Mô phỏng dòng chảy của máu trong mạch máu não

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---oOo---

PHẠM THANH TÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY CỦA MÁU
TRONG MẠCH MÁU NÃO

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT LASER
MÃ NGÀNH: 2.07.07

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2006


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
---oOo---

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
---oOo--Tp.HCM ngày .... tháng .... năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM THANH TÂM
Ngày, tháng, năm sinh: 23-04-1982
Chuyên ngành: Kỹ thuật Laser

Phái: Nữ

Nơi sinh: TP Vũng Tàu
MSHV: 01204315

I- TÊN ĐỀ TÀI:
MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY CỦA MÁU TRONG MẠCH MÁU NÃO
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu nguyên nhân gây ra tai biến mạch máu não liên quan đến dịng chảy
2. Mơ phỏng dịng chảy của máu trong nhánh rẽ động mạch cảnh chung và động
mạch cảnh trong ngoài và trong hệ thống các động mạch chính của não
3. So sánh kết quả mơ phỏng với thống kê lâm sàng và rút ra kết luận
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày quyết định giao đề tài):
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. TRẦN MINH THÁI
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chun Ngành thơng qua.
PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Ngày
tháng
năm 2006
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ……………………………………………….
....................................................................................................................
....................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1: ……………………………………………….......
....................................................................................................................
....................................................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: ……………………………………………….......
....................................................................................................................
....................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . tháng . . . . năm 2006


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan các kết quả từ việc mơ phỏng trong luận văn này
hồn tồn trung thực, không phải sao chép từ bất cứ một tài liệu nào khác.
Đây chính là kết quả mà chính tác giả đã thực hiện được.

Tp.HCM, tháng 09 năm 2006
Học viên Phạm Thanh Tâm


Lời cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Minh Thái, TS. Huỳnh Quang
Linh đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu cho tôi trong thời
gian thực hiện luận văn!
Xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Tường Long đã hết lịng hướng
dẫn tơi từ những bước đầu tiên trong q trình thực hiện mơ phỏng và SV.
Nguyễn Quốc Luận đã tận tình giúp đỡ tơi trong việc chỉnh sửa mơ hình!
Cảm ơn gia đình, người thân, thầy cô và bạn bè đã động viên và giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này!

Tp.HCM, tháng 09 năm 2006
Học viên Phạm Thanh Tâm


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay tai biến mạch máu não là một trong những nguyên nhân hàng đầu dẫn
đến tỉ lệ tử vong cao trên toàn thế giới. Các hậu quả mà người bệnh, người thân và xã
hội phải gánh chịu là hết sức nặng nề. Vì vậy việc nghiên cứu để tìm ra các nguyên
nhân gây ra tai biến cũng như các phương pháp chữa trị là điều hết sức cần thiết.
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến tai biến nhưng luận văn này quan tâm đặc biệt
đến vấn đề ảnh hưởng của dòng chảy của máu đến bệnh tai biến mạch máu não. Nhiệm
vụ của luận văn là mơ phỏng dịng chảy của máu để xác định sự phân bố của vận tốc và
áp suất của máu trong hệ thống động mạch não và lý giải ảnh hưởng của nó đối với
bệnh tai biến.
Luận văn này chia thành hai phần chính:
-

Phần 1: Lý thuyết về máu và hệ thống động mạch não
Phần này trình bày các đặc tính của máu, vị trí các động mạch chính của não.

Đồng thời trình bày các nguyên nhân gây ra tai biến mạch máu não và các vị trí

trên thành mạch thường xảy ra tổn thương (xơ vữa hay phình mạch) theo kinh
nghiệm lâm sàng.
-

Phần 2: Lý thuyết về phương pháp tính tốn và kết quả mơ phỏng
Phần này trình bày về cách giải bài toán lưu chất và vật rắn bằng phương pháp

phần tử hữu hạn. Đồng thời trình bày kết quả mơ phỏng từ phần mềm tính tốn
Ansys của các mơ hình động mạch cảnh và hệ thống các động mạch tưới máu
chính của não. Phân tích kết quả thu được và so sánh với các vị trí dự đốn dễ xảy
ra hư tổn qua mô phỏng với các vị trí được liệt kê theo kinh nghiệm lâm sàng ở
phần một.


ABSTRACT
Currently, stroke is one of the major killers with a very high mortality rate all over
the world. The sequels after stroke is really too serious towards the patients, families
and society. Therefore, searching to find down the causes of stroke as well as treatment
and rehabilitation methods is very urgent and necessary.
There are so many causes of stroke, but this thesis just pays attention to the effects
of hemodynamics on stroke. The role of this thesis is to simulate the blood flow in the
brain vessel system to determine the contribution of the blood pressure and velocity,
after that explain their effects on stroke.
This thesis is devided into two main parts:
-

Part 1: Blood and brain vessel system theory
This part presents the components and properties of blood as well as locations

of some main brain blood vessels. In this part, the causes of stroke and some

common locations of wall injury (atherosclerosis or aneurysm) due to clinical
statistic are also presented.
-

Part 2: Computational methods and simulation results
This part is about the method to solve the fluid and structure problems by

using finite element method. After that simulation results of common carotid
arteries and brain vessel system models from Ansys software are showed,
analysed to predict some locations where atheroslerosis or aneurysm may occur
and compare them with locations due to clinical statistic presented in the first part.


