梗阻性腦積水生物力學機制的有限元分析及臨床相關(guān)性研究.pdf

1、研究工作主要包括以下三部分： 1．側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型的構(gòu)建 目的：構(gòu)建側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型。 方法：依據(jù)正常青年男性志愿者顱腦MRIT2加權(quán)軸位掃描圖像資料確定重建對象。選取一幀包含側(cè)腦室前角、后角及體部的典型圖像，用清華紫光UNISCANM1600數(shù)字膠片掃描儀掃描后將圖像文件導入個人計算機，保存為JPEG格式，用圖像處理軟件PHOTOSHOP 9.0進行編輯?？紤]到大腦解剖結(jié)構(gòu)在軸位

2、層面的幾何對稱性，只選取圖像的一半作為研究對象。采用數(shù)學形態(tài)學中的邊界提取算法進行目標圖像的邊界提取，用最小邊界能量與邊界曲率分析相結(jié)合的輪廓跟蹤算法提取關(guān)鍵點。依圖象顯示MRI片比例尺為準，確定圖象坐標單位和實際長度單位的比值，并以此比例進行數(shù)字縮放，使MRI圖像上的代表實際尺寸的標尺長度與圖像處理軟件中的網(wǎng)格與標尺相吻合。使用PHOTOSHOP 9.0中的坐標系統(tǒng)逐一提取各關(guān)鍵點的平面(二維)坐標值，得到輪廓坐標，記錄并保存于Mic

3、rosoft Excel文件中，獲取建立模型所需解剖信息的坐標數(shù)據(jù)文件。將坐標文件逐一導入有限元分析軟件ANSYS9.0中，采取自底向上的建模方法，對邊界進行空間線性擬合。由關(guān)鍵點生成線，由線生成面，完成幾何建模。定義單元類型，選擇SOLlD 8節(jié)點四邊形單元，給定腦組織特性生物力學參數(shù)，設(shè)定單元尺寸為0.8mm，采用自由網(wǎng)格劃分的方法劃分網(wǎng)格，生成側(cè)腦室及室周腦組織的二維有限元模型。保存模型儲存為單元(ELIST)和節(jié)點(NLIST)

4、數(shù)據(jù)文件。 結(jié)果：成功構(gòu)建出側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型，同實際解剖形態(tài)具有很好的幾何相似性。模型總單元數(shù)(ELEMENT)2187，總節(jié)點數(shù)(NODE)6806，保存為LIST文件格式。 結(jié)論：醫(yī)學影像學資料為構(gòu)建形態(tài)結(jié)構(gòu)復雜的顱腦有限元模型提供了準確簡便的方法；通過利用圖像數(shù)字化處理設(shè)備、圖像資料的輪廓提取技術(shù)、計算機輔助分析方法及大型有限元軟件，大幅度提高了有限元建模的效率。 2．梗阻性腦積水的有限元模

5、擬及生物力學分析 目的：通過構(gòu)建的側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型對梗阻性腦積水進行計算機模擬，并進行生物力學分析。 方法：將以單元(ELIST)和節(jié)點(NLIST)文件格式儲存的側(cè)腦室及室周腦組織二維有限元模型，通過FORTRAN語言程序轉(zhuǎn)換為INP格式文件，導入適用于固結(jié)計算的大型有限元軟件ABAQIJS6.5中。模擬腦組織為各向同性的固、液兩相多孔線彈性連續(xù)介質(zhì)，固相骨架為神經(jīng)細胞，液相部分為組織間液和血液，充滿在

6、固相骨架的孔隙中，即細胞間隙中，稱作孔隙液。設(shè)置固結(jié)參數(shù)，包括楊氏模量(E，MPa)、泊松比(γ)和滲透系數(shù)(CM/S)，設(shè)定邊界條件和初始條件并施加載荷進行模擬計算求解。結(jié)果在ABAQIJS Viewer中提取，得到應(yīng)力、應(yīng)變、位移和孔隙壓的數(shù)值及云圖。 結(jié)果：有限元模擬很好地顯示了梗阻性腦積水側(cè)腦室各部的動態(tài)擴張過程，整個模擬計算過程總時間步數(shù)為37。在第37個時間步，即t=345600秒(96小時，4天)時，側(cè)腦室擴張達到

7、最大程度。隨著時間步的增長，側(cè)腦室前、后角逐漸膨隆，體部凸度逐漸變小拉平。位移云圖顯示，側(cè)腦室各部向周邊方向發(fā)生的位移不相同，從X軸方向觀察，在各個時間步，體部向外側(cè)的位移最顯著，而側(cè)腦室前、后角前外側(cè)端向外側(cè)的位移明顯小于體部；從應(yīng)力云圖分析，室周腦組織內(nèi)存在不同的應(yīng)力類型及分布，前、后角周圍發(fā)生膨脹(拉伸)性應(yīng)力集中，越靠近角部越明顯，其它區(qū)域的應(yīng)力為壓縮性，體部周圍壓應(yīng)力集中明顯；應(yīng)變是應(yīng)力的結(jié)果，而孔隙比反映應(yīng)變，角部周圍產(chǎn)生拉

