人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析

目的:通过基于三维重构技术对正常人体主动脉弓内的血流进行非牛顿血液模型数值模拟,分析血流动力学参数与血管疾病的关系,并与牛顿血液模型获得的壁面切应力(WSS)参数进行比较。方法:对临床获得的CT医学图像据进行处理重构,并转化为可用于模拟计算的三维模型。应用计算流体力学(CFD)方法进行数值模拟计算。结果:获得了正常人体主动脉弓内血流在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:主动脉弓内复杂的血流情况与血管疾病的产生与发展存在一定联系,并且非牛顿血液模型更为适合进行深入细致的主动脉弓内血液低速区域的瞬态模拟分析。     

基于计算流体力学方法进行不同个体的主动脉弓内血流模拟对比分析

目的:应用医学CT图像数据三维重构技术和计算流体力学方法进行人体主动脉内血流数值模拟分析,通过对不同个体正常主动脉弓内血流数值模拟获得的血流动力学参数进行比较,分析讨论血流动力学参数与血管结构形状的关系及对血液流动的影响,为阐明血管疾病的发病机理提供理论依据。方法:应用医学图像后处理软件对通过临床获得的增强CT二维医学图像数据进行处理重构而得到不同个体的主动脉弓三维立体模型并转化为可用于模拟计算的CAD模型。应用CFD软件模拟主动脉弓内的血流情况,获得相关血流动力学参数。结果:计算得到了不同个体主动脉弓在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:计算流体力学数值模拟方法为个体主动脉弓内进行仿真模拟血流动力学分析提供了可靠方法。在心动周期内主动脉弓弯曲处存压力变化明显,出现漩涡等复杂血液流动现象,为研究血流动力学及各种脉管疾病提供一定的理论依据。     

正常体位下人体椎动脉内血流动力学数值模拟分析

目的:保证研究对象的椎动脉在正常体位下,即保证研究对象没有向前或向后发生椎动脉过度拉伸或弯曲的情况下,采集临床CTA图像,应用三维重构方法构建体外人体真实椎动脉并应用计算流体力学方法进行血流动力学数值模拟,比较不同研究对象椎动脉的血流动力学参数,分析椎动脉狭窄与血流动力学的关系。方法:研究对象A椎动脉在基底动脉之前部分出现狭窄;研究对象B椎动脉正常。采集的临床CTA图像均为Dicom格式,层间距为0.5 mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5 mm。应用医学图像后处理软件Simpleware对CTA二维医学图像据进行处理得到人体椎动脉三维立体模型。将椎动脉三维立体模型导入到CFD软件中进行前处理、网格划分和数值模拟。结果:通过瞬态模拟计算,得到了椎动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:通过对比两个不同个体的血流动力学参数来分析椎动脉内血流动力学参数与椎动脉狭窄的关系,发现椎动脉狭窄血流动力学因素(如低流速、低壁面切应力、高振荡壁面切应力)可以诱发和加速与动脉粥样硬化及血栓的形成,为进一步研究椎动脉狭窄等疾病的发病机理提供理论支持。     

考虑流固耦合作用的主动脉弓血液流动分析

流固耦合作用对血液的流动速度、回流速度和壁面剪应力有较大的影响。但迄今已有的研究工作较少考虑血液．血管相互作用和生理脉动作用的影响，可能难以真实地反映血液在主动脉弓中的流动情况。将升主动脉、主动脉弓和降主动脉联系起来，根据生理脉动流条件，利用有限元软件，分析流固耦合作用下主动脉弓中的血液流动问题。研究表明，流固耦合作用对血液流动速度、回流速度和壁面剪应力的变化趋势影响较小，对血液回流速度幅值、壁面剪应力幅值影响较大。结果表明：在心脏收缩与舒张转换期，主动脉内的血液向心室方向反流；考虑流固耦合作用总体上降低血液回流速度的幅值；在流固耦合作用下，壁面最大剪应力幅值比非流固耦合偏低约25％。     