MỤC LỤC
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ............................................................................... 1
PHẦN 1: LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG MẠCH NÃO................10
Chương 1:
LÝ THUYẾT VỀ MÁU ............................................................10
I. Sơ lược về máu và hoạt động của tim.......................................................10
1. Thành phần và khối lượng của máu.........................................................10
2. Hoạt động của tim và các vịng tuần hồn ...............................................16
2.1 Đặc điểm cấu trúc của tim - Sự phân luồng tim và van tim.............17
2.2 Chu kỳ hoạt động của tim....................................................................18
II. Chuyển động của máu trong mạch máu (huyết động học) ....................23
1. Huyết áp ......................................................................................................23
1.1 Huyết áp động mạch.............................................................................24
1.2 Áp lực mạch ..........................................................................................24
1.3 Huyết áp trung bình .............................................................................26
1.4 Áp lực xuyên thành mạch ....................................................................26
1.5 Ảnh hưởng của tư thế cơ thể đối với huyết áp...................................26

1.6 Sự thay đổi huyết áp trong hệ thống tuần hoàn ................................27
2. Sức cản của thành mạch và độ nhớt của máu .........................................29
2.1 Sức cản dòng máu.................................................................................29
2.2 Ảnh hưởng của chiều dài mạch đối với sức cản ................................31
2.3 Ảnh hưởng của bán kính (tiết diện) mạch đối với sức cản...............31
2.4 Ảnh hưởng của độ nhớt của máu tới sức cản của dịng máu ...........32
III. Tuần hồn máu não .................................................................................33
Chương 2: HỆ THỐNG MẠCH MÁU NÃO CỦA CON NGƯỜI ...........36
I. Giải phẫu chức năng hệ thống động mạch...............................................36
1. Cấu trúc mạch máu ....................................................................................36
2. Một số động mạch chính ở não .................................................................38
2.1 Động mạch cảnh chung (Common carotid artery) ...........................38
2.1.1 Động mạch cảnh ngoài (external carotid artery) .......................40
2.1.2 Động mạch cảnh trong (internal carotid artery)........................40
2.1.3 Động mạch thông sau (posterior communicating artery) .........41
2.1.4 Động mạch mạch mạc trước (Anterior choroidal artery) .........42
2.1.5 Động mạch não giữa (Middle cerebral artery)...........................42
2.1.6 Động mạch não trước (Anterior cerebral artery) ......................43
2.2 Động mạch sống lưng (Vertebral artery)...........................................44
2.2.1 Động mạch gai sau (Posterior spinal artery) ..............................46
2.2.2 Động mạch gai trước (Anterior spinal artery) ...........................46


2.2.3 Động mạch tiểu não sau dưới .......................................................46
2.3 Động mạch nền (Basilar artery)..........................................................47
2.3.1 Động mạch tiểu não trên...............................................................48
2.3.2 Động mạch não sau........................................................................49
2.4 Đa giác Willis (Circle of Willis)...........................................................50
II. Các yếu tố gây rối loạn vịng tuần hồn ...................................................53
III. Giải phẫu chức năng hệ thống động mạch ............................................54

Chương 3:
TAI BIẾN MẠCH MÁU NÃO................................................56
I. Các nguyên nhân gây ra tai biến...............................................................56
1. Tắc mạch máu não .....................................................................................57
1.1 Bệnh tim (cardiac disease) ...................................................................57
1.2 Bệnh mạch máu lớn..............................................................................59
1.3 Bệnh mạch máu nhỏ.............................................................................60
1.4 Bệnh huyết học......................................................................................61
2. Vỡ mạch máu não.......................................................................................62
2.1 Máu tụ ngoài màng cứng (Empidural hematoma)............................63
2.2 Máu tụ dưới màng cứng (Subdural Hematoma)...............................63
2.3 Chảy máu dưới nhện ............................................................................63
2.3.1 Phình mạch trong sọ (Intracranial aneurysm) ...........................64
2.3.2 Các dị dạng mạch máu (Vascular malformation) ......................65
2.4 Chảy máu trong não (intracelebral hemorrhage) .............................66
2.5 Chảy máu trong não thất.....................................................................67
II. Mối quan hệ giữa huyết động học và các nguyên nhân gây ra tai biến 67
1. Ảnh hưởng của dòng chảy đến quá trình hình thành xơ vữa động
mạch.............................................................................................................67
1.1 Cơ chế sinh học của quá trình hình thành xơ vữa động mạch.....68
1.2 Cơ chế huyết động học......................................................................72
2. Ảnh hưởng của dịng chảy đến sự phình mạch và vỡ mạch.............77
Chương 4:
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ..............................................81
1. Tổng quan về phương pháp tính...............................................................81
1.1 Tổng quan về các phương pháp tính ..................................................81
1.2 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn...................................83
2. Giải bài toán lưu chất bằng phương pháp phần tử hữu hạn .................88
2.1 Phân loại chuyển động của dòng lưu chất .........................................88
2.1.1 Phân loại theo ma sát nhớt ...........................................................88

