支架植入颅内蜿蜒型动脉瘤的血流动力学仿真

目的　构建蜿蜒型动脉瘤和弯曲支架三维有限元模型,研究支架植入动脉瘤后的血流动力学的变化。方法　通过CAD软件构建出几何实体模型,借助有限元软件利用计算流体力学方法,分别对无支架和有支架的蜿蜒型脑动脉瘤定常流动血流动力学进行数值模拟,分析在动脉瘤中植入内支架前后的瘤腔内流动情形、压力和壁面切应力分布的变化情况。结果　有支架动脉瘤模型上游瘤腔内的血流速度被大大削弱,圆顶突起处局部高压力明显减弱,在下游瘤腔沿壁面的压力也得到明显降低并且分布也均衡了很多,末端唇缘处局部高切应力消失了,出现的是较小且均衡的切应力。结论　有支架模型瘤腔内的流速明显减小,均衡的压力分布与瘤腔内减弱的流动速度是相互统一的,利于瘤腔内血栓的形成。     

支架治疗主动脉弓内侧动脉瘤的仿真研究

血管内支架是治疗主动脉弓动脉瘤的一种新技术。目前还没有人对具有局部突起的动脉瘤支架治疗血流动力学进行过研究。基于这样的事实,本仿真研究对主动脉弓内侧动脉瘤的支架治疗进行血流动力学分析。为便于比较,分别建立了有支架和无支架的主动脉弓动脉瘤模型。利用计算流体力学的方法对两个模型中的生理性血液流动进行了仿真。对流动情形、压力和壁面切应力分布进行了比较和分析,以便评价血管内支架对主动脉弓动脉瘤治疗的效果。结果表明,有支架的模型和无支架的模型,在瘤腔内的流动情形具有显著的不同。有支架模型瘤腔内的流动受到明显的抑制,特别是局部突起处的压力和壁面切应力大大地减小了。这些现象使我们有理由推断,血管内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。     

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。     

基于三维医学影像的脑动脉瘤内血液流动的数值模拟

目的 利用数值模拟研究具有病人特异性的脑动脉瘤内的血液流动,为脑动脉瘤的破裂风险的评价和动脉瘤介入栓塞后复发风险的评价提供帮助。方法 从两例脑动脉瘤病人的3D-RA数据中重建动脉瘤几何模型,血液流变学模型选择假塑性非牛顿流体模型,利用商用CFD软件Fluent对两例动脉瘤内的血液流动进行数值模拟。结果 数值模拟给出了动脉瘤内的流线图、重要截面上的速度分布图、壁面上的切应力分布和压力分布图。并且绘制了在收缩期时刻动脉瘤颈部和瘤顶部各20个点上的壁面切应力和压力的变化情况。结论 血流动力学因素如流速、压力、壁面切应力、流动对壁面的冲击状况等因素与动脉瘤的生长和破裂密切相关,而由于脑动脉瘤形态各异、载瘤动脉与动脉瘤体的几何关系复杂,所以具有病人特异性的数值模拟对于研究动脉瘤破裂和复发风险具有重要价值。动脉瘤颈部的壁面切应力和壁面切应力的波动的变化规律并不相同,需要进一步研究壁面切应力的波动与脑动脉瘤生长与破裂之间的定量关系。     

蜿蜒型脑动脉瘤的血流动力学仿真

目的分析在一个心动周期中蜿蜒型脑动脉瘤的血液流动情形、压力和壁面切应力分布和变化情况。方法构建了二维理想化的蜿蜒型脑动脉瘤（有2个动脉瘤）几何模型。利用计算流体力学方法对生理性脉动流进行了数值仿真。选择6个相继的心动时刻来显示流腔内的流动。结果2个流腔内的流动情形和壁面切应力分布呈现相似的特征,而第2个动脉瘤的末端瘤口则呈现非常高的壁面切应力和很高的压力梯度,这将更易于导致动脉瘤的发展和破裂。结论血液流动特征可以帮助人们更好地理解在S形弯曲动脉上滋生的在体蜿蜒型动脉瘤的血流动力学特性。     

