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.     

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.     

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.     

股动脉对称搭桥术的数值研究

为了克服股动脉传统搭桥术的缺点,提出了一种对称搭桥术．利用计算流体力学的方法,对传统搭桥术和对称搭桥术中的生理性脉动血流进行了仿真分析,并对其中的血流动力学物理量进行了比较．结果表明,对称搭桥术具有均匀的流动特征和壁面切应力分布,可以改善缝合区的血流动力学特性,并减少内膜增生和再狭窄的发生．     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

血流脉搏波在动脉内传播的在体实验研究

对身体状况不同的三条狗的胸主动脉和颈动脉的脉搏波传播特性进行了实验研究。实验中,采用日本进口的多道生理记录仪的压力传感器和电磁血流计的流量探头来同时测量,通过测量动脉两端的压力波形来评估压力脉搏波在动脉内的传播特性。测量结果表明,主动脉的脉搏波传播的一般规律是基本上相同的,但三条狗主动脉的压力和流量波形是有重大的差别。同一条狗的颈动脉脉波搏之压力和流量波形与主动脉的压力和流量波形是密切相关的,这些结果对生物医学工程和临床应用是很有意义的。     

不同破口位置对主动脉夹层真假腔内压力及肾肠灌注的影响

为提高主动脉夹层疾病的治疗效果,针对主动脉夹层疾病,研究主动脉夹层内的血流动力学变化,尤其是不同破口位置下,夹层患者的肾肠等器官的灌注情况及产生的影响.利用3D打印技术制作不同破口位置的主动脉夹层模型,通过实验方法进行主动脉夹层内血流模拟,并对主动脉夹层模型真假腔内的压力及肾肠支脉的压力进行测量,辅以超声技术进行观测.不同破口位置下,真假腔压力都会随不同基准压力(15 960、21 280、26 600 Pa)的升高而增大,在3种基准压力水平(15 960、21 280、26 600 Pa)下,模型B肠系膜动脉压力明显高于模型A肠系膜动脉压力.真假腔压力会随不同基准压力的升高而增大,压力极差变化更加剧烈,管壁的负担加重,夹层破裂风险更大.降压手段支持下,模型B有可能出现肠器官灌注不良状态,即因低灌出现脏器缺血情况.     

推注时相及位置对支气管动脉灌注影响的模拟实验研究

用体外模拟实验的方法，研究了注射导管端口位于降主动脉内支气管动脉入口附近不同位置，于心动周期不同时相间歇推注药液时，进入支气管动脉药液灌注率，得到了药液灌注率随药液推注时相和导管端口位置的变化规律，为临床血管性介入治疗中提高分支动脉药液灌注率提供血流动力学依据。     

三维锥形动脉中脉动流的数值模拟研究

在正常生理脉动流下,运用计算流体力学方法和血流动力学的基本原理,对三维渐缩锥形弯曲动脉内血液脉动流进行数值模拟和可视化分析.计算获得了具有锥度角的弯曲动脉内血液流动在心动周期内不同时刻的压力分布、速度分布.通过对弯曲动脉及其形成局部狭窄后,管腔内的血液流速和压力分布的研究,为动脉粥样硬化的成因及排除方法的研究提供更可靠的理论依据.结果表明,锥度角和动脉管壁的曲率变化对非定常状态下的脉动流的压力、速度分布、血流的局部能量损失的影响很大,这与实际情况相符.     

血流动力学有限元后处理的集成化开发

为了提高血流动力学有限元分析可视化后处理的效率,基于ANSYS、利用VC、调用MATLAB进行了集成化软件开发.以ANSYS作为设计平台,借助VC设计参数化输入界面,调用MATLAB绘图功能实现了多种图形的绘制.以ANSYS绘制的矢量图、等值线图,以MATLAB绘制的压力脉搏波时空分布图说明该程序完全可用.集成化的后处理软件可以大大提高血流动力学可视化的效率.     

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。     

主动脉内血泵对血管血流动力学的影响

主要研究主动脉内血泵辅助程度的变化对主动脉血管的影响.采用集中参数模型方法与弹性腔理论,设计了心血管循环系统-主动脉内血泵耦合集中参数模型,对模型进行了计算机模拟仿真.仿真结果表明:当主动脉内血泵工作在恒速模式时,主动脉血压和血流量的平均值会随着血泵转速提高而增加,但搏动成分却会随着血泵转速的提高而显著降低;当血泵转速达7 200 r/min时,主动脉压力和血流量的搏动成分几乎为0;由于主动脉压和血流量的搏动性过低会影响主动脉血管的结构和功能,因此恒速控制不适合主动脉内血泵的长期辅助控制.     

血管支架疲劳寿命分析

为了对血管支架的疲劳寿命进行评估,本文建立动脉管壁/血液耦合模型,采用有限元法,利用AN-SYS有限元分析软件,对植入支架后的血管内血流动力学、以及血液对植入支架的血管内壁的作用整个过程进行了模拟分析,实现了结构分析和流体分析的耦合计算,得到了在周期性正弦血流的条件下流固耦合过程的数值结果.由流固耦合结果及304不锈钢高周疲劳的S-N曲线对血管支架的疲劳寿命进行了评估.模拟结果显示,血流对支架产生周期性的应力,此周期性应力影响血管支架的疲劳寿命.     

非线性血流脉搏波在动脉内传播的理论模型

在前人研究基础上提出了一个新的血流脉搏波在动脉内传播的理论模型，考虑了动脉血管的粘性以及血液中血浆和红细胞的分层，导出了血液、动脉及其外周组织组成的流固耦合系统的运动微分方程组，并将基进行了无量纲化。     

出血性休克微循环血流的流变学分析之二──RBCs离散度与拟剪切率的相关性

在对１２只大鼠提睾肌出血性休克微循血流在体观察基础上，采用ＭＣＩＰ数字图象处理技术，在体测量了平均管径为１５０μｍ的微动脉内径、细胞柱直径，以及拟剪切率等微循环流变学多数，为了有效的描述出血性休克微循环障碍时的微血流紊乱现象，我们定义了一个新的微循环血流多数：红细胞（ＲＢＣｓ）离散度，它等于微血管中ＲＢＣｓ柱直径与管内径之比，根据实验数据，对ＲＢＣｓ离散度与拟剪切率的相关性进行了定量分析，本研究认为，ＲＢＣｓ离散度作为在体测量的微循环血流动力学多数，在反映微血流紊乱时的病理信息方面，检测ＲＢＣｓ离散度比ＨＣＴ更为有效。     

心血管系统键合图模型研究

针对目前心血管系统模型难以扩展的问题，根据人体心血管系统的解剖结构，提出了基于键合图技术的心血管系统整体模型.该模型由心脏、头部循环、颈部循环、肺循环、冠脉循环、腹部循环和四肢循环构成，共包含54个微分方程，可以仿真得到各段血管上的压力波、流量波等生理信号以及每搏输出量、心输出量和射血分数等心血管参数.在正常生理情况下，仿真得到收缩压和舒张压为115和78 mmHg、每搏输出量80 mL、心输出量5.76 L、射血分数64.5%.仿真结果表明,该模型对人体心血管系统的仿真是有效的.通过调节模型的输入参数仿真了动脉粥样硬化、高血压和锁骨下动脉狭窄情况下的血流动力学情况，仿真结果与病理情况一致.该模型高度结构化，各分支间相对独立，具有很好的扩展性.