2.1.2 Phân loại theo tính nén được........................................................90
2.2 Phương pháp giải bài toán lưu chất trong Ansys..............................92
2.2.1 Phương trình liên tục ....................................................................92


2.2.2 Phương trình động lượng .............................................................93
2.2.3 Phương trình năng lượng đối với lưu chất nén được.................95
2.2.4 Phương trình năng lượng đối với lưu chất không nén được .....97
2.2.5 Chuyển động rối ............................................................................97
3. Phương pháp giải bài toán vật rắn .........................................................100
3.1 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng .........................................102
3.2 Các ma trận cấu trúc..........................................................................105
Chương 5:
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG.........................................................107
1. Mơ hình 1...................................................................................................107
1.1 Mơ hình thực nghiệm .........................................................................107
1.2 Mơ hình mơ phỏng .............................................................................110
1.2.1. Phần tính tốn bên lưu chất .......................................................110
1.2.2. Phần tính tốn bên vật rắn .........................................................114
1.3 So sánh kết quả thu đuợc từ mơ hình thực nghiệm và mơ phỏng .116
2. Mơ hình hai ...............................................................................................117
2.1 Mơ hình 20 độ .....................................................................................119
2.2 Mơ hình 50 độ .....................................................................................121
2.3 Mơ hình 80 độ .....................................................................................123
2.3 Biện luận kết quả ................................................................................125
3. Mơ hình 3...................................................................................................126
3.1 Mơ hình động mạch cảnh xơ vữa một vị trí.....................................127
3.2 Mơ hình động mạch cảnh xơ vữa ba vị trí .......................................129
3.3 Biện luận kết quả ................................................................................131
4. Mơ hình 4...................................................................................................131

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................138


Giới thiệu tổng quan

1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Đột quị hay tai biến mạch máu não, một cái tên rất quen thuộc nhưng đồng thời cũng
mang lại nhiều nỗi ám ảnh nhất đối với chính bệnh nhân và gia đình có người thân
chẳng may mắc phải. Nó khơng cịn đơn thuần là một cái chết bất ngờ do “trúng gió”
hay một tên gọi địa phương nào đó do người ta chưa thực sự hiểu về căn bệnh này.
Hiện nay với biệt danh là tên giết người thầm lặng, đột quị hay tai biến mạch máu não
đã trở thành một vấn đề thời sự cấp bách của Y học trên toàn thế giới.
Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới (WHO) đối với 21 quốc gia thì hàng năm có
khoảng 6,5 triệu người chết vì các bệnh tim mạch và đột quị. Đột quị đã leo thang một
cách khá nhanh chóng và hiện nay chỉ còn đứng sau bệnh tim mạch và ung thư về tỉ lệ
tử vong.
Theo số liệu thống kê của Hiệp hội tim mạch Hoa Kỳ, trung bình cứ mỗi 45 giây thì có
một người ở đất nước này mắc bệnh đột quị, và cứ mỗi 3,1 phút là có một người chết vì
đột quị. Mỗi năm có khoảng 700.000 người mắc bệnh đột quị lần đầu hay tái mắc bệnh
và khoảng 163.000 người trong số đó tử vong hoặc tái mắc bệnh lần thứ ba. Hằng năm
đất nước này phải chi phí khoảng 53,6 tỉ USD cho việc chữa trị và phục hồi chức năng.
Biểu đồ 1: Tỉ lệ mắc các bệnh thống kê ở Anh trên mỗi 100.000 người


