真实人体上呼吸道规范模型流场PIV实验研究

目的研究上呼吸道模型内气流组织形式,深入认识上呼吸道内气流运动特性,为分析气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩以及沉积模式提供科学依据。方法采用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对真实人体上呼吸道模型内流场进行了实验研究,并针对口腔、咽腔和气管等不同位置对气流状态进行了分析。结果气流在舌苔上部和口腔中部速度较高,到咽部时,由于截面积的变小而导致气流速度增大,在声门处气流速度达到最大(10.24 m/s),且在气管内呈前高后低分布;而在涡量分布方面,气流在声门部位产生强烈的喷射,致使气管内部速度梯度增加,在声门的前后壁面形成两个涡量集中区,并导致气管前壁面的涡量值要明显高于后壁面。结论 PIV是研究人体上呼吸道内气流组织形式的一种有效方法,对于探索有毒气溶胶对人体的危害和吸入药物气溶胶的治疗效果以及研究呼吸系统的发病机理有着重要的意义。     

基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置的构建

目的针对人体上呼吸道气流运动形成涡结构、流动分流、二次流等特点,研制基于粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术的人体上呼吸道流场测量实验装置,为开展人体上呼吸道流场特性实验研究提供平台。方法 基于完整人体上呼吸道医学扫描图像制备透明的实物模型,通过选择合适的气路系统,结合二维PIV系统搭建整套实验装置,并利用该装置对人体上呼吸道流场速度进行初步实验,将实验结果和数值仿真结果进行对比。结果呼吸流量为30 L/min稳态呼吸模式下,实验装置测得的气流在口腔上部有涡结构的形成,口腔下部贴近舌苔上部及口腔中部的气流速度较高,其他部位气流速度较低,与数值仿真结果较为一致。结论 基于PIV技术的人体上呼吸道流场测量实验装置合理可行,运行可靠,可用于人体上呼吸道内气流组织形式和涡量分布等测量,并能够实现对数值仿真的验证。     

动脉粥样硬化病变在颈总动脉分叉处分布特征

为探讨动脉粥样硬化的始动机理,对58例尸体颈动脉分叉标本通过大体及辅以苏丹Ⅲ、Ⅳ染色后观察,采用Mitchell点计数法,以动脉粥样硬化病损频率、面积及粥样化指数为参数得到结论是颈动脉叉处动脉粥样硬化病损以分叉处内、后侧壁高切应力区为好发部位,文内并对切应力作用进行了讨论.     

动脉粥样硬经病变在颈总动脉分叉处分布特征

为探讨动脉粥样硬化的始动机理，对５８例尸体颈分叉标本通过大体及辅以苏丹Ⅲ，Ⅳ染色后观察，采用Ｍｉｔｃｈｅｌｌ点计数法，以动脉粥样硬化病损频率，面积及粥样化参数得到结论是颈动脉叉处动脉粥样硬化病损以及分叉处内，后侧壁高切应力区为好发部位，文内并对切应力作用进行了讨论     

轴流式左心辅助泵的出口管道流场PIV 实验研究

研究轴流式左心辅助泵的出口管道内血流流场的分布情况,根据流动特性与血栓形成的关系,分析轴流血泵管道内的血栓形成风险。用二维粒子成像测速(PIV)系统测试轴流式左心辅助泵的出口管道中心截面内血液沿管道的流动情况,用三维粒子成像测速系统测试整个管道内的血液流动情况,实验过程中辅助泵的转速为（10 000±20）r/min,流量为8.05 L/min,通过分析出口管道内的血液流场结果,预测左心辅助泵管道内的血栓形成可能。结果表明,辅助泵的出口附近血液存在螺旋流动和明显的垂直于管壁的流动,但在流动中逐渐降低,整个管道内不存在回流、涡流和低速流动区域,管道内血液沿管道的流动速度在管壁边界层外由0 m/s迅速增大到极大值1.0 m/s以上。沿管道方向,管道内的血液流速分布范围由0.7 ～2.2 m/s降低至1.0 ～1.5 m/s。泵的出口附近紊流度为0.31,距离泵的出口较远处的紊流度降低至0.15,血液流动趋于平稳。由于管道内的流动平稳且不存在回流、涡流和低速流动区域,因此不易形成血栓。出口管道有助于消除轴流式左心辅助泵流出血液的螺旋流动和紊流,使血流平稳,减少对人主动脉的损伤。     

