【研究前沿】CFD用来研究咳嗽加剧Chiari I型头痛病情的影响？
这篇文章是2024年发表在《Scientific Reports》。 在这篇科学研究报告中，研究团队通过计算流体动力学（CFD）的方法，深入探讨了咳嗽对Chiari I型畸形患者脑脊液动力学的影响。Chiari I型畸形是一种神经系统疾病，其特征是脑脊液（CSF）在大脑（颅内）和脊髓（脊柱）之间的循环受到阻碍。研究的目的在于揭示咳嗽等生理行为如何影响患者的脑脊液动态，并探讨不同程度梗阻对脑脊液压力和流动的具体影响。 1.研究背景 Chiari I型畸形是一种神经系统的先天性疾病，其特征是小脑扁桃体（小脑的下部）向下延伸穿过枕骨大孔，进入上颈椎管。这种结构性的变化可能导致脑脊液（CSF）流动受阻，从而引起颅内压力增高和一系列症状，包括头痛、颈部疼痛、平衡问题、肌肉无力等。在某些情况下，Chiari I型畸形还可能与脊髓空洞症（syringomyelia）相关，后者是指脊髓内形成空洞并积聚脑脊液。Chiari I型畸形影响着大约千分之四的人群，其主要表现为小脑扁桃体通过枕骨大孔突出，导致脑脊液的正常流动受阻。这种梗阻不仅对脑和脊髓组织造成局部压迫，还可能引发头痛、运动和感觉症状，甚至导致瘫痪。尽管已有研究探讨了Chiari I型畸形与脊髓空洞症（一种在脊髓内积聚液体的疾病）之间的联系，但咳嗽等生理行为如何加剧病情的具体机制尚不完全清楚。 2.研究方法 研究者利用先前开发的CFD框架，建立了一个健康对照组的颅内和上脊髓CSF空间的个体化模型。在模型中，研究者模拟了单次咳嗽，并引入了多孔区域以模拟后部（OBS-1）、轻度（OBS-2）和严重前后部（OBS-3）的梗阻。通过这种方法，研究者能够评估不同梗阻程度对正常动脉脉动和咳嗽时脑脊液动力学的影响。文中的CFD模拟框架如下： 1）图像获取：首先，使用3T MRI扫描仪获取健康受试者的脑部和上脊髓的磁共振（MR）图像。2）模型分割和网格化：使用Mimics软件从解剖MR图像中提取颅内和上脊髓脑脊液（CSF）空间的三维几何形状。通过阈值处理和区域生长技术提取CSF空间，并对几何形状进行手动调整，以保留CSF区域。对于脑脊液在脑干周围的循环，确保了蛛网膜下腔（SAS）的最小厚度为2mm。3）网格敏感性研究：使用ICEM软件生成非结构化网格，包含四面体元素和边界处的棱柱层。在导水管区域细化网格，以确保准确捕捉该区域的抛物线层流轮廓。进行了网格敏感性研究，选择了一个具有1.14百万元素的网格，该网格与最细网格相比，关键变量的差异小于3%。4）边界条件设置：使用Fluent软件设置模型，基于生理过程设置边界条件，包括CSF产生、动脉脉动和出口边界条件。CSF产生：在侧脑室表面施加恒定速度，模拟CSF的产生。动脉脉动：将心脏周期中动脉体积变化作为源项实施，以模拟由此产生的CSF运动。出口边界条件：模型有四个不同的出口，模拟通过蛛网膜颗粒、脊髓途径、间质和淋巴系统的吸收以及颅内和脊髓部分的缓冲。5）模拟咳嗽：将咳嗽引起的胸腔内压力变化和脊髓静脉丛的压缩和扩张作为源项引入CFD模型。6）引入流量梗阻：使用多孔区域方法模拟梗阻，通过改变多孔区域的粘性阻力来模拟不同程度（后部OBS-1、轻度前后OBS-2和严重前后OBS-3）的梗阻。7）数值设置：将CSF模拟为不可压缩的牛顿流体，使用Fluent软件中的数值有限体积求解器求解Navier-Stokes方程。使用PISO方案进行瞬态模拟，采用二阶时间离散化和线性/二阶空间离散化。8）模拟运行：所有模拟运行了四个心动周期，以确保结果的稳定性和可靠性 3.研究内容 研究内容主要包括：1）利用MRI数据获取健康受试者的脑和脊髓的详细解剖结构；2）通过图像分割和网格化技术，构建三维脑脊液空间模型；3）在模型中设置生理过程的边界条件，如脑脊液的产生、动脉脉动和吸收等；4）模拟咳嗽过程中脑脊液动力学的变化，并通过引入不同程度的梗阻来评估其影响。4.研究结果 研究结果显示，轻度和中度梗阻（OBS-1和OBS-2）对整体CSF压力的影响较小，而严重梗阻（OBS-3）则导致颅内和脊柱压力之间出现显著的解耦现象。咳嗽期间，所有梗阻程度的脑脊液压力差异在侧脑室和脊柱之间都被局部放大。这些结果强调了咳嗽的影响，并表明严重梗阻水平会导致颅内压力的明显变化，可能与Chiari I型畸形患者的症状加剧有关。研究还发现，在咳嗽期间，脑脊液流动的峰值压力与健康对照组相比，显著增加，这可能对脊髓造成额外的压力，从而促进脊髓空洞症的发展。 来源：CFD饭圈
