研究背景及目的：梗阻性脑积水是神经外科常见病，病因繁多。但其共同发病机制是脑脊液自脑室系统流出受阻，在脑室内积聚产生室内高压，进而压迫室周脑组织引发一系列病理生理变化。目前学者们把梗阻性脑积水的病理生理变化分为原发性和继发性两种，而最突出的原发机制是室内压对室周脑组织的压迫作用，这是一切病理生理变化的基础。因此，明确室内压和室周脑组织相互作用的生物力学机制，对于掌握这种疾病的发生发展规律，阐明其临床和影像学表现的发生机理，从而做到早期诊断，选择恰当的治疗方案和准确判定疗效都具有重要指导意义。多年来，学者们在这方面作了大量的研究工作。大部分研究是基于实验动物模型，其它方法还有尸体实验、生物材料力学实验等，但这些方法都不能直接检测或分析脑组织内的生物力学响应，而采用数学模拟的方法却能解决这个问题。目前有两种方式的数学模拟，一种是分析模型，此方法只适于对几何形态规则、边界条件简单、且为均质性材料的问题进行研究；另一种就是有限单元法，这是一种借助计算机求解力学问题的数值计算方法，可以分析几何形状复杂、均质及非均质结构及材料的力学响应，模拟各类系统载荷及边界条件复杂的力学过程。由于人体结构在几何形态上的不规则性和组成物质的复杂性以及用活体做力学实验的不可能性，有限元分析法便成为研究人体生物力学的有效工具，目前已在医学领域广泛应用。运用有限元分析法进行生物力学研究，首先要掌握所研究结构或组织材料的力学性质，确定力学参数。近年来，随着人脑组织生物力学特性和力学模型研究的不断深入，逐渐获得和完善了脑组织的各项生物力学特性参数，建立了更为接近生理状态的脑组织力学模型；同时，功能强大的有限元计算软件不断出现，现代医学成像技术主要是计算机断层成像(CT)及核磁共振成像(MRI)，图像数字化处理设备、图像资料的轮廓提取技术以及计算机辅助分析方法为人体有限元模型的建立提供了准确简便的方法。这样，尽管由于颅腔及脑室系统解剖形态极不规则，梗阻性脑积水的生物力学机制极其复杂，仍然可以运用有限元方法对其进行分析研究。我们依据正常国人颅脑MRI轴位扫描图像获取解剖信息，改进人体不规则结构有限元建模方法，构建出侧脑室及室周脑组织的二维有限元模型；并应用该模型通过计算机及有限元软件模拟了梗阻性脑积水的发生发展过程，对其进行了全面的生物力学分析，在一定程度上阐明了室内压同室周脑组织相互作用的生物力学机制及侧脑室的扩张规律；同时，将模拟分析结果与临床发现相结合，验证了有限元分析的有效性，阐明了梗阻性脑积水特征性征象发生的生物力学机制，探讨了对临床相关工作的指导意义。我们的研究工作主要包括以下三部分：1．侧脑室及室周脑组织二维有限元模型的构建目的：构建侧脑室及室周脑组织二维有限元模型。方法：依据正常青年男性志愿者颅脑MRIT2加权轴位扫描图像资料确定重建对象。选取一帧包含侧脑室前角、后角及体部的典型图像，用清华紫光UNISCAN M1600数字胶片扫描仪扫描后将图像文件导入个人计算机，保存为JPEG格式，用图像处理软件PHOTOSHOP 9.0进行编辑。考虑到大脑解剖结构在轴位层面的几何对称性，只选取图像的一半作为研究对象。采用数学形态学中的边界提取算法进行目标图像的边界提取，用最小边界能量与边界曲率分析相结合的轮廓跟踪算法提取关键点。依图象显示MRI片比例尺为准，确定图象坐标单位和实际长度单位的比值，并以此比例进行数字缩放，使MRI图像上的代表实际尺寸的标尺长度与图像处理软件中的网格与标尺相吻合。使用PHOTOSHOP 9.0中的坐标系统逐一提取各关键点的平面(二维)坐标值，得到轮廓坐标，记录并保存于Microsoft Excel文件中，获取建立模型所需解剖信息的坐标数据文件。将坐标文件逐一导入有限元分析软件ANSYS9.0中，采取自底向上的建模方法，对边界进行空间线性拟合。由关键点生成线，由线生成面，完成几何建模。定义单元类型，选择SOLID 8节点四边形单元，给定脑组织特性生物力学参数，设定单元尺寸为0.8mm，采用自由网格划分的方法划分网格，生成侧脑室及室周脑组织的二维有限元模型。保存模型，储存为单元(ELIST)和节点(NLIST)数据文件。结果：成功构建出侧脑室及室周脑组织二维有限元模型，同实际解剖形态具有很好的几何相似性。模型总单元数(ELEMENT)2187，总节点数(NODE)6806，保存为LIST文件格式。结论：医学影像学资料为构建形态结构复杂的颅脑有限元模型提供了准确简便的方法；通过利用图像数字化处理设备、图像资料的轮廓提取技术、计算机辅助分析方法及大型有限元软件，大幅度提高了有限元建模的效率。2．