半圆形截面支架介入串联囊状动脉瘤的血流动力学仿真

为了研究半圆形截面支架对颅内串联囊状动脉瘤血流动力学的影响,针对同一动脉瘤结构,构建无支架和4种截面支架介入动脉瘤的有限元模型,分别命名无支架为U型、圆形截面为C型、半圆形截面圆面朝向瘤腔为ES型、圆面朝向血管轴向为IS型,然后对模型中的生理脉动流进行计算流体动力学仿真。数值模拟的结果显示:有支架模型的腔内流速被有效削弱,壁面附近的流速很低;血流对瘤腔的冲击减弱,壁面切应力的量值和波动性降低,分布均衡;腔内压力在支架介入后略有升高。对比分析两个瘤腔,流动情况和壁面切应力基本相同,下游瘤腔的压力低于上游瘤腔。IS型的仿真结果更好,这为支架的结构设计提供了一些理论指导。     

基于影像数据的三维颅内动脉瘤血流动力学数值:手术前后壁面切模拟对比

背景:颅内动脉瘤是由于动脉血管壁病理性局限性扩张产生的脑血管瘤样突起。血流动力学因素被认为是颅内动脉瘤形成、生长、破裂过程中的一个重要因素,因此基于计算流体力学的计算机数值模拟技术得到了广泛的应用。目的:通过对颅内动脉瘤术前术后进行血流动力学分析计算,探讨颅内动脉瘤术后壁面切应力的变化对动脉瘤是否复发的影响。方法:对1例复发病例和1例未复发病例术前、术后的动脉瘤进行建模,实行血流动力学计算。结果与结论:复发病例术后动脉瘤残颈处的切应力局部剧增;未复发病例术后动脉瘤残颈处切应力普遍减小。术后动脉瘤残颈处壁面切应力与术前相比,若普遍减小,能够降低动脉瘤复发的风险;反之,则增大了动脉瘤复发的风险,动脉瘤易复发。     

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。     

非定常流动情况下Womersley数和Reynolds数对腹主动脉瘤流动的影响

目的讨论非定常流动情况下，各参数对管壁压力和壁面切应力的影响，进而分析血液流动对内皮细胞和血管弹性的影响。方法应用两维对称模型模拟腹主动脉瘤中的非定常流动。结果Womersley数和Reynolds数越大，流动状态越复杂，涡的强度越大，对壁面切应力和压力都有很大的影响。结论壁面切应力和压力长期且快速的改变对内皮细胞和血管的强度产生影响，进而影响到动脉瘤的形成、成长和破裂。     

腹主动脉瘤中定常流动的三维数值模拟

目的讨论定常流动情况下，三维腹主动脉瘤模型内的流动情况。方法应用三维非对称模型进行数值模拟。结果结果表明，在对称面上有一个涡而横截面上有两对涡的存在。壁面切应力在动脉瘤的出口处数值较高且变化大。结论流动和壁面切应力分布反应动脉瘤出口处为破裂的危险区域。     

腹主动脉瘤几何形态对血液动力学影响的三维数值分析

目的研究腹主动脉瘤不同形态学对瘤内血液动力学的影响,为临床预估动脉瘤的破裂提供参考。方法根据动脉瘤影像学上的特点建立不同几何形态的数学模型,采用计算流体动力学(CFD)方法,在周期性脉动速度入流、刚性壁面以及血液为牛顿流体的条件下,对一个心动周期内瘤内流场进行数值分析研究,比较不同几何形态腹主动脉瘤内血液动力学。结果非轴对称模型可造成相对较大的壁面剪应力;带有峰值偏移和曲率半径偏转的腹主动脉瘤,瘤内漩涡的发展变化会随着几何形态的不同而产生变化。结论腹主动脉瘤内流场特征的变化受到不同形态学的影响。     