颈动脉斑块的流固耦合数值模拟

目的 提出一种基于真实颈动脉狭窄患者的双向流固耦合计算方法,用于分析不同类型颈动脉斑块在病变处的血流动力学参数以及斑块自身的变形和应力变化。方法 对颈动脉中度狭窄病人CT血管造影数据进行3D建模,分离出颈动脉血管壁模型和斑块模型,并进行瞬态流固耦合计算。模拟颈动脉粥样硬化的早期到形成斑块,将斑块类型分为增厚斑块、脂质斑块、混合斑块和钙化斑块,其中增厚斑块视为无斑块的情况,代表血管内膜-中膜的增厚,并对不同斑块类型的狭窄颈动脉进行对比分析。结果 不同类型斑块对整体血流流动影响不大,但是脂质斑块病变处的壁面剪切应力低于其余斑块;以增厚斑块作为对照,斑块出现会抑制动脉的扩张,其中脂质斑块最为明显;钙化斑块有最高的平均结构应力,相反脂质斑块平均结构应力则是最低。结论 本文所提出的计算方法能够同时对流体和固体区域进行分析。研究结果有助于更好理解不同斑块类型对于颈动脉病变处的影响。     

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。     

基于个性化颈内动脉瘤模型的流固耦合分析

目的在考虑血管壁弹性条件下,分析颈内动脉血液流动和壁面切应力的分布特性,探讨动脉瘤破裂的生物力学因素。方法依据二维医学扫描图像构建三维个性化颈内动脉瘤模型。依据人体生理统计数据构建出血管壁模型。根据人体颈内动脉生理流动条件,利用有限体积法和有限元法模拟分析流固耦合作用下颈内动脉瘤中的血流动力学。结果在动脉瘤腔中有一个明显的涡旋存在,此涡旋流动的方向在心动周期内没有改变;在动脉瘤颈和动脉瘤壁面处存在一个壁面切应力值相对较大区域;在动脉瘤颈和动脉瘤顶有两个区域的Von Mises应力处于局部最大值。从材料强度角度考虑,这几个区域都是动脉瘤容易破裂的地方。结论通过流固耦合计算可以获得血管壁面应力分布特性,进而推断动脉瘤破裂的可能位置。     

基于流固耦合的载瘤血管内血液流动及血管损伤分析

目的研究两种常见血管瘤内的血液流动及其对血管壁力学性能的影响,以期提高动脉瘤的诊治水平、改善患者的预后。方法应用流固耦合方法对两种常见动脉瘤载瘤血管与血液之间的相互作用进行基于有限元计算的研究。主要分析瘤内血液流速、瘤壁变形、载瘤血管的应力分布和破坏形式。结果两种瘤内血液流速都很低而且流动平稳,使得瘤内可以形成较好的沉积和附着条件。瘤与血管下游的交界处是破坏的危险位置,梭形动脉瘤会在该处外壁发生剪切破坏,而囊形动脉瘤会在该处内壁发生拉伸破坏。在相同的血液流动作用下,囊形动脉瘤的载瘤血管会出现更大的应力,故更容易发生破坏,而且拉伸破坏会导致更严重的后果。结论动脉瘤与血管结合处易发生破坏;囊形动脉瘤危险性高、危害大。     

具不同狭窄-吻合口位置关系的冠状动脉搭桥术的血流动力学仿真分析

目的通过有限元仿真探索带有辅助搭桥血管模式的冠状动脉搭桥术中,辅助搭桥管吻合口与冠状动脉狭窄处之间的距离对该吻合口及其下游区域的血流动力学影响,为带有辅助搭桥管的新型冠状动脉搭桥术的临床应用提供理论指导。方法利用有限元分析方法,假定血液为不可压缩牛顿流体,建立3种搭桥血管模型,其冠状动脉上吻合口和狭窄的距离分别为0.0045 m、0.006 m和0.009 m。通过仿真结果考察不同模型中的血流速度、壁面切应力等参数的变化。结果吻合口与狭窄处之间的距离不同,冠状动脉血管内的血流动力学参数也不相同。速度方面,心动周期0.09 s时刻L1.5模型中吻合口足跟处轴向截面的最大速度约为0.54 m/s,同时刻L2和L3模型中其最大速度分别为0.45 m/s和0.37 m/s。壁面切应力方面,0.09 s时刻,L1.5模型中吻合口对应面的血管壁上其流动停滞点距离吻合口足跟仅为0.0024 m,同时刻L2和L3模型中其流动停滞点距离足跟处分别为0.0039 m和0.0068 m,长度明显增加。其他时刻流动停滞点分布有相同趋势。结论在实施冠状动脉搭桥术时,吻合口与狭窄处之间保持较大的距离,有利于改善吻合口处的血流动力学环境,降低吻合口处发生再狭窄的可能性。     

