基于计算流体力学的Stanford B型主动脉夹层血流动力学分析

目的通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)分析Stanford B型夹层的血流动力学参数,从而有效全面评估疾病。方法基于1例复杂的Stanford B型主动脉夹层患者的增强CTA影像,构建三维模型和血流动力学的数值模拟研究,分析流场速度分布、夹层破口剖面速度分布以及壁面切应力。结果该病例在夹层入口、出口处的血液流速分别最高达到1.2、2 m/s,为进一步预测夹层破裂位置和评估夹层破裂风险提供依据。在夹层破口附近的假腔壁面形成明显的低壁面切应力区,与患者体内血栓位置相一致。结论 CFD能有效分析复杂主动脉夹层的血流动力学特征,获得主动脉弓部及其降主动脉的剪切力与主动脉夹层发生的相关性,有助于指导临床对主动脉进行功能学评估,进而预防疾病发生。     

1例Stanford B型主动脉夹层TEVAR术后新发破口的血流动力学分析

目的 基于血流动力学分析,探究1例B型主动脉夹层在腔内修复术（thoracic endovascular aortic repair, TEVAR）后发生新发破口的原因。方法 对1位B型主动脉夹层患者在TEVAR术后1、6、12、24月定期复查主动脉CT血管造影检查（computed tomography angiography,CTA）。基于各时期CTA影像,重建三维模型,进行形态学和血流动力学数值模拟分析。结果 相比于术后1月,术后12月真腔直径增加1.8倍,且主动脉整体扭曲度增加16.67%;术后1、6、12月,在心脏收缩期新发破口处最大血流速度分别高于支架远端锚定区平均流速69.6%、33.7%、92.1%,最大壁面剪切应力分别为平均剪切力的2.52、2.32、3.52倍;此外,最大时均壁面切应力（time-averaged wall shear stress, TAWSS）在术后1、6、12月分别为平均TAWSS的1.88、2.53、3.62倍。结论 TEVAR术后新发破口处主动脉真腔直径存在明显突变,且持续增大。导致该处主动脉血流流速加快,内膜长期承受高壁面剪切应力,进而引起新发破口。     

多层裸支架植入主动脉夹层的流固耦合数值模拟

目的提出一种基于理想几何的单向流固耦合计算方法,用于分析多层裸支架干预后主动脉夹层假腔内的血流动力学和假腔壁面应力特征。方法根据假腔是否累及分支动脉将模型分为两类,建立单向流固耦合仿真模型以考察流体域对固体域的影响。模拟不同手术策略干预下,术后假腔内的血流动力学和壁面应力状态,并对血栓形成前后的假腔壁面应力状态进行对比分析。结果忽略支架释放过程对假腔壁面应力的计算影响较小。仅用多层裸支架无法有效缩小假腔内的高流速、高壁面剪切力(wall shear stress,WSS)区域;仅用覆膜支架封堵近端入口,远端将维持高流速、高WSS区域;覆膜支架和多层裸支架联合使用会使假腔内出现最大范围的低流速和低WSS区域,最大程度降低假腔内的压力和壁面应力。与有分支动脉模型相比,无分支动脉模型术后更易形成低流速、低WSS区域,但其术后假腔内血压更高。假腔内血栓的形成可大幅降低血栓覆盖区域的壁面应力。结论所提出的计算方法可同时分析术后假腔内的血流动力学和壁面应力特征,为研究多层裸支架引发假腔血栓化及主动脉再膨大的力学机理提供支撑。     

颅内动脉瘤径颈比对瘤体与分支血管血流动力学影响的数值模拟研究

动脉瘤的血流动力学是影响其生长与破裂的重要因素,尤其是形态学参数径颈比(aspect ratio,AR,瘤体长径/瘤颈宽度)对其血流动力学影响较大。本研究使用基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术的ANSYS 16.0软件包,数值仿真分析了不同径颈比对颅内动脉瘤瘤体与分支血管血流动力学的影响,为临床上制定合理的形态学与血流动力学指标来筛选高危的动脉瘤患者,并进行积极的干预治疗提供一定的理论依据。通过使用空间直角坐标系建立径颈比为3.33、2.5、2、1.67、1.43、1.25的理想颅内动脉瘤几何模型,分析和比较了包括血液流场与涡量分布、流速与流量、壁面压力、壁面切应力(wall shear stress,WSS)、瘤颈近远侧端与分支血管剪切应变率(shear strain rate,SSR)在内的血流动力学参数。数值模拟结果给出了动脉瘤与分支血管内的流线图、涡核图、压力分布云图、WSS分布云图以及随X轴变化的流速与压力峰值分布曲线。分析得出,径颈比决定瘤内血流模式,径颈比减小,瘤顶的流速与SSR增大,瘤壁上的压力与WSS增大,分支血管壁上的压力增大,且WSS/SSR瘤颈远侧端>WSS/SSR瘤颈近侧端>WSS/SSR分支血管中心,涡核区域由瘤体远侧壁增大至覆盖整个动脉瘤,但对分支血管内血流的阻碍作用减小。     