构建颈内动脉瘤双向流固耦合模型的血流模拟

背景：动脉瘤血液动力学变化为动脉瘤的治疗与其破裂的预防研究提供了前提与条件,有限元分析是一种很好的技术手段。 目的：构建颈内动脉瘤的双向流固耦合模型,并进行相关血流模拟。 方法：利用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得颈内动脉瘤CT血管造影数据,分别在mimics10.01软件上进行三维模型的实体构建,ansys+fluent软件进行流固耦合及血流模拟与仿真。 结果与结论：构建了颈内动脉瘤瘤壁和流场的有限元模型,模型具有良好的解剖形态,并与实体模型一致。模拟展示整个心动周期的血流变化：瘤体血流呈漩涡样,瘤体部流速较瘤颈部慢;血流引起动脉瘤壁的形变、壁面剪切力、压力及应力以瘤颈部最大,瘤顶部最小。模拟值以0.16 s(快速射血期)时刻为最高值,0.74 s(舒张期)为最低值。结果显示基于CT血管造影扫描数据进行颈内动脉瘤的双向流固耦合建模,其方法简单、实用。模拟动脉瘤血流接近人体的生理状态,结果为研究动脉瘤发生、发展提供新的理论依据。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程全文链接：     

个体化颈动脉瘤的血流动力学特性分析

目的构建个体化的流固耦合模型,计算分析不同血液特性对动脉瘤腔内血液动力学的影响,进一步探讨对脑动脉瘤破裂的影响。方法首先采集3D数字剪影图像构建动脉瘤模型,通过流体动力学计算方法分析在相同边界条件下,不同血流特性对颈动脉瘤动力学参数的影响。最后对简化颈动脉瘤实验模型进行粒子图像测试(particle image velocimetry,PIV)实验,以验证血流计算方法的可靠性。结果不同血流特性的流固耦合模型,在1个心动周期内,在相同时刻,瘤腔内的低速区域面积、瘤腔流线分布、壁面剪切力(wall shear stress,WSS)及动脉瘤壁面变形有较大的差异。通过PIV实验发现,在瘤腔内涡流位置随速度变化而变化,与模拟分析结果流动趋势相一致。结论两种血液特性差异较小,但非牛顿流体更加接近血液真实状态,数值结果将更接近真实流动状态。     

血流动力学的医学应用与发展

血流动力学是指血液在血管系统中流动的力学,主要研究血流量、血流阻力、血压、切应力、扰动流等,以及它们之间的相互关系,对人类生命健康具有重要的影响。血流动力学在血管的弯曲、狭窄、堵塞、分叉以及肿瘤的治疗等方面具有重要的临床研究意义。目前,血流动力学在动脉血管搭桥、冠状动脉狭窄、腹主动脉瘤、动脉粥样硬化、脑动脉肿瘤以及旋动流等方面引起广泛研究。伴随着血流动力学的深入研究,心脑血管的手术规划、介入治疗等得到快速发展,基于血流动力学的临床检测和治疗仪器也越来越多。血流动力学因素,如血管压力、血管阻力、血流量、壁面切应力、血液黏度、流动分离、湍流、涡流等对常见血管疾病以及术后并发症的影响机理正在逐步深入探索之中,并已经取得了一定成果。     

Alteration of hemodynamics in aneurysm models by stenting: Influence of stent porosity

Recent developments in minimally invasive approach to cerebrovascular diseases include the placement of stents in arteries for treatment of aneurysms. Preliminary clinical observations and experimental studies have shown that intravascular stents traversing the orifice may lead to thrombosis and subsequent occlusion of the aneurysm. The alterations in vessel local hemodynamics due to the introduction of a stent are not yet well understood. We investigated changes in local hemodynamics resulting from stent implantation. Pulsatile flow patterns in an experimental flow appraratus were visualized using laser-induced fluorescence of rhodamine dye. The test cells were constructed in a rectangular shape to facilitate an undisturbed longitudinal view of flow patterns in parent vessel and aneurysm models with and without porous stents. Woven nitinol stents of various porosities (76%, 80%, 82%, and 85%) were investigated. The selected fluid dynamic similarity parameters (Reynolds and Womersley numbers) represented conditions usually found in high-flow, larger arteries in humans (such as the carotid artery) and low-flow, smaller arteries (such as the vertebral artery). The mean Reynolds number for the larger arteries was 180, with maximum/minimum values of 490/−30 and the Womersley number was 5.3. The mean Reynolds number for the smaller arteries was 90, with maximum/minimum values of 230/2, and the Womersley number was 2.7. For the larger arteries modeled, placement of a stent of the lowest porosity across the aneurysm orifice resulted in reduction of aneurysmal vortex speed and decreased interaction with parent vessel flow. For smaller arteries, a stent of the same porosity led to a substantial reduction of parent vessel/aneurysmal flow interaction and the appearance of a nonrecirculating crescent of fluid rich in rhodamine dye in the aneurysm dome. Our results can help explainin vivo thrombus formation within an aneurysm after placement of a stent that is compatible with local hemodynamics.     