梗阻性脑积水的有限元模拟及生物力学分析目的：通过构建的侧脑室及室周脑组织二维有限元模型对梗阻性脑积水进行计算机模拟，并进行生物力学分析。方法：将以单元(ELIST)和节点(NLIST)文件格式储存的侧脑室及室周脑组织二维有限元模型，通过FORTRAN语言程序转换为INP格式文件，导入适用于固结计算的大型有限元软件ABAQUS6.5中。模拟脑组织为各向同性的固、液两相多孔线弹性连续介质，固相骨架为神经细胞，液相部分为组织间液和血液，充满在固相骨架的孔隙中，即细胞间隙中，称作孔隙液。设置固结参数，包括杨氏模量(E，MPa)、泊松比(γ)和渗透系数(CM／S)，设定边界条件和初始条件并施加载荷进行模拟计算求解。结果在ABAQUS Viewer中提取，得到应力、应变、位移和孔隙压的数值及云图。结果：有限元模拟很好地显示了梗阻性脑积水侧脑室各部的动态扩张过程，整个模拟计算过程总时间步数为37。在第37个时间步，即t=345600秒(96小时，4天)时，侧脑室扩张达到最大程度。随着时间步的增长，侧脑室前、后角逐渐膨隆，体部凸度逐渐变小拉平。位移云图显示，侧脑室各部向周边方向发生的位移不相同，从X轴方向观察，在各个时间步，体部向外侧的位移最显著，而侧脑室前、后角前外侧端向外侧的位移明显小于体部；从应力云图分析，室周脑组织内存在不同的应力类型及分布，前、后角周围发生膨胀(拉伸)性应力集中，越靠近角部越明显，其它区域的应力为压缩性，体部周围压应力集中明显；应变是应力的结果，而孔隙比反映应变，角部周围产生拉应变，孔隙比增大，孔隙液压力增高，其它区域内则减小。结论：梗阻性脑积水发生时，由于侧脑室几何形态不规则，室周脑组织内产生了复杂的应力、应变和位移。表现为脑室各部的不均衡性扩张，以及室周脑组织区域性的不同应力、应变类型及分布，导致了孔隙比及孔隙压的变化。这些生物力学响应，在梗阻性脑积水原发性和继发性病理生理变化中起到了重要作用。3．梗阻性脑积水生物力学机制有限元分析有效性的验证(1)阐明梗阻性脑积水侧脑室角部易发脑水肿的生物力学机制根据有限元分析结果，梗阻性脑积水发生时，侧脑室角部周围易发脑水肿存在生物力学机制。增高的室内压在室周脑组织内引发了应力集中，但应力集中的类型在室周脑组织内分布存在区域性差异。侧脑室前、后角周围发生了膨胀性应力集中，其它区域内发生压缩性应力集中。膨胀性应力集中拉伸了角部室管膜，造成膜细胞间相互分离，细胞间隙扩大，增加了液体的通透性；同时，膨胀性应力集中产生拉应变，使局部孔隙比增加，扩展了细胞外间隙，增大了液体积聚的空间；而压缩性应力集中减小了局部孔隙比，将孔隙液体挤出而渗透到孔隙比增加的区域。这样，在室内压力作用下，脑脊液易于在角部周围积聚，脑组织内水含量增加，表现为脑水肿。有限元分析结果同临床影像学发现一致。(2)侧脑室容积线性测量法的灵敏性分析梗阻性脑积水发生时，临床医生常根据颅脑CT或MRI观察侧脑室容积的变化来判断病情的进展。显著的容积变化凭经验即可做出判断，但非显著性变化却不易观察，而这在疾病的早期诊断及疗效判断上却有重要意义。这种情况下需要进行侧脑室容积测量。直接测量侧脑室容积计算繁琐不具实用性，临床常用的为线性测量法。测量方法主要有Evans比值法，脑室颅腔指数(CVI)，额枕比值(FO ratio)及侧脑室对角线比值法(DVD ratio)。我们的有限元分析结果显示，在梗阻性脑积水的发生发展过程中，侧脑室体部在每一个时间步向外侧扩张最明显。从理论上讲，体部间距变化同侧脑室容积变化相关性最好。为此，我们提出了侧脑室体部脑室脑比值法(VBS ratio)，即耳眦线上60mm层面侧脑室体部间距同其两侧延长线上脑皮质间距比值。此平面CT或MRI轴位图像能很好反映侧脑室前、后角和体部，且在扩张过程中受丘脑及基底核等灰质核团的约束较小，更符合有限元分析的假设条件，实际测量结果更接近有限元分析结果。为临床验证侧脑室体部脑室脑比值法的有效性及灵敏性，我们选择各种原因导致的梗阻性脑积水病人20例，每例获取3次颅脑螺旋CT薄层扫描图像，共60套，通过图像分析系统MCID测定每次检查的侧脑室容积；利用螺旋CT能够任意重建的优势，从每次扫描图像中选取耳眦线上60mm平面的一帧图像，进行侧脑室容积的线性测量，测量方法包括上述四种线性测量法及我们所建议的侧脑室体部脑室脑比值法。各种线性测量法同侧脑室容积变化的相关性通过Spearman秩相关系数进行比较，不同线性测量方法相关性差异用Z检验进行统计学分析。结果显示VBS为最灵敏的估计侧脑室容积变化的线性测量方法；FO和DVD是较灵敏的指标，这两者之间无显著性差异；CVI同侧脑室容积变化相关性一般，而Evans比值相关性最差。临床研究结果同有限元分析结果一致。