基于CT图像胸主动脉夹层与正常胸主动脉内血流动力学模拟对比分析

目的通过对基于CT图像的血流动力学数值模拟获得的患有降主动脉夹层与正常胸主动脉内的血流动力学参数的比较,分析主动脉夹层内血液流动状态与动脉夹层疾病的关系,为阐明主动脉夹层疾病的发病机制提供理论依据。方法患者A为46岁男性,胸主动脉正常;患者B为33岁女性,患有通腔型降主动脉夹层,即通腔形式的DeBakeyⅢ型主动脉夹层。CT图像为DICOM格式,层间距为0.5mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学图像后处理软件对通过临床获得的CT二维医学图像数据进行处理重构,得到正常和患有降主动脉夹层的胸主动脉三维立体模型并转化为可用于模拟计算的计算机辅助设计（CAD）模型。应用计算流体力学（CFD）软件模拟胸主动脉内血流情况,获得相关血流动力学参数。结果计算出胸主动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论在心动周期内患有动脉夹层胸主动脉内血流情况较正常胸主动脉内血流情况更为复杂,表现为管壁压力变化较大、夹层开口处出现多个漩涡等现象,表明主动脉夹层内复杂血流情况与主动脉夹层疾病的发病机制存在一定的关系。     

主动脉夹层及其移植管搭桥术的二维数值模拟

目的探讨搭桥术对主动脉夹层假腔内血流动力学参数的影响及该术式的治疗有效性。方法利用AutoCAD软件构建DeBakeyⅢ型主动脉夹层及其移植管搭桥术的理想化二维几何模型,然后利用ANSYS软件进行数值模拟,分析计算结果的血流动力学特性。结果在实施搭桥手术后,假腔内的血流速度与压力均小于实施搭桥手术前的值。结论利用旁路搭桥转流术可有效地降低主动脉弓的血压,减轻血流对夹层病变的冲击和压力。由此推之到其对防止夹层破裂,促进夹层局部病变愈合,是一种有效的手术方式。     

主动脉夹层腔内隔绝术围术期护理

主动脉壁内膜破裂,高速的血流通过破口将动脉的内膜和中膜分离,血液从中流动,过去称为主动脉夹层动脉瘤,现称为主动脉夹层血肿,简称主动脉夹层。血管腔内隔绝术（endovasculargraftexclusion,EVGE）是指经股动脉导入人工导管,以内支架固定于动脉壁上,将血液与瘤壁隔绝,使瘤壁免受血流冲击,以达到治疗目的的一种介入治疗方法。我院2006年1月至2010年3月共收治DeBakeyⅢ型主动脉夹层51例,现将主动脉夹层腔内隔绝术围术期护理报告如下。     

时间分辨动态增强磁共振血管成像技术在评估主动脉夹层原发破口的价值

目的探讨时间分辨动态增强磁共振血管成像(DCE MRA)技术用于评估主动脉夹层原发破口的可行性。方法选择2010年12月至2018年4月在江门市新会区人民医院诊治的20例主动脉夹层患者,其中男性15例,女性5例,年龄39～81岁,中位年龄65岁。时间分辨DCE MRA技术扫描与注射对比剂同时进行,62 s内采集20期图像;将数据传送至工作站进行图像后处理。分析原发破口情况,记录各时相破口两侧内膜移动及真假腔对比剂信号变化情况并进行统计学分析。结果 20例均获得15期动脉期图像,清晰显示原发破口及撕裂内膜。Standford A型3例,B型17例;3例(15%)患者可观察撕裂内膜摆动;对比剂经原发破口进入假腔,真腔内对比剂充盈时间、达峰时间及消退时间均早于假腔(t=-21.0、-12.9、-11.4,P 0.05)。结论时间分辨DCE MRA能清晰显示夹层原发破口、撕裂内膜及破口两端真假腔的血流情况,有助于夹层动脉分型及指导腔内治疗。撕裂内膜摆动提示真假腔间存在压力差,可能是导致夹层进一步扩大的不稳定因素,提示临床需及时积极干预治疗。     

