血管组织三维模型重建及力学特征分析

背景:血管移植是治疗心血管疾病的主要方法, 自体或异体血管存在来源有限、免疫排斥反应、无生长能力等问题, 基于3D打印与组织工程技术的人工血管构建为解决上述问题提供了新思路。目的:以MC算法为核心, 对血管组织的CT医疗影像数据进行三维模型重建, 并对重建模型进行有限元分析。方法:首先通过Mimics软件对人体血管组织的医学影像进行有效提取, 完成血管组织的三维重建和优化处理, 设计4种壁厚与外直径不等的人工血管组织模型 (宽薄型:外直径10 mm, 壁厚1.7 mm;宽厚型:外直径10 mm, 壁厚2.0 mm;窄薄型:外直径8 mm, 壁厚1.7 mm;窄厚型:外直径8 mm, 壁厚2.0 mm) , 然后利用有限元软件分析4组血管组织的受力情况, 得出适合用于植入的人工血管模型。结果与结论: (1) 在施加相同拉力时, 窄薄型组位移变化最大, 宽薄型组其次, 宽厚型组位移最小; (2) 在施加同等径向压力时, 宽薄型组位移变化最大, 窄厚型组位移最小, 宽厚型组位移略小于窄薄型组; (3) 结果显示, “宽厚型”结构具备更强的抗压及抗拉能力, 适合作为人工血管植入。

关键词：心血管疾病;血管组织;三维模型重建;有限元分析;3D打印;血管移植;人工血管;

0引言Introduction

如今, 心血管疾病尤其是动脉硬化导致的冠心病, 已成为人类主要死亡原因之一[1], 血管移植是治疗动脉硬化等疾病的主要手段, 而组织工程恰好为血管移植提供了新途径。血管组织工程是指利用血管壁所含种类细胞及可降解的生物材料进行制备、重建和再生血管[2,3], 其理念在于以支架作为过渡性载体, 将细胞黏附于其上, 通过体外培养增殖形成细胞支架复合物, 再将支架植入体内并逐渐降解吸收, 细胞最终生长为血管替代物。由于个体存在差异性, 根据医疗影像扫描结果, 利用生物三维打印技术可对移植所需的血管组织进行个性化重建。

目前国内外对生物三维打印在血管组织工程领域的研究, 已取得非常大的进步。清华大学陶梅等[4]制备了具有3层管壁结构的血管支架, 并研究了壁厚对支架力学性能的影响。西安交通大学魏正英等[5]以形状记忆聚合物或形状记忆合金作为可变性材料单元, 利用快速成形技术将可变性材料打印成3D初始构型, 对其进行保温、缓冷处理后得到血管支架。但是上述制备的血管组织都存在形状、尺寸单一的问题, 无法适用于复杂的人体血管组织结构。国外而言, Norotte等[6]以多细胞柱状组织为基本成型单元、以琼脂糖为支撑, 完成小直径、多层、管状组织的成型, 如图1所示;该方法虽有助于血管组织的快速成型, 却也有明显的缺陷需要克服:一方面, 管壁成型厚度受喷头直径制约;另一方面, 琼脂糖支撑去除困难, 限制了所打印组织的复杂度, 不利于体外大型血管网络的构建, 进而影响了大尺寸组织的实现。Xu等[7]用压电喷头将细胞-海藻酸钠悬浮液按需喷射到氯化钙溶液中, 利用化学交联反应使组织凝胶化, 逐层打印、堆叠, 形成Zigzag形细胞管组织, 如图2所示, 该方法做到了无支撑、无支架、直接成型, 然而该研究尚未对驱动条件 (比如压电驱动电压、激励频率、喷头打印速率等) 与组织成型特征及指标 (包括管壁壁厚、高度、倾角等) 之间的理论关系进行深入探讨。

由此可见, 血管组织的三维打印技术目前尚不成熟, 存在如下问题; (1) 如何精确地在大量医疗影像中分割出血管, 将二维血管数据构建成三维图像并实现可视化; (2) 血管组织结构复杂, 不同区域血管组织生物特性和机械强度均存在差异性, 如何合理设置血管结构、有效模拟血管的生物与机械特性。因此, 实验首先通过Mimics软件对血管组织的医学影像进行有效提取, 完成血管组织的三维重建和优化处理, 然后利用有限元软件分析不同参数血管组织的受力情况, 得出适合用于植入的人工血管模型。

