张 娅，习晓楠，张家鸣，孙景浩，李 腾，詹 桐，宗会迁

（1.河北医科大学第二医院，石家庄050000；2.河北医科大学，石家庄050017）

0 引言

随着计算机图像技术的不断发展，人体虚拟器官三维模型因其立体、直观的特点在临床诊断、手术仿真、术前规划和生物力学分析等方面得到了广泛的应用[1-3]。颈动脉狭窄在中老年人中最为常见，且经常伴有各种心脑血管危险因素，严重影响患者生活健康。颈动脉狭窄的治疗经历了药物治疗、颅内外动脉吻合术、颈动脉内膜剥脱术、血管内支架置入术几个阶段[4]。1990年，Mathias首先报道临床上使用Wallstent支架行经皮腔内血管成形术（percutaneous transluminal angioplasty，PTA）治疗颈动脉狭窄，Higashida于1997年首先报道临床上采用支架置入结合弹簧圈治疗颅内动脉瘤[5-6]。现在支架正广泛应用于出血性和缺血性脑血管疾病的治疗，经过十多年的发展也取得了令人瞩目的疗效[7-9]。目前临床上多采用颈动脉支架血管成形术（carotid artery stenting，CAS）治疗颈动脉狭窄。该方法适应证广泛，但无统一标准，可行性有待进一步研究。

支架置入术费用比较高，尤其是进口支架，一般普通患者难以支付。若要在取得较好治疗效果的前提下，减少不必要的医疗投入，则应该根据患者临床表现、颈动脉狭窄程度和严格手术适应证对患者实施个体化治疗。由于血流动力学障碍引起的低灌注是颈动脉狭窄或闭塞的关键机制，而颈动脉支架置入可以引起急性血流动力学改变，显著影响血流灌注、狭窄血流恢复，使全脑血流动力学变化经历一个由平衡被打破到另一个平衡全新建立的复杂过程。如果术前对这种血流变化进行评估，可预估颈动脉狭窄的治疗效果[10-13]。

在三维重建中，Mimics和Geomagic 2个软件较为常用[14]。Mimics软件是由比利时Materialise公司研发的一种可用于医学领域的逆向软件，但Mimics软件建立的3D模型会因模型不均匀而出现孔洞、钉状物等不符合真实结构的缺陷。故本研究在使用Mimics软件对颈动脉狭窄图像进行三维重建的基础上，采用Geomagic软件对模型进行处理，得到更加真实的血管3D模型。再使用Solidworks软件对完整的模型进行修整编辑，模拟手术去狭窄治疗，以便于提前制订个性化手术方案，预估手术效果，提高治疗的安全性。

1 方法

1.1 病例选择

本研究从河北医科大学第二医院影像科筛选出头颈部CT血管造影（CT angiography，CTA）颈动脉狭窄扫描数据（Philips iCT，扫描间距1 mm）典型病例进行处理，如图1所示。患者影像学诊断为右侧颈内动脉重度狭窄，右侧颈外动脉中度狭窄。患者对实验研究知情同意。

1.2 三维重建

图1 头颈部CTA颈动脉狭窄图像

本研究对右侧颈动脉分支进行重建。将所选病例的Dicom格式数据导入Mimics软件中，利用阈值分割技术（阈值设置为150～3 071），分选出阈值范围内的血管及相近组织进行三维重建，获得包含头颈部骨组织和血管系统的3D图像。在此基础上，采用手动分割方法，选中颈动脉阈值，删除骨组织，再分离出血管系统（如图2左半部分所示）。最后进行3D模型计算，把动脉与其他无关部分全部分离，获得颈动脉分支，以STL格式导出保存。由于Mimics软件生成的3D模型是一种仅能代表几何表面特征的曲面模型，不适合三维模型编辑，也不能直接导入有限元分析软件，因此需要将该曲面模型转化为实体模型。而且由于Mimics软件生成的模型存在不均匀性，导致数据缺失会出现孔洞，保存的STL文件需要在Geomagic软件中进行修补，以达到修复模型的目的。修复形成的完整的颈动脉分支模型如图2右半部分所示。

图2 修复分割右侧颈动脉分支

1.3 颈动脉狭窄手术模拟

所选病例右侧颈动脉存在狭窄，右侧颈内动脉重度狭窄，右侧颈外动脉起始部中度狭窄。临床重度狭窄手术治疗方案较明确，一般进行手术治疗，而中度狭窄既可手术治疗又可药物治疗。为提高治疗准确性，本研究关注中度狭窄位置的去狭窄手术治疗效果，判断是否需要进一步治疗。

将利用Geomagic软件得到的模型导入Solidworks软件中。首先模拟去狭窄手术，对狭窄部位进行修正。切去狭窄部位，切除范围应包括狭窄部位至血管直径正常位置。再结合血管生理走形，从狭窄起始端至狭窄结束端补充一段直管模型，替代狭窄部位，得到一个无狭窄的血管模型。