分支血管直径对颅内动脉瘤置入血流导向装置后血流动力学参数的影响

目的综合考虑血流导向装置(flow diverter,FD)置入对动脉瘤瘤体及分支血管的影响,为临床制定更加合理的FD栓塞颅内动脉瘤手术策略提供参考。方法基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,创新应用多孔介质模型模拟FD栓塞颅内分叉动脉瘤的过程。分析和比较不同分支血管直径条件下FD置入动脉瘤前后瘤体与分支血管血液流场、血流速度、壁面压力、壁面剪切力(wall shear stress,WSS)等血流动力学参数的变化。结果 FD置入改变动脉瘤内的血流动力学特征,血流速度减小,动脉瘤壁尤其是顶部压力减小,瘤颈口WSS增大,但瘤颈远侧端与近侧端WSS的差异减小。且不同分支血管直径对血流动力学特征改变的影响程度不同,直径越大,FD置入后流入分支血管内血流的减少量越大,但瘤体内血液流速与瘤顶压力的减少量越小,同时瘤颈部WSS增加量越小。结论分支血管直径越大,FD对动脉瘤的栓塞治疗效果与对血管粥样硬化的改善作用越差,越易造成分支闭塞或其他缺血性并发症的发生。此类情况下进行FD介入栓塞术尤其需要引起临床医师注意。     

基于形态学和血流动力学的B型主动脉夹层病发机理分析

目的结合形态学分析与计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法探索Stanford B型主动脉夹层病发机理,为有效预测B型主动脉夹层发生提供依据。方法对6例初发夹层患者(夹层组) CTA数据和6例正常志愿者(对照组) MRI黑血成像数据进行图像分割和三维重建,获得个体化的主动脉三维模型。使用压缩算法去除假腔,获得夹层病发前主动脉形态,与对照组进行对比。比较两组形态学参数和血流动力学参数之间的差异。结果与对照组相比,夹层组主动脉弓降交界处的截面积呈现明显增大[(892. 03±263. 78) mm~2 vs (523. 67±64. 10)mm~2,P=0. 036];左锁骨下动脉和主动脉之间的夹角明显减小(66. 62°±20. 11°vs 100. 40°±15. 35°,P=0. 036);主动脉弯曲度显著增加(0. 37°±0. 07°vs 0. 21°±0. 51°,P=0. 011);夹层组平均壁面剪切力(time-averaged wall shear stress,TAWSS)明显高于对照组;发生夹层区域的血液呈现低速漩涡流动状态;且夹层区域的震荡剪切指数(oscillating shear index,OSI)也明显升高。结论研究结果可用于指导临床B型主动脉夹层病发初期诊疗决策。     

起旋式人工主动脉瓣构型设计及血流动力学评价

目的 设计一种附起旋功能的双叶机械瓣,通过改善其血流状态预防术后并发症。 方法 基于导流片式局部起旋器结构,将瓣叶作为导流叶片,并定义瓣叶包角以探究具有较优血流动力学特性的瓣膜构型。 应用有限元分析软件,对心缩期峰值流量状态下的主动脉流场进行仿真,螺旋性、壁面切应力分布等血流动力学特征。 结果 相较于对照瓣膜,起旋瓣具有更大的有效开口面积与更小的跨瓣压差,一定瓣叶包角范围内的起旋瓣能促进右手螺旋流的生成,并使血流趋向流道中心;起旋瓣壁面切应力分布也更加均匀,具有较少的低应力区与高应力区,壁面切应力峰值也相对较小。 针对研究中的主动脉模型,具有最优血流动力学特性的瓣叶包角为 15° ~ 20°。 结论 该新型人工主动脉瓣能调节主动脉内的血流特征,降低主动脉瓣置换术引起主动脉扩张与主动脉瘤的风险,对未来机械瓣构型设计具有指导意义。     

Investigation of Pulsatile Flowfield in Healthy Thoracic Aorta Models

Cardiovascular disease is the primary cause of morbidity and mortality in the western world. Complex hemodynamics plays a critical role in the development of aortic dissection and atherosclerosis, as well as many other diseases. Since fundamental fluid mechanics are important for the understanding of the blood flow in the cardiovascular circulatory system of the human body aspects, a joint experimental and numerical study was conducted in this study to determine the distributions of wall shear stress and pressure and oscillatory WSS index, and to examine their correlation with the aortic disorders, especially dissection. Experimentally, the Phase-Contrast Magnetic Resonance Imaging (PC-MRI) method was used to acquire the true geometry of a normal human thoracic aorta, which was readily converted into a transparent thoracic aorta model by the rapid prototyping (RP) technique. The thoracic aorta model was then used in the in vitro experiments and computations. Simulations were performed using the computational fluid dynamic (CFD) code ACE+^® to determine flow characteristics of the three-dimensional, pulsatile, incompressible, and Newtonian fluid in the thoracic aorta model. The unsteady boundary conditions at the inlet and the outlet of the aortic flow were specified from the measured flowrate and pressure results during in vitro experiments. For the code validation, the predicted axial velocity reasonably agrees with the PC-MRI experimental data in the oblique sagittal plane of the thoracic aorta model. The thorough analyses of the thoracic aorta flow, WSSs, WSS index (OSI), and wall pressures are presented. The predicted locations of the maxima of WSS and the wall pressure can be then correlated with that of the thoracic aorta dissection, and thereby may lead to a useful biological significance. The numerical results also suggest that the effects of low WSS and high OSI tend to cause wall thickening occurred along the inferior wall of the aortic arch and the anterior wall of the brachiocephalic artery, similar implication reported in a number of previous studies.     

