面向医学应用的血流动力学数值模拟(I):动脉中的血流

针对主动脉弓、S形弯曲动脉、颈动脉、腹主动脉等几种典型动脉的血流动力学数值模拟结果进行了分析和探讨,对动脉狭窄及其旁路移植管搭桥术、动脉瘤及其血管内支架治疗、主动脉夹层及其旁路搭桥术等血流动力学进行了讨论.研究结果表明,血流动力学不仅在动脉病变的发生和发展过程中起着决定性的作用,而且是外科医生在心血管疾病的手术和介入治疗等过程中必须充分考虑的因素.     

面向医学应用的血流动力学数值模拟(Ⅰ)：动脉中的血流

针对主动脉弓、S形弯曲动脉、颈动脉、腹主动脉等几种典型动脉的血流动力学数值模拟结果进行了分析和探讨,对动脉狭窄及其旁路移植管搭桥术、动脉瘤及其血管内支架治疗、主动脉夹层及其旁路搭桥术等血流动力学进行了讨论.研究结果表明,血流动力学不仅在动脉病变的发生和发展过程中起着决定性的作用,而且是外科医生在心血管疾病的手术和介入治疗等过程中必须充分考虑的因素.     

冠状动脉对称双路移植管中血流动力学的数值模拟

作为对传统单路动脉移植管旁通术的改进,提出了一种新的双路对称移植管旁通术的几何构型.采用有限元法数值模拟了新构型中生理真实的血液流动,得到并分析了1个心动周期内,缝合区附近血流动力学参数,如流形、压力和壁面剪应力等的时空分布情况.计算结果表明,双路对称移植管旁通比单路旁通具有更好的血流动力学特性,流场得到明显的改善,从而可以减小再狭窄的可能性.     

基于改进SPH的皮肤表面血流模拟算法

针对现有血流真实感绘制中采用的动力学模型精度较低的问题,提出一种基于改进光滑粒与动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)的皮肤表面血流模拟算法。首先对血液模拟算法进行分析,选取Casson流体作为血液流动现象的流体动力学模型;然后,根据Casson流体的动力学方程的特点,对传统的SPH方法进行改进,并用改进后的方法对血液流动现象进行数值计算;最后将得到的血液粒子运动学信息用于模拟皮肤表面的血流过程。试验结果证明,该方法降低了传统方法的复杂度,提高程序的计算精度,为虚拟手术中对皮肤切口出血的仿真研究提供了新思路。     

半桥支架治疗主动脉弓动脉瘤的仿真

针对顶部附带局部突起的主动脉弓动脉瘤,提出了一种半桥支架治疗方法．为展示动脉瘤附近的详细流动情形和压力、壁面切应力分布,检验半桥支架是否具有可以促进瘤腔内血栓、闭锁形成的血流动力学特征,构建了无支架和半桥支架治疗带局部突起的主动脉弓动脉瘤模型．利用计算流体力学的方法对2个模型中的生理性血液流动进行了仿真,并对血流动力学进行了比较和分析．仿真结果表明:半桥支架模型瘤腔内的流动受到明显抑制,特别是局部突起处的压力和壁面切应力大大地减小了,因此,半桥支架可以促进瘤腔内血栓的形成,并能减小动脉瘤破裂的危险,是一种可行的支架治疗动脉瘤的方法．     

血管锥缩对动脉血流动力学特性的影响

本文运用非标准Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法，对动脉血管几何锥缩的血流动力学特性影响进行了计算机模拟研究．     

含主动脉锥缩的体循环混合参数模型

本文提出了一种新的、含主动脉锥缩的体循环系统简单模型,此模型既保留了对血流分布惯性和动脉分布顺应性的模拟,又给出了解析形式的模型解,在此基础上进行了计算机模拟并对锥缩程度对主动脉血流动力学特性的影响问题进行了模拟研究。     

