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。     

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。     

附带局部突起的主动脉弓动脉瘤的血流动力学仿真

目的：为了弄清楚顶部附带局部突起的主动脉弓动脉瘤的血流动力学特征，因为针这种动脉瘤的血流动力学目前还较少有人研究。方法：建立了理想化的动脉瘤模型。利用计算流体力学的方法对模型中的生理性血液流动进行了仿真。结果：对流动情形、压力和壁面切应力分布进行了分析，以便评价血流动力学对动脉瘤的发展和破裂的影响。来自动脉的血流对下游瘤口和瘤顶局部突起的冲击较大。瘤顶局部突起区域的压力较高。在瘤口和突起口部位的局部壁面切应力比其他地方的要高。结论：下游瘤口和瘤顶局部突起部位是动脉瘤扩展和破裂的危险区域。     

三种截面支架对动脉瘤血流动力学影响的比较研究

目的提出不同于传统支架的三角形网丝截面支架,并对其进行数值模拟,比较圆形、矩形、三角形截面支架在动脉瘤内的血流动力学效果。方法构建3个有支架植入的动脉瘤模型,分别为圆形(CM型)、矩形(RM型)和三角形(TM型)截面支架模型,并与1个无支架的动脉瘤模型(UM型)对照。在相同的边界条件下,利用有限单元法对4个模型进行流固耦合数值模拟。结果 RM型比TM型和CM型的速度更低、流阻更高、流转时间更长,所以矩形、三角形、圆形截面支架血液流动的影响效果依次降低。在削弱壁面切应力大小、降低壁面切应力波动性方面,RM型比TM型和CM型更加显著,但CM型和TM型的壁面升压低于RM型。壁面应力分布和变形结果表明动脉瘤沿远侧壁生长的可能性大于近侧壁,瘤顶破裂的风险最大。结论 3种截面支架展示了不同的血流动力学,这些结果为血管内支架的结构设计和优化提供了有意义的参考依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于CT重建颅内动脉瘤非稳态血流分析

选择Navier-Stokes方程作为颅内动脉瘤三维重建模型的不可压缩血液流动的数学模型,使用计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法对颅内动脉瘤模型进行非牛顿(non-Newtonian fluid)模型的非定常流的数值模拟。计算3个心跳脉动周期的数值,认为第三个心跳脉动周期为稳定周期并选择第三个周期为研究对象。分析了稳定周期内不同时刻血液动力学特性参数分布情况对颅内动脉瘤的形成、生长和破裂的影响。并将此结果与牛顿(Newtonian fluid)血液模型的流线、壁面剪切力、壁面压力分布特性进行对比。结果显示,非牛顿流体血液模型比牛顿血液模型更有可信度,比较符合真实血液的流动特性,在血液流动的心跳脉动周期内,非牛顿流体的(速度、压力、壁面剪切力等)分布更加平滑。过高的壁面剪切力会直接造成动脉瘤区域处破裂,过低的壁面剪切力会使血液的营养成为和代谢物遗留在血管区域导致血液粥样化的形成。     

基于MRA的个体化腹主动脉瘤计算机仿真

目的探讨基于MRA图像进行个体化腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm,AAA)计算机仿真研究的可行性,并从血流动力学层面探讨AAA的发生、发展和破裂机制。方法基于AAA患者的MRA数据采用逆向建模法建立AAA的三维几何模型;采用FLUENT软件进行数值模拟,假设血管壁为刚性壁,血液为不可压缩牛顿流体,建立瞬态模型。将收敛之后的数据导入到CFD-Post中进行结果分析,输出心动周期内不同时刻的血流流线图、流速分布图、血管壁面切应力分布图以及压力分布图。结果AAA瘤颈处血液流动的方式以层流为主,瘤腔内血流以涡流、湍流为主,且在瘤体膨大处较明显;瘤颈处血液流速快于瘤腔,瘤腔大部分区域在整个心动周期内都处于较低的流速水平,且波动不明显,瘤腔内的高流速区域多位于入口血流直接延续的部位;射血期的壁面切应力的量值及其变化幅度均大于充盈期,壁面切应力较高的区域总是分布于瘤颈附近,瘤腔的切应力在整个心动周期内始终处于较低水平;瘤体的壁面压力量值及其分布范围在射血峰值(t=0.08 s)时最大。加速射血期的壁面压力及其变化范围均较减速射血期及充盈期大。结论基于MRA图像可建立个体化的AAA计算机仿真模型,通过计算机仿真得到的AAA内血流分布规律对AAA的研究和临床个体化的诊治有一定的帮助。     

中央分流术中血管弹性壁和刚性壁对血管中血流动力学的影响

目的 通过数值模拟仿真研究中央分流手术（central shunt, CS）的血流动力学环境,并分别研究弹性与刚性血管壁条件对其血管内血流动力学参数分布的影响。方法 建立两个理想化的CS搭桥模型,其中一个假设为刚性血管壁,另一个为弹性血管壁。利用有限元方法进行数值计算,其中弹性血管壁模型采用流固耦合方法。结果 两个模型中的流速和压力分布总体大致相同。刚性血管壁模型中大约有68.9%血液从主动脉分流进入肺动脉中,弹性血管壁模型中该值增加到了70%。弹性模型和刚性模型中搭桥血管两端的压降分别为7.668 8 kPa和7.222 3 kPa。弹性模型中搭桥管各处的横截面积有一定变化,最大变化率约为2.2%,出现在近心端吻合口处。提取两个模型中的5个关键区域进行壁面切应力比较,其数值差别最多约为16.1%。结论 总体来说两个模型的血液流动形态没有大的改变;血管的弹性因素轻微影响了流量的分布和搭桥管两端的压降;搭桥管上血管的弹性对近心段吻合口处的影响高于对远心端吻合口处的影响。在CS术治疗法洛四联症的数值模拟仿真中血管壁为刚性这一假设是可以接受的,而流固耦合的数值模拟将得到更为可信的仿真结果。     

