脑室系统数字模型的建立及脑脊液循环的计算流体力学分析

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目的:脑脊液(cerebral spinal fluid CSF)是一种无色透明的液体,产生于各脑室脉络丛,在脑室和蛛网膜下隙内循环流动。脑脊液循环素有人体第三循环之称,在中枢神经系统起着淋巴液的作用。除了运输和营养作用之外,脑脊液对缓冲脑和脊髓的压力,对脑和脊髓具有重要的保护和支持作用。此外,脑脊液对颅内压的调节起着主要作用。颅脑病变导致颅内压改变时,检测脑脊液循环变化是重要的观测指标。本研究的目的第一是运用真实人体头部核磁共振数据,建立脑室系统的三维数字模型,以探索快速个性化建模的方法;第二是利用计算流体力学方法,对中脑导水管进行双向固-流耦合流体力学分析,对正常中脑导水管不同位置的脑脊液流动方向,流速、剪切力、变形等进行计算分析,以其初步探索脑组织与脑脊液相互作用关系。  脑脊液的可视化流体力学分析可以对临床病情的发展及治疗进行有效的预测和指导。本研究采用真实的颅脑MR数据建模,建立脑室系统三维立体模型,对正常颅脑中脑导水管处脑脊液循环进行双向固-流耦合力学分析,并将计算结果进行可视化显示。  方法:  本研究包括两部分内容;  1建立脑室系统的数字模型:首先常规采集一例正常受检者的颅脑MR图像,将MR扫描图像以DICOM格式导入到mimics14.0软件中,设定域值,利用mimics工具在MR的T2、T1图像上手动分割出脑室系统。利用mimcs  三维重建功能,将平面图像重建出立体图像。将三维图像进行平滑处理后再导入3-matic软件,对其进行网格加密,最后生成包括整个脑室系统的三维数字化模型。  2中脑导水管的计算流体力学分析:在3-matic软件中,对脑室系统数字模型进行切割,将中脑水管切出。然后对中脑水管进行偏移,以生成管壁。利用mimics的输出模块将文件输出。将模型文件导入Workbench13.0建立的流固耦合程序内,分别对中脑水管管壁和流体域(脑脊液)进行网格划分和材料属性、边界条件等设置。然后进行流体分析设置和计算。最后设置观测点提取计算结果数据。  结果:本研究构建了真实的脑室系统三维数字模型,及正常中脑水管处的有限元模型,并对其进行了瞬态双向流-固耦合分析,得到以下相关  结果:  11本实验探索了利用活体MR数据建立个性化脑室系统数字模型的方法,对进行不同疾病、外伤等情况下的颅内压力学模拟实验分析提供了模型基础。  2建立的脑室系统模型可以清晰地看到各脑室的解剖结构,包括侧脑室的前角、后角、下角、中央部、室间孔;第三脑室的各个隐窝;第四脑室的正中孔、外侧孔等。此模型可以进行任意角度观察和分析。  3建立了中脑水管的有限元数字模型,并对其进行了计算流体力学分析。探索了可视化立体分析脑脊液循环的技术方法。  4通过计算得出了中脑水管处脑脊液流动的一系列力学数据,包括上、下口的压力、流速;脑脊液的流线、流速矢量;耦合面的压力、剪切力;脑脊液与管壁的相互影响及管壁的变形等。  结论:本研究结果显示:  1利用临床颅脑MR扫描图像及mimics软件,可以迅速建立脑室系统三维数字化模型。采用本方法所建的三维立体模型具有真实、完全个性化、采集数据方便、建模快速等优点。  2对中脑水管处的脑脊液循环进行了计算流体力学分析,可视化地立体分析了脑脊液在此处的循环状态,得到了一系列流体力学数据。  33本方法所建立的脑室系统数字模型及流体力学计算方法和数据,对临床分析颅脑疾病时的脑脊液循环及颅内压变化有很好的参考价值。
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