基于磁共振成像的计算方案用于分析颈动脉狭窄患者的斑块形态学与血流动力学

本研究评估了颈内动脉狭窄患者发生斑块栓塞和卒中的生理相关危险因素。具体而言，我们分析了颈动脉狭窄患者之间斑块形态及其血流动力学环境的差异。在脑血管研究领域，近期研究致力于识别无症状颈动脉狭窄患者发生卒中的预测因素，重点关注个体化危险因素、影像学特征和血流动力学参数，这些因素可能与卒中风险升高相关。

计算流体动力学能够实现对血流的无创、患者特异性分析，目前正越来越多地与磁共振成像及光子计数CTA联合使用，以评估颈动脉斑块的结构与成分。现有的磁共振成像技术受限于扫描时间较长、图像解读复杂以及体位重置误差。另一方面，计算流体动力学则面临患者特异性数据不足和模型调参不佳的问题，从而降低了其准确性。

我们的研究团队已证实，颈内动脉狭窄程度相似的患者表现出不同的血流动力学特征，而在双侧狭窄患者中，狭窄的严重程度会影响每一侧的血流动力学和血流特性。这充分说明了这些患者复杂的脑血管和血流动力学相互作用。首先，在计算机系统上启动 CRIMSON 软件。

通过数据管理器中的导入按钮，将去标识化的 DICOM 图像数据导入 CRIMSON，以构建患者特异性解剖结构。在几何建模窗口中，选择血管路径编辑，创建包含颈总动脉、颈外动脉和颈内动脉的血管树。颈总动脉中心线的起始位置应位于获取相位对比 MRI 血流波形的 C5 水平处。

将颈内动脉中心线放置在狭窄部位远端一至两厘米处，与相位对比磁共振成像（PC MRI）波形位置相匹配。然后将颈外动脉中心线的终点放置在一级分支近端，与PC MRI波形采集位置相匹配。接下来，在每条血管上添加至少两个点后，使用血管重切面窗口来显示中心线以及与中心线垂直的横截面视图。

在同一窗口中，添加血管轮廓以指定血管壁的边界。血管重切片窗口的左侧显示原始图像，右侧显示用于定义轮廓的图像梯度。应以足够密集的间隔放置轮廓，以准确捕捉血管的曲率和几何形状变化，同时避免过度拟合。

定义所有轮廓后，在血管轮廓建模窗口中使用放样按钮，通过放样生成组合的三维实体模型。然后使用血管融合窗口选择圆角算法，将血管模型融合为单一实体几何体。打开网格划分与求解器设置窗口，点击网格划分按钮以查看网格划分选项并配置网格参数。

在全局选项窗口中，将全局单元尺寸设置为 0.5 毫米至 0.75 毫米之间的绝对值。然后将边界层类型设置为几何增长，总层数设置为 3 层，第一层厚度设置为 0.2 毫米，总层厚度设置为 1 毫米。随后应用曲率细化，以在狭窄等高曲率区域增加网格单元。

右键单击网格，然后单击网格信息按钮，以查看包括单元数量、纵横比和分布在内的网格指标。要指定边界条件，请单击网格划分和求解器设置窗口。选择求解器设置图标，然后使用 BC 图标添加边界条件集。

查看 CRIMSON 中当前可用的边界条件。再次点击 BC 图标，选择无滑移条件以实现刚性、不可变形的管壁，并通过“应用到所有管壁”选项将其应用于所有管壁。然后选择指定速度。

导入先前定义的流入波形，并将抛物线速度分布映射至 CCA 入口。类似地，导入 ECA 脉动流出波形，并将抛物线速度分布映射至 ECA 出口。然后单击 BC 图标，选择 RCR，并设置一个包含近端阻力、远端阻力和电容的三元件 Windkessel 模型。

根据患者特异性计算，将 RCR 映射到 ICA 开口处。为设置求解器参数，请进入网格划分与求解器窗口，单击求解器设置图标，然后选择求解器参数。将时间步长设置为 0.1 毫秒，模拟四个心动周期，残差要求达到 10 的负 4 次方，血液密度设为 1,060 千克每立方米。

使用求解器设置生成所有仿真输入文件，包括流场数据、每个时间步的入口流量、网格和边界条件、各边界条件所施加的面、仿真的第一个时间步编号、三元素Windkessel数据、网格中每一点的压力和速度，以及流动求解器的指令。将Carreau-Yasuda模型添加到求解器的.inp文件中，并纳入仿真文件，以实现将血液模拟为非牛顿流体。

现在，在求解器设置窗口的稳态面板中运行模拟，以启动 CRIMSON Navier-Stokes 流体求解器。在命令窗口中指定处理器数量。当求解器开始运行时，输出文件 histor。

数据将在命令行中打印，并保存在一个新目录 n-procs-case 中。使用 Linux 命令 tail -f histor.dat 实时观察该文件。

文件的第一列为时间步长，第二列为已用时间，第三列为非线性残差，第四列为对数残差值。

采用低纵横比单元生成了高质量的网格，以精确呈现颈动脉分叉的几何结构。模拟了颈动脉分叉及颈内动脉狭窄处的代表性速度分布，结果显示在狭窄处峰值收缩期的最大流速约为每秒275厘米。压力映射显示，在某一病例中，狭窄处跨壁压差极小，整个心动周期中近端与远端压力几乎完全重叠。

在另一个对比案例中，狭窄部位近端的压力显著高于远端压力，显示出明显的压力下降。在非狭窄模型中，分叉处的管壁剪切应力较低，尤其是在颈内动脉和颈外动脉的外侧壁。在狭窄模型中，较高的管壁剪切应力集中在颈内动脉的狭窄部位。

振荡剪切指数（OSI）映射显示，术前病变相关OSI值较术后值更低。HU匹配成像通过T1加权成像上的高信号以及T1图上的低值来识别斑块内出血。钙化斑块则表现为黑血序列、T1加权及T2加权序列上持续的低信号。