流固耦合作用下人体上呼吸道内气流运动特性数值仿真研究

分析人体上呼吸道内流固耦合现象,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于研究气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩及沉积模式具有重要作用。运用流固耦合力学数值仿真方法,在呼吸流量为30 L/min的状态下,对人体上呼吸道内稳态气流运动特性进行数值模拟,系统分析流固耦合作用下上呼吸道壁面的形变特点、壁面剪切应力分布以及呼吸道内的气流运动特点。结果表明:在低强度稳态呼吸模式下,人体上呼吸道整体向后运动,三级支气管位移最大为4.99 mm,气管前壁面受到拉伸,后壁面受到压缩;口喉模型中受到的壁面剪应力较大,最大处可达30.34 Pa,气管支气管受到的壁面剪切应力较小;气流速度在声门处达到最大值7.85 m/s,在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区,支气管内气流在分叉处分离,靠近支气管内壁速度较高。     

A patient-specific computational model of fluid-structure interaction in abdominal aortic aneurysms

It is generally believed that knowledge of the wall stress distribution could help to find better rupture risk predictors of abdominal aortic aneurysms (AAAs). Although AAA wall stress results from combined action between blood, wall and intraluminal thrombus, previously published models for patient-specific assessment of the wall stress predominantly did not include fluid-dynamic effects. In order to facilitate the incorporation of fluid–structure interaction in the assessment of AAA wall stress, in this paper, a method for generating patient-specific hexahedral finite element meshes of the AAA lumen and wall is presented. The applicability of the meshes is illustrated by simulations of the wall stress, blood velocity distribution and wall shear stress in a characteristic AAA. The presented method yields a flexible, semi-automated approach for generating patient-specific hexahedral meshes of the AAA lumen and wall with predefined element distributions. The combined fluid/solid mesh allows for simulations of AAA blood dynamics and AAA wall mechanics and the interaction between the two. The mechanical quantities computed in these simulations need to be validated in a clinical setting, after which they could be included in clinical trials in search of risk factors for AAA rupture.     

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。     

髂主动脉血栓后与正常髂主动脉血流动力学数值模拟对比分析

目的简化基于临床采集的增强CT图像数据进行人体腹主动脉及髂动脉真实三维解剖结构的过程,提高计算流体力学(CFD)计算结果的可靠性,并对比分析正常髂动脉和髂动脉血栓后血管内血流情况,为阐明动脉粥样硬化血栓的形成机制提供理论依据。方法患者A为40岁男性,腹主动脉及髂动脉正常;患者B为60岁女性,腹主动脉正常,但左髂主动脉部分血栓及左髂内动脉血栓。CT图像为医学数字成像与通信标准(DICOM)格式,层间距为0.5 mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学后处理软件对通过临床采集的增强CT二维图像数据进行三维重构,然后在通用有限元分析软件ANSYS中转换成可用于数值计算的计算机辅助设计(CAD)模型并直接进行CFD模拟计算。结果通过计算可得到A、B研究对象在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。B研究对象左和右髂动脉感兴趣区域的平均壁面切应力(0.576 6±0.009 0,3.260 2±0.032 0)明显区别于A研究对象左和右髂动脉感兴趣区域的平均壁面切应力(1.269 8±0.008 0,1.393 2±0.011 0)。结论通过CFD模拟方法的改进,得到更加接近生理解剖特征的血栓后不规则血管三维立体模型,并通过对比A、B研究对象的计算结果,分析了复杂的血流情况如低流速、低壁面切应力等现象与动脉粥样硬化血栓的形成机制存在一定的关系。     

基于CFD技术的Sarns离心式血泵流动特性分析

目的应用专业计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）分析软件FLUENT,对一种具有长短叶片的Sarns离心式血泵的内部流场进行三维数值模拟。方法利用Solidworks软件对Sams型血泵进行三维建模,然后对所建模型网格处理,通过选取标准,κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,具体分析了内部流动状态、压力分布、壁面剪切力等流场特性。结果结果表明,该离心泵内部流场分布较不匀,叶片及血泵出口处有回流和旋涡现象,剪切力大小基本处于致红细胞破碎的临界状态之下,高转速下剪切力最大,主要分布在叶轮区域,但暴露时间极短,基本满足血液生理要求。结论该研究为Sarns血泵的进一步优化提供了理论基础。     

应用计算流体动力学方法研究人工心脏流场

目的探讨计算流体动力学（CFD）方法在人工心脏设计中的应用。方法应用CFD Fluent6．1软件模拟不同状态下自制螺旋和轴流2种叶轮血泵泵腔、出人流口的流场状态．内部流场采用三维彩图显示。结果得到2种血泵在不同转速下压力流量情况和内部流场及剪切应力分布状态。结论模拟计算结果与体外实验结果对照显示CFD分析结果很好地提示血泵实际工作状态。CFD方法可以有效地提示设计血泵的血液相容性能，是血泵研制的可靠手段。     