Giới thiệu tổng quan

2

Theo thống kê ở Anh, bệnh về hệ tuần hoàn (bao gồm bệnh tim mạch và đột quị) đã lên
ngôi đầu bảng trong danh sách xếp hạng các nguyên nhân phổ biến dẫn đến tử vong.
Biểu đồ trên cho ta thấy thống kê trong khoảng hơn 90 năm qua giữa bốn nhóm bệnh
có tỉ lệ tử vong cao nhất thì các bệnh về tim mạch và đột quị đã thể hiện là một tên giết
người hoàn hảo.
Theo kết quả của một cuộc nghiên cứu mới đây với 170.000 nam nữ ở Trung Quốc thì
có hai phần ba số người tử vong là do bệnh tim mạch, ung thư và tai biến. Điều này
cho chúng ta thấy rằng các căn bệnh mãn tính mà trước kia người ta cho là những căn
bệnh “q tộc” khơng cịn là ngun nhân gây tử vong chính đối với các nước giàu mà
còn là tử thần hàng đầu đối với các nước đang phát triển.
Cịn ở Việt Nam thì Sao? Theo thống kê của Bộ Y tế cứ 100.000 người thì có 103.97
người mắc bệnh tai biến và số tử vong là 2,0. Bệnh nhân nội trú vì tai biến mạch máu
não tăng từ 1,7 đến 2,5 lần trong 3-5 năm. Thông thường ta biến mạch máu não xảy ra
ở người cao tuổi và những người càng cao tuổi càng dễ bị nhưng các thống kê gần đây
ở các bệnh viện tỉnh và thành phố cho thấy số người mắc bệnh trẻ dưới 50 tuổi ngày
càng tăng kên đáng kể.
Theo số liệu chung của WHO thì trong tổng số các bệnh nhân bị tai biến mạch máu não
thì 24% tử vong, 54% thoát khỏi bàn tay tử thần lại phải gánh chịu di chứng kéo dài và
chỉ 26% trong số họ có thể làm việc trở lại bình thường nhưng tỉ lệ mắc bệnh lại trong
vịng 5 năm là rất cao.
Nói tóm lại tổn thất về mặt tinh thần cũng như vật chất đối với cả người bệnh, gia đình
và xã hội là hết sức nặng nề. Do đó việc tìm hiểu sâu về nguyên nhân cũng như các
nguy cơ có thể dẫn đến đột quị, các phương pháp chữa trị và phục hồi chức năng cho
người bệnh khơng cịn là một vấn đề riêng của một quốc gia nào mà nó đã trở thành
mối quan tâm hàng đầu của toàn thế giới.
Từ những năm nữa đầu thế kỷ 20, người ta đã bắt đầu quan tâm đến căn bệnh này
nhưng ít có sự chú ý của khoa học trong việc tìm hiểu các đặc điểm lâm sàng ở những


Giới thiệu tổng quan

3

bệnh nhân bị các dạng khác nhau của đột quị cũng như khơng có sự chú ý trong phần
phân biệt cơ chế hay các nguyên nhân khác nhau dẫn đến đột quị. Trong thời gian đó
người ta thực sự vẫn chưa hiểu rõ được nguyên nhân của đột quị và các nạn nhân mắc
bệnh cũng phần nào phụ thuộc vào sự may rủi mà thầy thuốc và các nhà khoa học
không thể can thiệp được. Vào khoảng những năm giữa thế kỷ 20, mở đầu với một số ít
các nhà lâm sàng kêu gọi sự chú ý bởi tầm quan trọng của đột quị như một vấn đề lâm
sàng, và đi tiên phong trong nổ lực tìm hiểu các cơ chế rối loạn dẫn tới đột quị. Những
nổ lực ban đầu này dẫn tới sự quan tâm gia tăng của các nhà lâm sàng, thu hút sự chú ý
nghiên cứu về lâm sàng và cận lâm sàng đối với bệnh này vì họ nhận thức được tầm
quan trọng của việc phân biệt các loại cơ chế dẫn đến đột quị.
Sau đó việc tìm hiểu các ngun nhân gây bệnh khơng cịn là nhiệm vụ riêng của các
nhà lâm sàng, của các bác sĩ mà nó cịn là mục tiêu nghiên cứu đầy thử thách đối với cả
các nhà tốn học, vật lý học cũng như hóa học… Tuy phương pháp nghiên cứu có khác
nhau nhưng cùng chung một mục đích đó là tìm hiểu, giải thích ngun nhân, cơ chế
dẫn đến đột quị để có phương pháp phòng chống, chữa trị đúng cách và hiệu quả.
Qua rất nhiều nghiên cứu và chọn lựa cách phân loại thì người ta đã thống nhất đột quị
do hai nguyên nhân chủ yếu đó là tắc mạch (do xơ vữa động mạch hay cục máu đông)
hoặc là vỡ mạch (do vỡ túi phình động mạch) hay nói cách khác cả hai nguyên nhân
trên đều là do sự tổn thương của thành mạch máu não. Nhưng nguyên nhân sâu xa dẫn
đến sự tổn thương thành mạch vẫn chưa được hiểu một cách tận tường và điều này đã
thật sự thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học trong các lĩnh vực khác nhau.
Khơng thật chính xác về mặt thời gian, nhưng theo các bài báo có được cho thấy vào
khoảng thập niên 50, 60 các nhà vật lý học đã bắt đầu nhúng tay vào lĩnh vực này. Họ
đã cố đi tìm lời giải cho bài tốn mang tính thời sự này bằng cách tìm sự liên hệ giữa
cơ chế động học của dòng máu và sự tổn thương thành mạch. Vào thập niên 60, các
nghiên cứu lần lượt ra đời và được viết thành báo đăng trên các tạp chí khoa học.
Trong gian đoạn này, người ta chủ yếu đi tìm lời giải cho phương trình Navier-Stoke