颈动脉分叉处血管粥样硬化斑块的体内应力分析

目的探究颈动脉分叉处血管斑块的体内应力分布,为颈动脉分叉处血管斑块破裂行为的研究和诊断治疗方案的设计提供力学机理参考。方法基于人体颈动脉分叉血管的平均几何参数,建立三维颈动脉分叉血管及其斑块的几何模型,通过"热-结构"耦合重建颈动脉分叉血管及其斑块的残余应力,并计算血压和血流分别作用下颈动脉分叉处血管斑块的体内应力。结果斑块的肩部同时存在着最大主应力和弹性剪切应力的应力集中。斑块肩部的弹性剪切应力随着狭窄率增大或血压升高均增加。斑块上游区域的流体壁面切应力明显高于斑块下游区域,斑块下游区域的振荡剪切指数则显著大于上游区域。且斑块的弹性剪切应力和流体壁面切应力大小随着狭窄率的变化呈现出不同的变化规律。结论斑块从内部中心位置到壁面肩部承受着非均匀的应力分布,血管严重狭窄时"内压外拉"的受力状态更容易导致斑块破裂。随着血压的变化,斑块结构应力的周期性变化可能使斑块产生结构疲劳,增加破裂风险。斑块上下游区域流体动力学参数的差异可能是斑块上下游组分、易损程度等性质不同的原因之一。     

不对称入口速度剖面对颈动脉分叉模型不定常流场和壁面切应力的影响

目的研究不对称入口速度剖面对动脉粥样硬化易发部位壁面切应力的影响。方法建立颈动脉TF-AHCB数值模型,设置不对称速度剖面入口条件,用CFD作数值模拟。计算不同时相、不同入口条件下的颈动脉窦流场和壁面切应力分布,分析与动脉粥样硬化有关的流场特征和切应力特征。结果入口速度剖面偏斜可以增加颈动脉窦壁面低切应力区面积,提高切应力梯度。结论不对称入口速度剖面可能是诱发动脉粥样硬化发生的一个危险因子。     

不对称入口速度剖面对颈动脉窦分离区的影响

目的研究颈动脉分叉入口处不对称速度剖面对颈动脉窦内分离区的影响。方法用人的平均颈动脉分叉(TF-AHCB)模型在定常流循环模拟系统中做实验研究;用染料法作流场显示;用激光多普勒测速(LDA)技术测量颈总动脉和窦内截面上的速度剖面,比较入口速度峰值向颈内侧和颈外侧偏斜对颈动脉窦分离区的影响。结果流场显示和激光测速结果均表明不对称入口速度剖面对颈动脉窦分离区有明显影响,速度峰值分别向颈内侧和向颈外侧偏离管轴1/3管半径,可造成颈动脉窦分离区宽度和长度相差约一倍。结论颈动脉分叉入口速度剖面的不对称性对颈动脉窦内分离区的影响不可忽视,提示入口峰值速度偏离值是影响颈动脉窦粥样斑块分布的重要因素。     

动脉壁切应力在颈动脉狭窄中的作用

颈动脉分叉部动脉粥样硬化梗阻性疾病的起始与进展的血液动力学机制,在过去数十年被广泛研究。注意力集中在发现斑块最多的颈动脉球部或窦部。本文作者综述了颈动脉分叉部复杂的局部血液动力学改变,也包括了血液动力学改变所引起的特殊的细胞生物学反应的主要进展。这对于我们理解颈动脉窦部粥样硬化的血液动力学机制,改善血管内微创治疗与非创伤性治疗具有一定意义。     

基于PIV技术研究眼内房水流动特性的实验设计

目的 借助粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术对密闭离体动物眼球后房注水引发的眼内慢流动过程进行流动显示,计算不同时刻的流场,探讨测量眼内低速流动流场的PIV实验方案,为生理状态下眼内房水低速流动的流场测量提供实验基础。方法 在离体眼球相对密闭的条件下,当微量注射泵按照0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mL/min的速率驱动液体入眼球时,即可满足眼内液体形成缓慢流动的需求。向离体兔眼后房内均匀注入一定浓度、粒径为10 μm的荧光粒子溶液,在眼球前房的正中额状面给予激光片光照射,以获得眼球前房正中额状面清晰的粒子图像。PIV系统记录并计算眼内液体的流动情况。结果 向密闭的离体兔眼后房内均匀注入液体时,观察到液体先充满后房及瞳孔所在区域、之后绕过瞳孔缘进入到眼前房的流动规律,该规律与房水在生理条件下的理论流动过程一致。分析粒子图像,得到密闭眼球内几毫米每秒数量级的速度矢量。结论 眼内低速流动液体的流场可以用PIV方法进行测量,从而使生理状态下眼内房水慢流场的实验测量成为可能,有助于实验研究生理或病理条件下眼内房水的复杂流动;为房水流场的数值模拟计算提供实验验证,也可为眼内病变时角膜内皮细胞、虹膜表面、晶体的剪切力损伤提供新的诊疗思路。     