可实现特殊网格划分的个性化动脉瘤实体模型的构建

目的　通过建立一个可以用于有限元分析,可进行分区域网格划分的个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,探索一种能满足特殊网格划分要求的个性化实体模型的建立方法。方法　采用逆向工程的思想方法,借助Geomagic和Pro/E软件,以原始STL格式的表面模型为依据,建立了一个个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,并加入理想化支架模型,导入ANSYS有限元分析软件最终完成实体模型的建立和分块。结果　建立的有限元模型,可进行针对边界层和支架的分区域网格划分,并完成了一个血流动力学模拟仿真。结论　建立的模型基本满足对特定区域网格细划分的需要,可以为支架介入治疗动脉瘤的血流动力学仿真提供基础。所建模型的方法是可行的,可以为将来建立其他类似模型提供参考。     

Vortex Phenomena in Sidewall Aneurysm Hemodynamics: Experiment and Numerical Simulation

We carry out high-resolution laboratory experiments and numerical simulations to investigate the dynamics of unsteady vortex formation across the neck of an anatomic in vitro model of an intracranial aneurysm. A transparent acrylic replica of the aneurysm is manufactured and attached to a pulse duplicator system in the laboratory. Time-resolved three-dimensional three-component velocity measurements are obtained inside the aneurysm sac under physiologic pulsatile conditions. High-resolution numerical simulations are also carried out under conditions replicating as closely as possible those of the laboratory experiment. Comparison of the measured and computed flow fields shows very good agreement in terms of instantaneous velocity fields and three-dimensional coherent structures. Both experiments and numerical simulations show that a well-defined vortical structure is formed near the proximal neck at early systole. This vortical structure is advected by the flow across the aneurysm neck and impinges on the distal wall. The results underscore the complexity of aneurysm hemodynamics and point to the need for integrating high-resolution, time-resolved three-dimensional experimental and computational techniques. The current work emphasizes the importance of vortex formation phenomena at aneurysmal necks and reinforces the findings of previous computational work and recent clinical studies pointing to links between flow pulsatility and aneurysm growth and rupture.     

Investigation of intracranial aneurysm hemodynamics following flow diverter stent treatment

Flow diverters (FDs) are high density meshed stents designed to reduce blood flow into intra-cranial aneurysms. Though the FD is one of many intracranial aneurysm (IA) treatments, FD implantation may also result in the growth and rupture of residual aneurysms. The purpose of this research is to investigate the effect of FD implantation on IA hemodynamics. Computational fluid dynamics (CFD) was conducted to analyze dynamic and resistance forces after FD deployment. Simulation results for the successful case (patient A) showed that FD flow resistance force was higher than dynamic force. This indicated that the FD provided sufficient resistance to reduce flow into the aneurysm. As a result, flow velocity magnitude at the aneurysm neck was reduced by 95%. On the other hand, the flow velocity magnitude at the aneurysm neck was reduced by about 50% for the unsuccessful case (patient B). The reason was that the flow resistance force at the aneurysm neck section was calculated to be lower than the flow driving force. In order to completely occlude the aneurysm, a higher resistance FD stent is to be required to suppress the dynamic forces. Patient-specific hemodynamic simulations offer means of quantitative estimation FD treatment outcomes.