基于CT图像的胸主动脉瘤模型构建及分析

三维重建基于CT的胸主动脉瘤有限元模型并进行血流动力学数值模拟,为分析胸主动脉瘤的血流动力学机理及其临床治疗提供理论依据.依据临床胸主动脉瘤患者CT数据,结合M IM ICS 11数字化影像处理软件,获取胸主动脉瘤的优化表面模型.随后导入ANSYS ICEM CFD11.0进行胸主动脉瘤模型的有限元网格划分.最后在ANSYS CFX11.0中完成胸主动脉瘤的血流动力学分析.建立了临床上适用于胸主动脉瘤患者血流动力学分析的有限元模型.获得了个性化胸主动脉瘤模型中血液流场的流线、速度矢量、血管壁面压力和血管壁面切应力的分布和变化.模型具有数字化、个性化特征,可用于胸主动脉瘤血液动力学计算,分析临床胸主动脉瘤患者动脉瘤的破裂机理.     

一种基于人脸对称性的差错掩盖方法

该文提出一种基于人脸对称性的差错掩盖方法。首先进行肤色分割,判断出肤色区域;然后对检测出的肤色区域进行对称性判断,选出对称的人脸区域并采用人脸对称掩盖算法进行差错掩盖,对其它区域则采用自适应插值算法。采用H．264的JM86模型对算法进行验证,实验结果表明,与传统的插值算法相比,该文算法利用了人脸的对称性,对于对称的人脸区域获得了更好的掩盖效果。     

基于双弹性腔模型与整心动周期脉搏波的血流动力学参数估计

为了对心脏疾病的诊断和治疗提供指导,同时也为进行心脏辅助装置的设计及评价提供有利的工具,提出了基于双弹性腔模型和整心动周期脉搏波的血流动力学参数估计方法,运用非线性最小二乘Levenberg-Marqurdt算法对实测脉搏波数据进行参数估计得到动脉系统的模型参数,即人体的血流动力学参数(包括外周阻力、动脉顺应性和血流惯性).利用MATLAB/Simulink工具结合图形用户界面(graphical user interface,GUI)建立的左心与动脉系统耦合的动力学电路模型得到的仿真结果与人体实测脉搏波数据进行对比分析,验证了模型参数估计的有效性.用该方法估计的参数结果符合生理参数范围,且效果优于传统的舒张期估计方法,其中主动脉顺应性参数的估计结果误差降低了50%,参数带入模型得到的仿真结果与实测脉搏波之间的误差也降低了20%左右.     

两类补丁对S型旁路移植影响的血流动力学数值研究

在下肢动脉重建手术中常使用Miller袖口和Taylor补丁来提高术后血管的长期通畅率.相对于传统移植方式,基于旋动流理论建立的S型动脉旁路移植方法可在宿主动脉内产生螺旋流动,有效地减少吻合口内膜增生.为了研究Miller袖口和Taylor补丁在S型动脉旁路移植术中对吻合口流场的影响,通过数值方法建立原始S型、以及分别采用Miller袖口和Taylor补丁的3个S型旁路模型,对比分析其速度场、二次流、螺旋度、壁面切应力等参数.结果表明,原始模型具有紊乱的流场,急剧变化的壁面切应力,在足尖、吻合口相对的宿主动脉底部壁面的血流动力学特性容易引发内膜增生.Miller模型壁面切应力变化稳定,但足尖处的血流动力学较差,容易引起内膜增生.Taylor模型流场最为均匀,壁面切应力变化平缓,吻合口内的高螺旋度面积比例最高.比较而言,在S型股动脉旁路移植手术中采用Taylor补丁可以更好的改善吻合口的流场特性.     

主动脉夹层形成、扩展和治疗的力学机理

为了探讨主动脉夹层的力学机理,对主动脉夹层形成、扩展和治疗的力学问题进行了分析和综述.分析了主动脉弓运动导致主动脉夹层的力学机制,提出了应力集中和疲劳损伤对主动脉夹层扩展的促进作用,介绍了采用旁路搭桥转流术治疗DeBakeyⅢ型主动脉夹层的血流动力学仿真.     