Giới thiệu tổng quan

4

bằng các phương pháp số và từ đó tìm sự ảnh hưởng của vận tốc dịng chảy đối với sự
thay đổi của lớp nội mạc thành mạch. Sang thập niên 70, đã có nhiều cơng trình nghiên
cứu hơn. Các nhà khoa học quan tâm nhiều hơn đến mối liên hệ giữa cơ chế dòng chảy
với xơ vữa động mạch. Ngoài ra người ta bắt đầu quan tâm đến dự ảnh hưởng của dạng
hình học của động mạch đối với dòng chảy cũng như đối với sự tổn thương thành
mạch. Đến thập niên 80, số lượng bài báo được đăng trong lĩnh vực này tăng lên đáng
kể. Không chỉ nghiên cứu đến các phương pháp giải phương trình Navier-Stoke, các
tác giả quan tâm chi tiết hơn đến cả các đặc tính của lưu chất (nén được hay khơng nén
được), của dòng chảy (chảy tần hay chảy rối), đặc tính của thành ống, tính chất của bài
tốn (Newton hay non-Newton) và đặc biệt là sự xuất hiện của các bài tính theo thời
gian (tính trasient) với dịng cấp vào có dữ liệu thay đổi theo thời gian. Bài tốn về
dịng chảy càng ngày càng có nhiều phương pháp tính tốn và cho được kết quả ngày
càng chính xác. Trong giai đoạn này đã cho ra đời một số giả thuyết về mối quan hệ
giữa dòng chảy và các bệnh tổn thương thành mạch (xơ vữa động mạch hay phình
mạch) nhằm dự đốn những vị trí dễ xảy ra tổn thương nhất. Sang những năm đầu thập
niên 90 đến nay, có thể nói đây là một lĩnh vực mang tính thời sự nóng bỏng của các
nhà nghiên cứu. Sự ra đời của các thế hệ máy tính với tốc độ ngày càng cao thực sự là
một công cụ hữu dụng hỗ trợ cho phần tính tốn. Bước đột phá trong các nghiên cứu ở
lĩnh vực này là việc mô phỏng dòng chảy của máu trong động mạch mà dường như đã
ấp ủ từ những năm trước đó. Chính việc mơ phỏng đã khởi đầu một trang hoàn toàn
mới mẽ cho các ứng dụng về vật lý và toán học về vấn đề tìm hiểu nguyên nhân và cơ
chế của đột quị cũng như các bệnh về tim mạch.
Nhánh chẻ ở động mạch cảnh chung là một trong những mơ hình được mơ phỏng đầu
tiên vì đây là động mạch lớn cung cấp máu chính cho não và cũng chính là động mạch

mà theo phẫu thuật lâm sàng là nơi xuất hiện nhiều xơ vữa. Những mơ hình đầu tiên
của nhánh rẽ động mạch cảnh là những mơ hình 2D đơn giản có dạng hình chữ Y. Với
sự trợ giúp của máy tính có thể giải quyết bài tốn với nhiều bậc tự do hơn người ta đã


Giới thiệu tổng quan

5

tiến dần tới các mơ hình 3D. Những mơ hình 3D đầu tiên được mơ phỏng cũng có hình
dạng chữ Y [25]. Nhưng trong thực tế qua các ảnh chụp hình cắt lớp thì động mạch
cảnh khơng phải chỉ đơn thuần có dạng hình chữ Y như vậy.

Hình a: Mơ hình 3D của động mạch cảnh có dạng chữ Y
Tiếp theo sau đó là rất nhiều bài báo tập trung vào sự ảnh hưởng của các dạng hình học
3D đối với cơ chế dịng chảy khác nhau như thế nào. Từ đó người ta đã dẫn ra kết luận
rằng các động mạch cảnh có động mạch cảnh trong và cảnh ngoài mà phần ngoại biên
song song với nhau, hay không đồng phẳng sẽ cho kết quả gần với mơ hình thực tế hơn
[18, 17].

Hình b: Các dạng mơ hình 3D phức tạp hơn của động mạch cảnh


Giới thiệu tổng quan

6

Khơng dừng lại ở đó, các tác giả khác cịn thực hiện mơ phỏng với những mơ hình sát
với thực tế hơn bằng cách tái tạo từ các ảnh cắt lớp [22,26]. Có rất nhiều cách để chụp
các ảnh cắt lớp ví dụ như:

• Computer Tomoghraphy (CT)
• Digital subtraction Angiography (DSA)
• Magnetic Resonance Angiography (MRA)
• …
Nhưng trong đó các ảnh 3D của CT và MRI được ưu ái hơn trong việc tái tạo mơ hình
3D cho việc mơ phỏng. Với những thuật tốn đặc biệt người ta có thể tái tạo lại được
mơ hình của động mạch cảnh dựa trên ảnh 3D này [24].

Hình c: Mơ hình động mạch cảnh được tạo ra sau khi tái tạo từ ảnh 3D

Hình d: Tái tạo mơ hình 3D động mạch cảnh từ các ảnh cắt lớp


Giới thiệu tổng quan

7

Hoặc một cách khác người ta dùng một hệ thống siêu âm như hình trên để thu được các
ảnh chụp cắt lớp và từ đó dùng thuật tốn để tái tạo lại thành mơ hình của một động
mạch cảnh [23].
Ngoài động mạch cảnh, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu quan tâm thêm một vị trí mới
đó là đa giác Willis, một vịng tuần hồn bàng hệ cự kỳ quan trọng ở đáy sọ. Nhưng
cho đến hiện nay mơ hình hình học của đa giác này dùng trong mơ phỏng vẫn cịn rất
thơ sơ [21].

