基于血液动力学-生物化学耦合模型的颅内动脉瘤栓塞后血栓形成机制的研究

Endovascular occlusion such as coils embolization and flow diverter stent implantation is becoming the most important therapy method for intracranial aneurysms. The principle of coils embolization or flow diverter is to reduce the flow velocity, induce the stagnation zone and promote the thrombus formation in order to isolate the aneurysm from the blood flow of the parent artery. Unfortunately, the cerebral aneurysms after coils embolization have the recanalization risk or the aneurysms after flow diverter implantation have the rupture risk. For the sake of improving the security and success of the interventional treatment, it is very necessary to study the whole process of thrombus formation of the aneurysms. The process of thrombus formation includes platelet activation, platelet deposition and platelet adhesion etc. and they are composed of a lot of biochemical reactions. In this research, based on the thrombus formation induced by the hemodynamics, a coupling model of hemodynamics and biochemistry about the process of thrombus formation is constructed and it is represented by a series of convection-diffusion-reaction equations describing the platelet behaviors such as activation, deposition and adhesion. Level-set method is employed to capture the surface of thrombus and simulate the process of thrombus formation. Furthermore, applied the clinic data to the coupling model, the lapse mechanisms of the aneurysm treated by endovascular occlusion are investigated. This research will help the endovascular therapy of cerebral aneurysms to assess the risk.

利用弹簧圈或者流动导向装置栓塞是目前颅内动脉瘤主要的治疗手段，其原理是通过植入栓塞器械降低血流速度、形成血流滞留区，促使囊内血栓的形成，从而将动脉瘤从载瘤动脉中隔离出来。但是，弹簧圈栓塞存在栓塞后动脉瘤再通等复发风险，而流动导向装置栓塞也存在治疗后动脉瘤复发和破裂的风险。为了提高动脉瘤栓塞的安全性和成功率，需要研究动脉瘤栓塞后瘤囊内血栓形成的机制。血栓的形成是血小板等物质在流动的血液中被激活、聚集和黏附的过程，整个过程包括大量的生物化学反应。本课题根据血液动力学刺激下血栓的形成过程，利用对流-扩散-反应方程描述血小板的激活、聚集和黏附等行为，建立颅内动脉瘤栓塞后血栓形成的血液动力学-生物化学耦合模型；利用Level-set方法追踪血栓的界面模拟血栓的形成过程；利用该耦合模型结合临床病例数据，分析介入栓塞后血栓的最终状态与颅内动脉瘤转归之间的关系及其机理; 为临床风险评估提供帮助。

利用血流导向导向装置栓塞是目前颅内动脉瘤主要的介入治疗手段之一，其原理是通过植入血流导向装置改变血流方向、降低瘤囊中的血流速度，促使囊内血栓的形成，从而将动脉瘤从载瘤动脉中隔离出来。但是，血流导向装置栓塞也存在治疗后动脉瘤复发和破裂的风险，以及堵塞侧枝血管的风险。为了提高动血流导向装置安全性和有效性，需要研究动脉瘤栓塞后瘤囊内血栓形成的机制。血栓的形成是血小板等物质在流动的血液中被激活、聚集和黏附的过程，整个过程包括大量的生物化学反应。而血流导向装置植入后动脉瘤囊内凝血酶浓度等参数的分布与血栓形成过程密切相关。本项目的主要研究内容包括：（1）血流导向装置快速虚拟植入个性化脑动脉瘤模型中的方法的开发（2）根据血液动力学刺激下血栓的形成过程，利用对流-扩散-反应方程描述血小板的激活、聚集和黏附等行为，建立颅内动脉瘤栓塞后血栓形成的血液动力学-生物化学耦合模型（3）数值模拟血流导向装置植入脑动脉瘤模型之后动脉瘤囊内凝血酶浓度的分布并分析栓塞效果（4）编织类血流导向装置植入过程的有限元模拟（5）利用格子波尔兹曼方法模拟动脉瘤植入血流导向装置后瘤囊内血栓的形成过程。重要结果包括：（1）开发出了血流导向装置快速虚拟植入个性化脑动脉瘤模型中的方法（2）建立了血流导向装置植入脑动脉瘤的全过程的有限元仿真平台（3）建立了描述血栓形成过程的血液动力学-生物化学耦合模型（4）通过建模和数值仿真发现对于巨型动脉瘤和瘤顶部带有侧枝的动脉瘤单纯利用血流导向支架栓塞的效果并不会很好（5）利用格子波尔兹曼方法方法(LBM)进行了血栓形成过程的数值模拟，发现LBM方法在模拟血栓形成过程中可以进行大规模并行计算等优点。