非对称双塔连体结构的地震反应分析

以某十层双塔连体结构为算例,利用有限元分析软件ANSYS建立对称与非对称两种双塔连体结构的有限元模型,然后对建立的两种模型的模拟结果进行比较,分析地震作用下对称与非对称双塔连体结构对地震反应的影响,从而得出几点规律,以供实际工程应用参考.     

人工心脏植入方式对主动脉内微栓运动规律的血流动力学影响

为阐明人工心脏植入方式对主动脉内微栓运动的影响规律,首先,根据临床心衰患者的CT数据重建个性化真实主动脉模型,在此基础上耦合人工心脏串联植入与旁路植入模型,其中人工心脏泵植入主动脉内与心脏形成串联模式,旁路植入模式是人工心脏泵植入到心尖与升主动脉之间;其次,采用离散相理论和有限元方法对该模型进行血流动力学研究,获得不同人工心脏植入方式下主动脉内血流动力学的变化以及微栓分布数据;最后,对微栓分布数据进行统计学分析,获得人工心脏植入方式对主动脉内微栓运动的影响规律.串联植入方式下,进入降主动脉的概率是69.43%,微栓运动轨迹较规律;旁路植入方式下,进入降主动脉的概率为86.16%,微栓运动轨迹较紊乱.人工心脏的不同辅助方式改变了主动脉内血流动力学环境,从而可能影响微栓在主动脉内的运动规律.     

多流道旁通筛管性能实验评价

在海上油田砾石充填作业中，由于设计、井眼不规则、地层等原因导致充填不完全或充填失败，严重影响油井产量。设计研发了一种新型多流道旁通筛管，在常规充填结束后，旁通通道继续对亏空段进行充填。通过自研的大型全尺寸水平井度砾石充填实验模拟系统，对所设计的多流道旁通筛管进行了性能评价。结果表明，在无砂桥旁通管砾石充填实验中，旁通段充填效率为100.0%，连接输送玻璃管时出口处返液流量与输送玻璃管返液流量比为0.68 : 1，相比清水实验，旁通通道内的液体流量大幅提高；与有砂桥旁通管砾石充填实验相比，常规筛管充填效率提高62.5%，出口处返液流量与输送玻璃管返液流量比为1.60 : 1。实验证明，新型筛管的旁通性能和输送性能良好，砾石充填效率高。     

面向医学应用的血流动力学数值模拟(Ⅱ)：前景展望

针对心血管瞬态流固耦合数值模拟、基于个性化血管几何模型三维重建的数值模拟、血流动力学可视化实验平台、协同虚拟现实系统等前沿课题以及力学生物学、多尺度流动等其他问题,提出了深入研究的方向.即充分发挥现代信息技术的优势,形成集成化的、多学科综合交叉的先进研发领域.     

圆锥基准柄带角圆的柱面铣刀质量评定模型

为评定圆锥柄带角圆的柱面铣刀的外缘质量，以刀具在工程中的实际应用为基础，建立了最小外包容圆锥基准柄对称轴线的求解模型，推导出以此轴为基准的最小外包容圆柱和最小包容角圆回转面的评定模型，以圆锥基准柄带角圆的柱面铣刀外缘实际测量离散点为例，分别计算出最小外包容圆锥对称轴的方程、圆柱的半径和角圆心轨迹的半径及角圆半径，验证了上述模型的正确性和可行性。     

ANSYS和MATLAB在血流动力学可视化中的应用

为了阐述ANSYS和MATLAB在血流动力学数值仿真分析的数据处理及可视化中的应用问题,利用ANSYS和MATLAB对动脉血管的血流动力学进行了有限元分析及前后处理。结合ANSYS和MATLAB的特点,利用两种系统的内部功能和程序设计,分别对有限元网格划分和计算结果进行了可视化处理,显示了动脉血液流动计算模型的前后处理结果,给出的大量图形显示出流场中各个物理量的时空分布。利用可视化图形可以看出流场中感兴趣区域的速度、压力、壁面切应力的时空分布情况,为研究人员提供了形象的数据资料。