1 材料和方法Materials and methods

1.1 设计

通过医疗影像的数据收集, 结合有限元仿真软件, 得出适合植入的人工血管模型。

1.2 时间及地点

实验于2018-07-01/31在南京某医院完成。

1.3 材料

实验使用的软件:Mimics软件、Solidworks软件、ANSYS软件。

1.4 实验方法

1.4.1 血管组织三维模型重建

三维重建技术在医学领域具有极其重要的地位, 它是由医疗成像设备获取的一系列二维断层图像, 借助计算机图形处理技术, 在计算机上将三维模型构建出来[8,9]。血管组织重建包含着血管分割和三维重建2个步骤, 如何精确地在大量医疗影像中分割出血管、如何把二维血管数据构建成三维图像进行展示是血管组织重建的关键[10,11]。实验选用1名健康志愿者的腹主动脉CT影像, 通过Mimics软件进行血管组织的三维重建[12,13], 见图3所示。

血管组织CT影像的数据采集工作在南京某医院完成, 选择1名健康男性志愿者, 对其腹主动脉进行CT扫描, 扫描层厚为1.25 mm, 扫描层数为305层, 扫描分辨率是4 095×2 048, 得到连续横断面图像及矢状面图像。受试者对实验知情同意。

影像预处理阶段, 将血管组织扫描得到的CT影像导入Mimics软件中, 软件会自动计算并生成轴状视图、冠状视图和矢状视图。如图4所示, 图4b是原始的扫描图像, 图4a, c是由原始横断面图像计算生成的冠状面和矢状面图像, 图4d是构建的三维模型空间视图;红线指示横断面图像的位置, 黄线指示冠状面图像的位置, 绿线指示矢状位置。

然后根据断层图片中不同组织灰度值的区别, 通过阈值分割来提取相应的组织[3,14,15,16]。首先导入CT图片, 如图5A所示, 将腹主动脉定位, 在原始扫描的断层面找出属于血管的灰度值区域;利用“阈值设定”选择需要重建的模型, 如图5B所示, 会自动生成所选血管区域的阈值曲线分析图, 如图5C所示;通过阈值曲线的分析, 设定阈值范围为366-526, 观察图5D显示的绿色部分, 可看出血管区域全部选中, 但其余非血管部分仍有少量噪点, 需要对其进行进一步处理;再利用区域增长功能, 将具有相似性质的像素集 合起来构成区域并将其他噪点滤除, 如图5E所示;最后通过三维计算, 对血管组织蒙罩进行重建, 清楚直观地再现血管组织结构的三维形态, 如图5F所示。血管组织分离完成后所生成的血管组织三维结构表面粗糙, 需要对其进行光滑处理。如图6所示, 是优化前后的三维结构对比图, 优化前具有明显的纹棱, 经过光滑处理后表面变得比较光滑。

1.4.2 血管组织的有限元等效模型建立

考虑到人工血管植入需求, 将血管模型定义为规则的直筒形, 既方便了三维模型建立又显著简化了成型后血管性能的测试流程, 并且不会对血管组织的生物性能有所影响[17,18]。

针对血管组织三维重建后的非标准性问题, 现定义一等截面直径d, 使, 其中S代表血管模型任一截面的面积, d为直径。

选择三维重建后的血管模型, 用Mimics后处理软件截取腹主动脉部分, 然后求出截面的等截面直径d, 如图7所示。每隔5 mm左右选取一截面, 共选取18处, 数据如表1所示。依据等截面直径值, 可算得均值为8.833 mm, 为了简化模型, 取等截面直径d为10 mm。血管模型的内径无法直接测量, 根据参考文献[19]可得到腹主动脉壁厚的平均值为 (1.70±0.30) mm。

根据上述分析, 考虑打印和仿真分析的效果, 实验建立4种直筒形血管结构, 依据外直径的宽窄和壁厚的厚薄分为“宽薄型”“宽厚型”“窄薄型”和“窄厚型”, 并利用Solidworks进行三维建模, 如图8所示。三维模型的数据参数, 见表2。由于血管的长度对血管的生物性能的影响可忽略不计, 因此实验中将血管长度H设为常数, 即H=100 mm。血管模型的构建, 主要研究血管外直径和壁厚对血管力学性能的影响, 首先将外直径D设为定值10 mm, 壁厚T分别设为1.7, 2.0 mm, 再将外直径D设为定值8 mm, 壁厚T设为1.7, 2.0 mm, 通过有限元分析, 最终将确定最为合适的血管模型。

1.4.3 血管组织模型的网格划分

首先将上述4种模型转换为“x＿t”文件, 再导入ANSYS中对模型进行网格划分。网格划分的数量越多, 其仿真的效果也就越好, 但同时也增大了分析过程中的运算量。为了提高效率, 在网格划分时, 采用软件内提供的自适应划分功能, 既能生成形状、特性较好的网格类型, 又可节约时间。有限元自适应划分的网格如图9所示。

上述4种血管模型采用自适应网格划分功能划分网格, 网格划分参数如表3所示。

1.4.4 血管组织模型轴向拉力有限元分析

设置血管组织模型的其他实验参数:弹性模量为0.5 MPa, 血管密度为1.15 kg/m3, 泊松比为0.45。血管组织模型的轴向拉力静态力学分析示意图, 见图10所示, 通过对血管组织模型的两端施加不同比例的拉力进行拉伸, 得到其形变过程, 并记录位移变化[20]。