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。     

Three-dimensional computational prediction of cerebrospinal fluid flow in the human brain

A three-dimensional model of the human cerebrospinal fluid (CSF) spaces is presented. Patient-specific brain geometries were reconstructed from magnetic resonance images. The model was validated by comparing the predicted flow rates with Cine phase-contrast MRI measurements. The model predicts the complex CSF flow patterns and pressures in the ventricular system and subarachnoid space of a normal subject. The predicted maximum rostral to caudal CSF flow in the pontine cistern precedes the maximum rostral to caudal flow in the ventricles by about 10% of the cardiac cycle. This prediction is in excellent agreement with the subject-specific flow data. The computational results quantify normal intracranial dynamics and provide a basis for analyzing diseased intracranial dynamics.     

血液黏性对小血管网计算流体力学的影响

背景：骨质疏松症患者多伴血液黏稠性增加,属于中医学“血瘀”范畴。血液黏性增加如何影响微血管流体性能有待阐明。目的：基于计算流体力学探讨血液黏性对小血管网流体力学的影响。方法：在ANSYS 19.0软件Geometry模块构建小血管网三维模型,在Mesh模块进行体网格划分,属性设定小血管网管壁为无滑移的刚性壁,血液为层流、黏性、不可压缩的牛顿流体,设定血液密度、入口流速等物理信息,并设定多个血液黏性系数,采用Navier-Stokes(NS)方程组进行计算。分析比较不同血液黏性下,小血管网不同部位流体力学性能差异。结果与结论：(1)血液流线、血液流速、质量流量及管壁剪切力在小血管网内均呈现“U”型分布,即出、入口处大,血管网中间交接处小;随着血液黏性系数增大,小血管网各部位血液流线逐渐稀疏、血液流速逐渐降低、质量流量逐渐减少,管壁剪切力则显著增大;血管网交接处的管壁剪切力改变量百分比最大。(2)结论：血液黏性会改变小血管网内流体力学环境,其中对管壁剪切力影响最为明显。基于计算流体力学可以很好地反映血液黏性改变对血液流体力学性能的影响,为基于成血管-成骨偶联的补肾活血法防治骨质疏松症提供新...     

腹主动脉瘤计算机仿真研究进展

腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm,AAA)是腹主动脉较常见的疾病,破裂之后致死率极高,因此,及时发现和评估AAA破裂的风险就具有重要意义。近年来随着医学影像、计算机及血流动力学等理论和技术的快速发展,利用计算机模拟技术对AAA进行仿真研究已成为研究的热点,其模拟的结果趋于人体真实的动脉瘤,并在揭示AAA的发生及演变的机制方面发挥了重要作用。本文介绍了AAA仿真研究的原理及模型分类,详细地阐述了瘤体形态、瘤壁的结构及属性、血液及血流的属性、腔内血栓等相关因素在仿真研究中的作用,并对其目前的进展及局限性予以综述。     

Investigating the performance of four specific types of material grafts and their effects on hemodynamic patterns as well as on von Mises stresses in a grafted three-layer aortic model using fluid-structure interaction analysis

One of the important parts of the cardiac system is aorta which is the fundamental channel and supply of oxygenated blood in the body. Diseases of the aorta represent critical cardiovascular bleakness and mortality around the world. This study aims at investigation of hemodynamic parameters in a two-dimensional axisymmetric model of three-layer grafted aorta using fluid–structure interaction (FSI). It assumes that a damaged part of aorta, which may happen as a result of some diseases like aneurysm, dissection and post-stenotic dilatation, is replaced with a biomaterial graft. Four types of grafts materials so-called Polyurethane, Silicone rubber, Polytetrafluoroethylene (PTFE) and Dacron are considered in the present study. The assumption of linear elastic and isotropic material is set for the both aorta's wall and aforementioned grafts. Blood is considered as an incompressible and Newtonian fluid. The results indicate higher displacement in Polyurethane and silicone rubber in comparison with other two. Furthermore, results reveal that blood flow velocity has slightly higher values in PTFE and Dacron grafted models compared to Polyurethane and Silicone rubber ones. Even though there are some differences in hemodynamic patterns in these grafted models, they are not considerable as much as von Mises stresses across the graft-aorta intersections are. This study shows that the types of material grafts play an important role in the amount of stresses particularly at intersections of aorta and graft.