Hình e: Mơ hình 2D của đa giác Willis

Hình f: Mơ hình 3D của đa giác Williss
Tóm lại cho đến hiện nay, mơ phỏng dòng chảy trong động mạch là một vấn đề thu hút
rất nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Có rất nhiều giả thuyết được đưa ra để giải

thích ảnh hưởng của dịng chảy đến sự tổn thương thành mạch máu nhưng chưa có giả


Giới thiệu tổng quan

8

thuyết nào thực sự đứng vững mà khơng đem lại nhiều tranh cãi. Tìm và giải thích sự
ảnh hưởng của dịng chảy ở các dạng hình học khác nhau đối với các bệnh tổn thương
thành mạch vẫn là mục tiêu theo đuổi của nhiều tác giả. Mô hình động mạch cảnh
chung vẫn là một mơ hình kinh điển cho các bài mơ phỏng. Ngồi ra cũng có một số vị
trí khác như đa giác Willis hay động mạch vành nhưng các mạch này vẫn còn được
nghiên cứu một cách rời rạc, cục bộ.
Khơng nằm ngồi mục đích chung, luận văn này cũng muốn tìm ra những vị trí dễ bị
tổn thương nhất trên thành động mạch bằng cách mơ phỏng các mơ hình về động mạch
cảnh và hệ thống các động mạch tưới máu chính của não. Nhiệm vụ của luận văn là tìm
ra sự phân bố vận tốc và áp suất tại các vị trí khác nhau và từ đó dự đốn một số vị trí
nguy hiểm trên thành mạch mà có thể xảy ra tổn thương, ngun nhân chính gây ra xơ
vữa động mạch, phình mạch và từ đó dẫn đến tai biến mạch máu não hay đột quị.
Luận văn này chia thành hai phần chính:
-

Phần 1: Lý thuyết về máu và hệ thống động mạch não
Phần này trình bày các lý thuyết về máu, hệ thống động mạch não, các nguyên nhân
gây ra tai biến đồng thời liệt kê các vị trí hay xảy ra xơ vữa động mạch hay phình
mạch theo kinh nghiệm lâm sàng

-

Phần 2: Lý thuyết về phương pháp tính tốn và kết quả mơ phỏng

Phần này trình bày về cách giải bài toán lưu chất và vật rắn bằng phương pháp phần
tử hữu hạn. Đồng thời trình bày kết quả mơ phỏng của bốn mơ hình động mạch
cảnh và hệ thống các động mạch tưới máu chính của não.
• Mơ hình 1: Mơ hình thực nghiệm của nhánh rẽ động mạch cảnh trong một bài
báo đăng trong tạp chí Cơ sinh học (Journal Biomechanics) vào năm 2001 được
mô phỏng. Mục đích của việc mơ phỏng này là để so sánh kết quả mô phỏng với
kết quả thực nghiệm.


Giới thiệu tổng quan

9

• Mơ hình 2: Ba mơ hình động mạch cảnh có cùng kích thước nhưng có góc chẽ
nhánh khác nhau được mơ phỏng. Mục đích của phần này là so sánh ảnh hưởng
của góc chẽ nhánh hay nói chung là dạng hình học đối với dịng chảy.
• Mơ hình 3: Hai mơ hình động mạch cảnh bị hẹp lại do xơ vữa ở một vị trí và ba
vị trí được mơ phỏng. Mục đích của phần này là so sánh sự thay đổi của dòng
chảy trong một động mạch bình thường và động mạch bị xơ vữa.
• Mơ hình 4: Mơ hình hệ thống các động mạch tưới máu chính của não được mơ
phỏng bao gồm các động mạch cảnh, động mạch thân nền và đa giác Willis.
Mục đích của phần này là tìm ra sự phân bố vận tốc, áp suất cũng như ứng suất
tại các vị trí khác nhau trong hệ thống động mạch não từ đó dự đốn một số vị
trí nguy hiểm, dễ bị tổn thương và dẫn đến xơ vữa hay phình mạch, hai nguyên
nhân chính của đột quị.