1.4 有限元计算

利用有限元软件ANSYS对重建后的颈动脉狭窄模型和去狭窄模型进行计算。利用有限元法，划分网格，设定边界条件，将血液设为牛顿流体，密度为1 020 kg/m3，黏度为0.003 5 kg/m·s[15-17]。对模型进行血流动力学计算，获得血液流速、壁面切应力等血流动力学参数。

2 结果

重建的右侧颈总动脉分为颈内动脉和颈外动脉，如图3（a）所示。由模型可知，颈内动脉重度狭窄，颈外动脉中度狭窄，与临床诊断结果一致，重建模型符合患者实际颈动脉情况。因此利用三维重建可以准确、直观地判断患者颈动脉狭窄程度。

通过进一步对图像进行处理，将狭窄血管替换为正常管径血管，消除狭窄，模拟手术治疗，修正狭窄部位，建立右侧颈外动脉去狭窄模型，如图3（b）所示。由模型可知，颈内动脉重度狭窄，颈外动脉正常，无狭窄。

图3 重建的血管模型

对狭窄消除前后的三维模型进行有限元计算，其流线图如图4所示。通过对比观察发现，颈外动脉狭窄处血流速度较高。狭窄消除后，原狭窄处血流速度下降，但是颈外动脉出口血流速度变化不大。另外，狭窄病变模型颈外动脉狭窄出口位置存在涡流，且颈内动脉狭窄处血流呈涡流。狭窄消除后，颈外动脉和颈内动脉涡流有所改善。

图4 颈外动脉狭窄病变流线图

颈外动脉狭窄消除前后的壁面切应力对比如图5所示。可以看出，越靠近狭窄处壁面切应力值越大，最高处约为80 Pa。颈外动脉狭窄消除后壁面切应力明显改善，降至20～30 Pa，颈内动脉狭窄处壁面切应力同样有所下降。

3 讨论

图5 颈外动脉狭窄病变壁面切应力图

近年来，脑缺血性疾病已经逐渐成为威胁人们生命健康的疾病，而颈动脉狭窄正是缺血性脑卒中的重要致病因素之一，因此，对于颈动脉狭窄的预防和治疗已经成为现代医学研究的重要课题。颈动脉支架置入术以其微创、安全性高、恢复速度快、可以明显改善脑内血液循环等优点，逐步成为颈动脉狭窄治疗的重要手段[18]。而对于拟行颈动脉支架置入术的患者，其颈动脉狭窄的程度、狭窄的位置、身体状况是否足以支持手术，在置入支架后其脑内血流动力学能否有所改善、颈动脉狭窄的症状能否有所减轻、其改善情况能否达到临床的预期效果都是评价是否进行手术的重要指标[19]。

本研究利用三维重建技术，选取颈动脉狭窄CT影像图像，使用Mimics、Geomagic和Solidworks软件进行处理和逆向重构。手动处理颈动脉狭窄三维模型，重建患者颈动脉狭窄分支模型，并对三维模型进行修正和编辑，构建去狭窄治疗模型，模拟去狭窄手术治疗，并进行有限元计算[20-21]。该方法可模拟支架手术治疗，直观支架置入效果，并且可以用于血流动力学分析研究[22]。

支架置入直接改变血管内的血流环境，而血流动力学因素和血管重塑密切相关[23-25]。血流的异常流动会导致血流动力学因素改变，同时诱发血管重塑性疾病[26]。去狭窄手术会显著影响狭窄位置的血流速度，如图4所示。本文的有限元计算结果显示，对于颈外动脉中度狭窄，颈外动脉去狭窄治疗可以改善血流灌注，但是影响不明显，可以根据患者具体情况，采取治疗手段。而去狭窄手术影响狭窄位置的壁面切应力，颈外动脉狭窄消除后，壁面切应力有所下降，接近正常，如图5所示。壁面切应力与动脉粥样硬化密切相关。过高的壁面切应力容易使斑块脱落，损伤内皮细胞。非正常的低壁面切应力会造成粒子（如血脂质）滞留时间过长，是动脉粥样硬化的危险因素之一[27-30]。

综上所述，本研究介绍了一种完全虚拟的手术方法，可为手术指征不明确的患者提供帮助。比如本病例中的中度狭窄，去狭窄手术虽能改善血流，但是并不十分明显，考虑患者年龄、基础病等情况，该患者最终进行了重度狭窄的支架手术，对中度狭窄未做手术。本研究中虚拟手术结果由血流动力学计算得出，各参数设置符合人体实际，研究结果符合血流动力学规律，且由临床医生参考判断，结果具有参考价值。但本研究存在一定的局限性，如病例数量较小。后续研究会增加样本量，追踪患者术后实际病例数据的分析对比，以提高该方法的准确性。