完成网格划分后, 对模型进行载荷施加, 根据人工血管的测试标准YY0603-2015, 分别施加拉力为0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0 N, 分析其位移变化。

1.4.5 血管组织模型径向压力有限元分析

血管组织模型的径向压力静态力学分析的原理示意图, 见图11所示, 将血管模型置于水平刚性底板上, 再将一面板平行于底板放置在血管模型之上, 并与之相切, 然后对上面板施加压力, 分析血管模型的位移形变。

上述轴向拉力的有限元分析时, 对各血管模型进行了重建及网格划分, 因此在分析径向压力时, 在已有的基础上对其进行载荷施加, 参考人工血管的测试标准YY0603-2015, 分别施加0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 N的压力, 再提交数据进行有限元分析。

1.5 主要观察指标

各血管模型的受力情况。

2 结果Results

2.1 血管组织模型轴向拉力有限元分析

以两端施加0.4 N拉力为例, 各模型轴向张力分析云图, 见图12所示。由云图可知, 当在血管模型的两端施加拉力时, 血管模型会随之发生位移形变, 受力两端的形变位移变化最大, 由两端向中间位移递减。图13为4组模型不同拉力与最大变化位移的关系曲线。通过上图拉力-位移关系曲线的变化情况得到:在施加相同拉力时, 窄薄型组位移变化最大, 宽薄型组其次, 宽厚型组最小, 即血管组织模型的外直径越小且血管壁越薄时, 在相同拉力下的形变位移越大, 并且在对形变位移的影响因素中, 血管壁厚相比于血管外直径的影响更大。由于血管组织在人体中用于运输血液, 其力学性能的稳定性是至关重要的, 在受到外力或内力的作用时应尽可能保持原有的状态, 因此“宽厚型”模型更符合需求。

2.2 血管组织模型径向压力有限元分析

以对A组施加0.2 N的压力为例, 得到图14所示的血管模型径向压力分析云图。

分析径向压力云图可知, 最大位移出现在血管模型两侧, 并垂直于施加力的方向, 其次是受力处和支撑底部的位移, 最小位移处在左上、左下、右上、右下部, 整体观测位移变化呈对称分布。根据4种模型的静态力学有限元分析结果, 得到如图15所示的径向压力与位移关系曲线图。

由上图分析可知, 在施加同等径向压力下, 宽薄型组位移变化最大, 窄厚型组最小, 宽厚型组略小于窄薄型组, 进而可知血管外直径越大、管壁越薄, 其施加径向压力下的位移越大。除此之外, 在同等径向压力下, 外直径大小对位移的影响略大于血管壁厚。根据YY0603-2015测试标准, 径向压力下血管的位移变化不得超出血管外直径的10%, 图16为4种模型位移变化的百分比曲线。

由百分比曲线可知, 宽薄型组、窄薄型组均有超出10%的限定, 宽厚型组、窄厚型组符合条件, 再考虑到轴向拉力分析, “宽厚型”最为符合实验的测定模型。

3 结论与展望Conclusions and prospects

实验基于腹主动脉CT影像, 将腹主动脉和股动脉从其他骨骼、肌肉组织中进行分离, 并对重建的腹主动脉模型进行了简化和优化处理, 因此模型具有比较精确的组织结构信息。根据重建的腹主动脉数据模型, 建立了4组血管组织三维打印模型, 依据壁厚与外直径不同, 分为“宽薄型”“宽厚型”“窄薄型”和“窄厚型”。对4组打印模型利用ANSYS软件分别进行了轴向拉力、径向压力的有限元静态力学分析, 这种方法也为血管组织的生物力学研究提供了一个可视化的有限元分析对象。综合比较分析的性能结果, 得出“宽厚型”为最优结构。基于CT影像的腹主动脉模型的分析结果, 更接近人体真实的组织结构, 同时利用医学影像学重建模型并进行客观的有限元力学分析, 在生物力学层面也更为合理。

实验采用Mimics建立血管模型后, 将模型导入ANSYS中只是进行了静态的力学分析, 通过有限元的仿真还可了解到血管在外力作用下如何产生力学响应、如何发生结构改变、如何影响血管组织细胞的生物学行为。实验重建的血管组织三维模型, 为血管组织力学行为的进一步研究提供了有限元模型基础, 在今后的研究中可对血管模型血进行动态的力学分析和流体动力学分析等, 例如分析血流速度、血液压力等所受切应力的情况, 进而能够更好地打印出与真实血管组织匹配度更高的血管组织。

参考文献：[1]徐泽玮,朱莉娅,李宗安等.血管组织三维模型重建及力学特征分析[J].中国组织工程研究,2019,23(20):3158-3163.

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