Chương 1: Lý thuyết về máu

PHẦN 1:

10

LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG MẠCH NÃO

Chương 1:

LÝ THUYẾT VỀ MÁU

I. Sơ lược về máu và hoạt động của tim
1. Thành phần và khối lượng của máu
Máu gồm có phần lỏng là huyết tương, trong huyết tương có các phần tử hữu hình ở
trạng thái hỗn dịch, hoặc các tế bào máu: hồng cầu (tế bào máu đỏ), bạch cầu (tế bào
máu trắng) và tiểu cầu (mảnh tế bào máu).
Nam giới
Các chỉ số về máu
Khối lượng máu tuần
hoàn (l)

Yên tĩnh
5,5
(5,0 – 6,0)
47

Hematocrit (%)

(42 - 52)

Số lượng hồng cầu,
triệu/mm3

Nồng độ huyết cầu

5,4
16,0

tố(Hb), g/100 ml máu

(14 - 18)

Phụ nữ

Hoạt động
ưa khí tối đa
5,2
50
5,7
17,6

Yên tĩnh
4,3
(4,0 – 4,5)
42
(37 - 47)
4,6
14,0
(11,5 - 16,0)

Hoạt động
ưa khí tối đa
4,1

45
4,8
15,4

Hàm lượng huyết cầu tố
(Hb), g/kg trọng lượng

10,0

10,0

9,0

9,0

7,0

15,0

7,0

15,0

cơ thể
Số lượng bạch cầu,
nghìn/mm3

Bảng 1.1: Các chỉ số về máu ở nam và nữ

Chương 1: Lý thuyết về máu

11

Bảng trên đã dẫn ra những chỉ số cơ bản của máu trong điều kiện n tĩnh, nghĩa là khi
cơ khơng hoạt động tích cực (lúc nằm yên tĩnh), và khi cơ hoạt động trong điều kiện ưa
khí tối đa (ở mức oxy tiêu thụ tối đa cho người đó).
Khối lượng chung của máu chứa trong các mạch tuần hoàn hay khối lượng máu tuần
hoàn chiếm khoảng 5 – 8% trọng lượng cơ thể. Khối lượng máu tuần hoàn ở nam giới
thường lớn hơn ở phụ nữ, cịn trẻ em thì ít hơn người lớn. Khối lượng máu trong 1 kg
trọng lượng cơ thể cũng khác nhau: ở nam giới trung bình là 75 ml/kg, ở phụ nữ
khoảng 65 ml/kg, ở trẻ em khoảng 60 ml/kg [2].
Hồng cầu (red cell or erythrocytes)

Hình 1.1: Hồng cầu
Hồng cầu là những tế bào khá lớn mà khơng có nhân. Hồng cầu thường chiếm 40-50%
tổng thể tích máu. Chúng vận chuyển oxy từ phổi tới các tế bào sống của cơ thể đồng
thời mang CO2 khỏi những tế bào này. Hồng cầu thường được sản sinh trong tủy sống
với tốc độ khoảng hai triệu hồng cầu trong mỗi giây.
Bạch cầu (white cells or leucocytes)
Bạch cầu tồn tại ở rất nhiều dạng nhưng lại chiếm một phần nhỏ trong tổng thể tích của
máu, khoảng 1%. Bạch cầu khơng bị giới hạn ở một vị trí nào trong máu. Chúng có
mặt khắp nơi nhưng nhiều nhất là ở lá lách, gan và tuyến bạch huyết. Hầu hết bạch cầu
được sản sinh ở tủy sống, ngồi ra chúng cịn được tạo ra ở tuyến thymus ở cổ. Một số
bạch cầu (lympocytes) là những thành viên tích cực của hệ miễn dịch.


Chương 1: Lý thuyết về máu

12

Hình 1.2: Một loại bạch cầu mà có thể tạo ra kháng thể để vơ hiệu hố các vi
khuẩn và vi rút
Chúng tìm ra, nhận dạng và kết hợp với các protein lạ ở vi khuẩn, vi rút và nấm để
chuyển chúng đi. Những bạch cầu khác (granulocyte, macrophage) sau đó đến vây
quanh và phá hủy các tế bào lạ này. Chúng cịn có nhiệm vụ tẩy chay những tế bào
máu chết cũng như các chất cặn bã.
Tiểu cầu (platelets or thrombocytes)

Hình 1.3: Sự kết dính của tiểu cầu để hàn vết thương
Tiểu cầu là những tế bào làm đông máu ở các vết thương bằng cách kết dính thành
mạch máu. Chúng cũng có thể tạo ra những chất làm đơng mà có thể gây nên các cục
nghẽn có thể làm tắc các mạch máu bị hẹp (có thể do xơ vữa động mạch). Các nghiên
cứu gần đây cho rằng tiểu cầu có thể giúp chống sự nhiễm trùng bằng cách tạo ra


Chương 1: Lý thuyết về máu

13

những protein mà có thể giết chết các vi khuẩn xâm lấn hay vi sinh vật. Thêm vào đó
tiểu cầu kích thích hệ miễn dịch. Chúng có thời gian sống khoảng 9-10 ngày. Giống
như hồng cầu và bạch cầu, tiểu cầu cũng được sản sinh ở tủy sống.
Số lượng hồng cầu trong máu lớn hơn bạch cầu hàng nghìn lần và hơn tiểu cầu hàng
chục lần. Kích thước tiểu cầu nhỏ hơn hồng cầu vài lần. Vì vậy hồng cầu chiếm phần
chủ yếu trong tồn bộ khối lượng thành phần hữu hình của máu.
Huyết tương (plasma)

Hình 1.4: Các thành phần chính của máu (hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu và huyết
tương)

