（曲线曲面的非均匀有理B样条）曲面的失败，这个研究的主要目的是找到一种方法来建立动脉瘤的模型，简化这三个分支也是很有必要的。1简化表面在Geomagic中打开STL形式的主动脉弓瘤曲面模型。首先，选择“节平面”模式去掉三个分支。然后使用“抛光”和“宽松”清除切口红色的边界（交叉之后的边界线），这样简化的曲面模型就有末端带两个封闭边界的封闭区域构成。1划分区域为了整齐的安排这些小面，我们使用“节平面”的方法来来吧模型划分为几个圆形的区域。当确定节平面的时候有几个问题要注意，要尽可能保存住不断变化的几何信息；要在形状突然变化的地方尽可能划分更多的环来尽量保持切平面的法向量和血管的生长走向在同一方向。1整流小面块的安排”模型中使用“测量弯曲”来创建曲率为0.3的小三角形面块。删除多余的橙色边界（面分界线）并且手动纠正小面块的安排来确保每一个红色的边界只有关键点。每一个相对关键点的安