人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析

目的阐明基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术,利用计算流体动力学方法对人体主动脉弓内的血液流场进行了三维数值模拟。方法通过对临床核磁共振成像进行图像处理完成主动脉弓及分支血管的三维数字化重构,结合相关脉动血流量,模拟主动脉弓在心动周期不同时刻的血液流动细节。结果计算得到了人体主动脉弓内的血液流动在心动周期不同时刻的速度场、压力、壁面剪切应力的分布特征。结论基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术有利于生物流体力学研究的深入开展,对主动脉弓进行血液流场的数值模拟有利于临床动脉粥样硬化、主动脉夹层的诊断和治疗。     

腹主动脉瘤的数值计算模型比较研究

目的分别采用纯流体模型和流固耦合模型来计算腹主动脉瘤的血流动力学特征,比较两种数值模型的不同,并讨论在研究腹主动脉瘤中的应用。方法使用Gambit 2.2.30和COMSOL Multiphysics 4.2建立腹主动脉瘤的理想模型,分别基于有限体的方法分析纯流体模型,基于任意拉格朗日-欧拉算法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)计算流固耦合模型。结果同样的入口速度下,纯流体模型出现4个涡流和6个局部压力集中;流固耦合模型只有2个涡流和局部压力集中,且涡流中心更接近腹主动脉瘤的远端。在边界层分离点、血流回帖位置以及腹主动脉瘤的近端和远端,两种模型均出现壁剪切力极值。血管壁的最大形变和最大壁应力出现在腹主动脉瘤的近端和远端。结论两种模型的涡流个数和涡流中心的位置均不一样,与瘤体的生长有着密切的关联;流固耦合模型中的最大壁剪切力比纯流体模型要小36%;最大壁应力和最大血管壁的形变量与出口血压呈正相关。在研究血管瘤生长与血流动力学的关系时需要考虑使用流固耦合模型。     

The Flow Field along the Entire Length of Mouse Aorta and Primary Branches

There is a spatial disposition to atherosclerosis along the aorta corresponding to regions of flow disturbances. The objective of the present study is to investigate the detailed distribution of hemodynamic parameters (wall shear stress (WSS), spatial gradient of wall shear stress (WSSG), and oscillatory shear index (OSI)) in the entire length of C57BL/6 mouse aorta with all primary branches (from ascending aorta to common iliac bifurcation). The detailed geometrical parameters (e.g., diameter and length of the vessels) were obtained from casts of entire aorta and primary branches of mice. The flow velocity was measured at the inlet of ascending aorta using Doppler flowprobe in mice. The outlet pressure boundary condition was estimated based on scaling law. The continuity and Navier–Stokes equations were solved using three-dimensional finite element method (FEM). The model prediction was tested by comparing the computed flow rate with the flow rate measured just before the common iliac bifurcation, and good agreement was found. It was also found that complex flow patterns occur at bifurcations between main trunk and branches. The major branches of terminal aorta, with the highest proportion of atherosclerosis, have the lowest WSS, and the relatively atherosclerotic-prone aortic arch has much more complex WSS distribution and higher OSI value than other sites. The low WSS coincides with the high OSI, which approximately obeys a power law relationship. Furthermore, the scaling law between flow and diameter holds in the entire aorta and primary branches of mice under pulsatile blood flow conditions. This model will eventually serve to elucidate the causal relation between hemodynamic patterns and atherogenesis in KO mice.     

Patient-specific flow analysis of brain aneurysms at a single location: comparison of hemodynamic characteristics in small aneurysms

The purpose of this study is to examine and compare the hemodynamic characteristics of small aneurysms at the same anatomical location. Six internal carotid artery-ophthalmic artery aneurysms smaller than 10 mm were selected. Image-based computational fluid dynamics (CFD) techniques were used to simulate aneurysm hemodynamics. Flow velocity and wall shear stress (WSS) were also quantitatively compared, both in absolute value and relative value using the parent artery as a baseline. We found that flow properties were similar in ruptured and unruptured small aneurysms. However, the WSS was lower at the aneurysm site in unruptured aneurysms and higher in ruptured aneurysms (P < 0.05). Hemodynamic analyses at a single location with similar size enabled us to directly compare the hemodynamics and clinical presentation of brain aneurysms. The results suggest that the WSS in an aneurysm sac can be an important hemodynamic parameter related to the mechanism of brain aneurysm growth and rupture.