Huyết tương là một chất lỏng khá trong suốt mà vận chuyển hồng cầu, bạch cầu và tiểu
cầu. Khoảng 95% của huyết tương là nước. Khi trái tim bơm máu đến các tế bào của cơ
thể, huyết tương vận chuyển chất dinh dưỡng và lấy đi các sản phẩm cặn bã của quá
trình trao đổi chất. Huyết tương cũng có thể chứa những yếu tố gây tắc nghẽn máu,
đường, lipit, vitamin, khoáng chất, hormone, enzyme, kháng thể và các loại protein
khác.
Mối tương quan giữa khối lượng huyết tương và thành phần hữu hình của máu được
xác định bằng chỉ số hematocrit. Hematocrit biểu thị tỷ lệ phần trăm khối lượng các
chất hữu hình so với khối lượng chung của máu. Ở nam giới trung bình là 47%, ở phụ
nữ là 42%. Điều đó có nghĩa là ở nam giới, các chất hữu hình (các tế bào máu) chiếm
47%, huyết tương là 53% khối lượng máu, còn ở phụ nữ là 42 và 58%. Sự khác nhau


Chương 1: Lý thuyết về máu

14

đó chứng tỏ rằng hồng cầu trong máu nam giới nhiều hơn trong máu của phụ nữ.
Hematocrit ở trẻ em cao hơn người lớn. Hematocrit giảm đi khi già.
Trong lúc vận động, một phần huyết tương trong lòng mạch lọt qua thành mao mạch để
vào khoảng gian bào của các cơ đang làm việc. Kết quả là khối lượng máu tuần hồn
giảm xuống. Vì số lượng các chất hữu hình cịn lại trong lịng mạch làm thay đổi tương
quan giữa khối lượng huyết tương tuần hồn chung và chất hữu hình nên hematocrit
tăng cao. Ảnh hưởng đó gọi là sự cơ đặc máu khi vận động [2].
Để tìm hiểu về nguyên nhân gây ra tai biến mạch máu não, ngoài các thành phần liệt kê
như trên ta còn xem xét các yếu tố quan trọng khác đặt biệt là vai trò của cholesterol
đối với cơ thể của chúng ta.
Cholesterol
Cholesterol là một loại vật chất giống như sáp có mặt ở khắp nơi trong cơ thể chúng ta.
Nó hiện diện ở thành tế bào, và những nơi khác như não, dây thần kinh, cơ, da, gan,

ruột, và quả tim. Cơ thể của chúng ta sử dụng cholesterol để sản sinh ra các hormone,
vitamin D, và axit trong mật để phân giải chất béo. Chỉ một lượng nhỏ cholesterol
trong máu cần thiết cho những nhiệm vụ này. Tuy nhiên nếu có quá nhiều cholesterol
trong máu, nó có thể dẫn đến xơ vữa động mạch hiện tượng mà chất béo và cholesterol
bị đóng trên thành động mạch ở một số nơi trong cơ thể kể cả động mạch vành (động
mạch vận chuyển máu nuôi tim).
Lipoprotein
Cholesterol vận chuyển trong máu dưới dạng những khối gọi là lipoprotein. Giống như
dầu và nước, lipoprotein và máu không thể trộn lẫn với nhau. Để có thể di chuyển
trong dịng máu, cholesterol được sản sinh ở gan phải kết hợp với protein để tạo thành
lipoprotein. Lipoprotein này đóng vai trị như một động cơ sẽ vận chuyển cholesterol
trong dòng máu. Như vậy cấu tạo của mỗi lipoprotein có hai phần:


Chương 1: Lý thuyết về máu

15

Hình 1.5: Hình dáng và cấu tạo của lipoprotein
• Phần lõi bao gồm cholesterol và triglyceride
• Phần vỏ ngồi
Cholesterol và triglyceride khơng thể chuyển động xuyên qua thành mạch trừ khi nó
được mang trong hạt lipoprotein.
Có hai loại lipoprotein mà chứa cholesterol vận chuyển trong máu và ảnh hưởng của
chúng đối với cơ thể đặc biệt là bệnh tim mạch cũng khác nhau:
• Lipoprotein tỷ trọng thấp (low density lipoproteins - LDLs): là những cholesterol
không tốt. Các lipoprotein này vận chuyển hầu hết các cholesterol trong máu.
Cholesterol từ các lipoprotein này hầu như là nhân tố chính của các mảng xơ vữa
trong mạch máu. Vì vậy, càng nhiều lipoprotein tỷ trọng thấp trong máu thì nguy cơ
đối với xơ vữa động mạch và bệnh đau tim càng cao. Nếu lượng LDL trong cơ thể

cao hơn 100 mg/dl thì sẽ rất nguy hiểm.
• Lipoprotein tỷ trọng cao (high density lipoproteins - HDLs): là những cholesterol
có lợi. Các lipoprotein này vận chuyển cholesterol trong máu từ các cơ quan trong
cơ thể trở về gan. Như vậy các lipoprotein này sẽ giúp cho cơ thể tránh việc