8、應(yīng)變，孔隙比增大，孔隙液壓力增高，其它區(qū)域內(nèi)則減小。 結(jié)論：梗阻性腦積水發(fā)生時，由于側(cè)腦室?guī)缀涡螒B(tài)不規(guī)則，室周腦組織內(nèi)產(chǎn)生了復雜的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。表現(xiàn)為腦室各部的不均衡性擴張，以及室周腦組織區(qū)域性的不同應(yīng)力、應(yīng)變類型及分布，導致了孔隙比及孔隙壓的變化。這些生物力學響應(yīng)，在梗阻性腦積水原發(fā)性和繼發(fā)性病理生理變化中起到了重要作用。 3．梗阻性腦積水生物力學機制有限元分析有效性的驗證 (1)闡明梗阻性腦積水側(cè)腦室角部

9、易發(fā)腦水腫的生物力學機制根據(jù)有限元分析結(jié)果，梗阻性腦積水發(fā)生時，側(cè)腦室角部周圍易發(fā)腦水腫存在生物力學機制。增高的室內(nèi)壓在室周腦組織內(nèi)引發(fā)了應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中的類型在室周腦組織內(nèi)分布存在區(qū)域性差異。側(cè)腦室前、后角周圍發(fā)生了膨脹性應(yīng)力集中，其它區(qū)域內(nèi)發(fā)生壓縮性應(yīng)力集中。膨脹性應(yīng)力集中拉伸了角部室管膜，造成膜細胞間相互分離，細胞間隙擴大，增加了液體的通透性；同時，膨脹性應(yīng)力集中產(chǎn)生拉應(yīng)變，使局部孔隙比增加，擴展了細胞外間隙，增大了液體積聚的

10、空間；而壓縮性應(yīng)力集中減小了局部孔隙比，將孔隙液體擠出而滲透到孔隙比增加的區(qū)域。這樣，在室內(nèi)壓力作用下，腦脊液易于在角部周圍積聚，腦組織內(nèi)水含量增加，表現(xiàn)為腦水腫。有限元分析結(jié)果同臨床影像學發(fā)現(xiàn)一致。 (2)側(cè)腦室容積線性測量法的靈敏性分析梗阻性腦積水發(fā)生時，臨床醫(yī)生常根據(jù)顱腦CT或MRI觀察側(cè)腦室容積的變化來判斷病情的進展。顯著的容積變化憑經(jīng)驗即可做出判斷，但非顯著性變化卻不易觀察，而這在疾病的早期診斷及療效判斷上卻有重要意義

11、。這種情況下需要進行側(cè)腦室容積測量。直接測量側(cè)腦室容積計算繁瑣不具實用性，臨床常用的為線性測量法。測量方法主要有Evans比值法，腦室顱腔指數(shù)(CVI)，額枕比值(FOratio)及側(cè)腦室對角線比值法(DVD ratio)。 我們的有限元分析結(jié)果顯示，在梗阻性腦積水的發(fā)生發(fā)展過程中，側(cè)腦室體部在每一個時間步向外側(cè)擴張最明顯。從理論上講，體部間距變化同側(cè)腦室容積變化相關(guān)性最好。為此，我們提出了側(cè)腦室體部腦室腦比值法(VBS rat

12、io)，即耳眥線上60mm層面?zhèn)饶X室體部間距同其兩側(cè)延長線上腦皮質(zhì)間距比值。此平面CT或MRI軸位圖像能很好反映側(cè)腦室前、后角和體部，且在擴張過程中受丘腦及基底核等灰質(zhì)核團的約束較小，更符合有限元分析的假設(shè)條件，實際測量結(jié)果更接近有限元分析結(jié)果。為臨床驗證側(cè)腦室體部腦室腦比值法的有效性及靈敏性，我們選擇各種原因?qū)е碌墓Ｗ栊阅X積水病人20例，每例獲取3次顱腦螺旋CT薄層掃描圖像，共60套，通過圖像分析系統(tǒng)MCID測定每次檢查的側(cè)腦室容積；

13、利用螺旋CT能夠任意重建的優(yōu)勢，從每次掃描圖像中選取耳眥線上60mm平面的一幀圖像，進行側(cè)腦室容積的線性測量，測量方法包括上述四種線性測量法及我們所建議的側(cè)腦室體部腦室腦比值法。各種線性測量法同側(cè)腦室容積變化的相關(guān)性通過Spearman秩相關(guān)系數(shù)進行比較，不同線性測量方法相關(guān)性差異用Z檢驗進行統(tǒng)計學分析。結(jié)果顯示VBS為最靈敏的估計側(cè)腦室容積變化的線性測量方法；FO和DVD是較靈敏的指標，這兩者之間無顯著性差異;CVI同側(cè)腦室容積變化相