来源：宣武脑血运重建
近年来，流体力学仿真（ComputationalFluidDynamics,CFD）在医学中发展迅猛。目前已经能够利用无创式医学图像（如超声图像、CT/MRI影像数据）重建冠心病患者血管三维解剖，再通过高效的流体建模技术来提取和计算冠脉内的血流动力学参数，如流速、狭窄前/后压力分布、流量、血流剪切力、震荡指数等，评估冠脉和脑血流储备功能，从而降低诊断成本，而且此项技术可以反复利用，利于早期诊断和多次复查。
我国具有较大的脑血管疾病人群。脑血管狭窄，特别是颅内动脉狭窄约占国人卒中构成比的50%。基于无创流体仿真技术，能够对颅外/颅内大动脉狭窄进行临床诊断。由于国家在科研上的大量前期投入，国内超级计算中心的计算成本在不断下降，CFD在脑血管病诊断方面具有更美好的前景。
宣武医院神经外科缺血组在诊治大量颅内/颅外血管狭窄患者的同时，结合自身工作特点和临床实际需要，联合了北京工业大学和中国科学院深圳先进技术研究院研发团队，采用流体仿真技术，在颅外乃至颅内动脉狭窄领域做出了相应的前期工作。现在就让我们看看，CFD技术能够具体做些什么吧！
1、基于超声图像的二维动脉粥样硬化狭窄血管模型：
通过对颈动脉超声图像处理和分割，利用多模医学影像融合方法，提取了狭窄位置斑块的形状和血管形态，建立了基于超声图像的二维CFD模型，进行了个性化病变的血流场分析。仿真计算结果表明：1）动脉狭窄近端，斑块的应力较远端增加5%，斑块破裂的风险增加（下图上）；2）动脉狭窄远端的下游血流场分布较近端更平缓，血栓形成的风险较低（下图下）。
图：基于超声图像的二维颈动脉狭窄病变的血管模型仿真结果。图上为不同位置处斑块应力分布和幅值改变，图下为对应的血流场分布和斑块应力分布图。
2、通过MRA图像获取多分支血管结构，从超声图像中获取血流场参数信息（如流速），融合两者建立三维动脉粥样硬化狭窄模型。图：流体仿真计算出来的血流速度曲线（velocity，单位m/s）。其中，每一个曲线代表一根脑动脉瞬间流速随心动周期变化过程。VA，椎动脉；CCA，颈总动脉；ICA，颈内动脉。
图：通过流体仿真提取出来的颅外段椎动脉流速波谱（黄色曲线；velocity，单位cm/s）。目前课题组能够完整的模拟血流速度和流体力学，并且与超声多普勒数据上进行对比。图中可见：通过流体仿真（CFD）计算出来的椎动脉（V2段）血流频谱（黄色曲线）和超声多普勒数据（灰色）吻合度很高。
3、在基于MRI图像重建个性化的三维血管模型上，通过有限元网络框架耦合电路模型建立描述包括近端大血管到远端细血管的多尺度血管网络模型。
图：近端大血管到颅内动脉的多尺度血管网络模型
4、颅外动脉系统内流体力学仿真计算：
图：通过CFD计算2位颈动脉狭窄患者狭窄位置血流场参数变化。左侧彩色刻度为流速幅度（m/s）；右侧为压力幅值（Pa）。
图：通过CFD计算4个颈动脉狭窄患者狭窄部位上壁，在一个心动周期内剪切力和震荡指数变化（单位：kPa）。SS,shearstress，剪切力。OSI，oscillatoryindex,震荡指数。
图：流体仿真计算出来的血流速度曲线。其中每一个曲线代表脑部动脉循环系统中一点的流速时间变化过程。
图：颈动脉狭窄部位的压力分布图：狭窄程度和曲度不同，压力梯度分布不同。蓝色箭头为狭窄位置，狭窄远端压力明显下降；蓝色星号为走行曲度以远，压力明显下降。
图：颅外段椎动脉起始段-血管壁剪切力流体仿真模型（Wallshearstressofrealisticmodels）。椎动脉与锁骨下动脉的成角导致局部低剪切力变化，可能与椎动脉支架术后再狭窄相关。
5、颅内动脉系统内流体力学仿真计算：
图：基于MRI数据图像后处理，用图形分割软件，重建绘制出来的全脑三维血管重建结构（上图）；Willis环动脉解剖结构（下图），包括大脑中动脉M1段、椎动脉颅内段（V4段）、颈内动脉颅内段和基底动脉。
图：通过CFD计算颅内动脉流速（单位m/s）。同时根据流线走行可以判断血流方向，如大脑后动脉血流主要来自于基底动脉，部分也可以来自于后交通动脉。MCA，大脑中动脉；ACA，大脑前动脉；PCA，大脑后动脉；BA，基底动脉。
图：通过CFD计算颅内动脉血流量（flowrate）百分比分布情况。MCA，大脑中动脉；ACA，大脑前动脉；PCA，大脑后动脉；BA，基底动脉。
结束语：看了这么多，怎么样？是不是觉得CFD特别强大？可以根据CT/MR数据测得这么多的血流动力学参数，根据图像后处理，连流速、压力、流量和剪切力等都能测得。那是不是CFD可以达到完美的影像诊断标准了呢？必须指出的是，CFD研究在脑血管狭窄方面的研究进度落后于冠脉，仍有很大提升空间。未来的研究方向应着重于：1）工科团队与临床团队联合研发；2）颅内动脉狭窄的大规模无创CFD研究；3）脑血流储备功能的CFD评价。我们同时也期待着将来CFD在脑血管狭窄诊断方面有着更加广阔的使用空间！
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来源：宣武脑血运重建
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