Flow and stress characteristics in rigid walled and compliant carotid artery bifurcation models

Computer simulation of pulsatile non-Newtonian blood flow has been carried out in different human carotid artery bifurcation models. In the first part of the investigation, two rigid walled models are analysed, differing in the bifurcation angle (wide angle and acute angle bifurcation) and in the shape of both the sinus (narrow and larger sinus width) and the bifurcation region (small and larger rounding of the flow divider), in order to contribute to the study of the geometric factor in atherosclerosis. The results show a significant difference in the wall shear stress and in the flow separation. Flow recirculation in the sinus is much more pronounced in the acute angle carotid. An important factor in flow separation is the sinus width. In the second part of the study, flow velocity and wall shear stress distribution have been analysed in a compliant carotid artery bifurcation model. In the mathematical model, the non-Newtonian flow field and the idealised elastic wall displacement are coupled and calculated iteratively at each time step. Maximum displacement of approximately 6% of the diastolic vessel diameter occurs at the side wall of the bifurcation region. The investigation demonstrates that the wall distensibility alters the flow feld and the wall shear stress during the systolic phase. Comparison with corresponding rigid wall results shows that flow separation and wall shear stress are reduced in the distensible wall model.     

颅内动脉瘤夹闭手术的血流动力学数值分析

本文利用计算流体力学(CFD)方法对颅内动脉瘤夹闭手术前后血液流场进行三维数值模拟,根据血流动力学对手术方案的可行性进行预估。采用逆向工程软件Mimics对临床CT图像进行三维数字化重构,结合相关脉动血流量,模拟心动周期不同时刻的血流动力学细节。通过计算得到了模型手术前后在心动周期不同时刻的速度场、壁面剪切应力场、压力场的分布特征,对比分析手术前后分叉处的血流速度、壁面剪切应力、壁面压力变化,结果显示术后的血流速度与壁面剪切力显著提高,而壁面压强则明显降低。     

Physiological simulation of blood flow in the aorta: Comparison of hemodynamic indices as predicted by 3-D FSI, 3-D rigid wall and 1-D models

Interest in patient-specific blood-flow circulation modeling has increased substantially in recent years. The availability of clinical data for geometric and elastic properties together with efficient numerical methods has now made model rendering feasible. This work uses 3-D fluid–structure interaction (FSI) to provide physiological simulation resulting in modeling with a high level of detail. Comparisons are made between results using FSI and rigid wall models. The relevance of wall compliance in determining parameters of clinical importance, such as wall shear stress, is discussed together with the significance of differences found in the pressure and flow waveforms when using the 1-D model.Patient-specific geometry of the aorta and its branches was based on MRI angiography data. The arterial wall was created with a variable thickness. The boundary conditions for the fluid domain were pressure waveform at the ascending aorta and flow for each outlet. The waveforms were obtained using a 1-D model validated by in vivo measurements performed on the same person. In order to mimic the mechanical effect of surrounding tissues in the simulation, a stress–displacement relation was applied to the arterial wall.The temporal variation and spatial patterns of wall shear stress are presented in the aortic arch and thoracic aorta together with differences using rigid wall and FSI models. A comparison of the 3-D simulations to the 1-D model shows good reproduction of the pressure and flow waveforms.     

弯曲圆管入口段定常流动的三维数值模拟

目的 研究定常流动条件下弯曲圆管入口段内的流动情况。方法 用有限体积法对弯曲圆管入口段定常流动作三维数值模拟。结果 分别计算了管内流线、截面等速度线、沿对称面直径的速度剖面和壁面切应力分布等。沿对称面直径的速度剖面计算值与实验结果吻合很好。结论 弯管的外侧壁是高切应力区，内侧壁是低切应力区，证实内侧壁是动脉粥样斑块的高发区。     

基于流固耦合计算机流体力学模拟分析人体主动脉弓内血液流动

目的比较分析应用弹性血管壁的流固耦合计算流体力学（CFD）方法和刚性血管壁的CFD方法模拟获得的正常主动脉弓内血流动力学参数,同时比较两种方法的优劣,为深入研究血液流动状态与动脉疾病的关系提供帮助。方法取46岁男性,胸主动脉正常CT图像,格式为Dicom,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,对通过临床获得正常人体主动脉CT二维医学图像数据进行重构,得到主动脉血流及血管壁的三维立体模型并应用于模拟计算。结果在设定边界条件和初始条件的基础上,经多次迭代耦合计算,获得血管壁形变、等效应力、血流速度、壁面振荡切应力等相关血流动力学参数。结论在心动周期内弹性血管壁的主动脉内血流情况较刚性血管壁主动脉内血流情况更为复杂,管壁等效压力变化较大,血管壁的振荡切应力更高,表明弹性血管壁的流固耦合的CFD模拟更能体现真实主动脉内复杂血流情况,为深入研究血流动力学与心脑血管疾病的关系提供了一定的技术支持。     

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。