Experimental Investigation of the Steady Flow Downstream of the St. Jude Bileaflet Heart Valve: A Comparison Between Laser Doppler Velocimetry and Particle Image Velocimetry Techniques

This study investigates turbulent flow, based on high Reynolds number, downstream of a prosthetic heart valve using both laser Doppler velocimetry (LDV) and particle image velocimetry (PIV). Until now, LDV has been the more commonly used tool in investigating the flow characteristics associated with mechanical heart valves. The LDV technique allows point by point velocity measurements and provides enough statistical information to quantify turbulent structure. The main drawback of this technique is the time consuming nature of the data acquisition process in order to assess an entire flow field area. Another technique now used in fluid dynamics studies is the PIV measurement technique. This technique allows spatial and temporal measurement of the entire flow field. Using this technique, the instantaneous and average velocity flow fields can be investigated for different positions. This paper presents a comparison of PIV two-dimensional measurements to LDV measurements, performed under steady flow conditions, for a measurement plane parallel to the leaflets of a St. Jude Medical (SJM) bileaflet valve. Comparisons of mean velocity obtained by the two techniques are in good agreement except for where there is instability in the flow. For second moment quantities the comparisons were less agreeable. This suggests that the PIV technique has sufficient temporal and spatial resolution to estimate mean velocity depending on the degree of instability in the flow and also provides sufficient images needed to duplicate mean flow but not for higher moment turbulence quantities such as maximum turbulent shear stress. © 2000 Biomedical Engineering Society. PAC00: 8719Uv, 4262Be, 8780-y     

圆管狭窄下游湍流场流动分离区流体力学实验模型的设计和调试

研究旨在建立和调试体外圆管狭窄模型 ,使之能够配合粒子成像流速仪 (PIV)进行狭窄下游流动分离区速度、湍流切应力的检测和压力传感器的压力检测。采用粒子成像流速仪和压力传感器 ,对模型狭窄下游定常流湍流场速度、湍流切应力和压力进行定量检测 ,初步认识流动分离区速度、切应力和压力的分布特征。实验模型能够较好地配合 PIV和压力传感器进行流动分离区速度、湍流切应力和压力的定量检测 ;圆管狭窄下游流动分离区边壁局部存在明显的低速度、低压力和低切应力分布。     

颈内动脉虹吸部血流的数值计算和模型实验

目的研究不同几何构型颈内动脉中的血流动力学因素,分析其构型和动脉狭窄的关系,为颈内动脉狭窄的风险预测和早期诊断提供一定的血流动力学基础。方法对两种常见形状的颈内动脉——U形和V形在定常流条件下的流场分别进行数值模拟和粒子成像测速的实验研究。结果在其中较上游的弯曲处,血流动力学因素与弯曲曲率存在单调的相关关系,V形在此处的狭窄风险小于U形。但是在下游的弯曲处,由于两个弯曲的叠加效应,其血流动力学因素与此处的曲率不存在单调的相关关系。结论弯曲动脉的曲率和动脉狭窄的风险成正相关关系。但是在连续多个弯曲的动脉中,则需考虑弯曲的叠加效应。对此叠加效应的研究有助于解释多弯血管内狭窄多发的原因。     

采用高脂饲料加空气干燥术建立颈动脉粥样硬化动物模型

目的:利用高脂饮食加空气干燥术建立一种稳定、重复性好、有较典型动脉粥样硬化病理改变的动物模型。方法:32只日本大耳白兔随机分为模型组(n=24)、对照组(n=8)。模型组给予高脂饲料喂养加空气干燥术,术中结扎左侧颈动脉分支血管,对照组正常饲料喂养,分别于术后第2、4、8、12周处死动物。取颈动脉组织切片HE染色,光镜下观察。结果:(1)75%兔颈总动脉存在细小血管分支,暂时结扎侧支血管后干燥效果更好。(2)对双侧颈动脉实施手术,结扎左侧分支,成模率更高。部分斑块显示出不稳定性。结论:采用改进后高脂饮食加空气干燥术可成功建立兔颈动脉粥样硬化模型,其病理特点适合于目前临床研究。     

In vitro measurements of velocity and wall shear stress in a novel sequential anastomotic graft design model under pulsatile flow conditions

This study documents the superior hemodynamics of a novel coupled sequential anastomoses (SQA) graft design in comparison with the routine conventional end-to-side (ETS) anastomoses in coronary artery bypass grafts (CABG). The flow fields inside three polydimethylsiloxane (PDMS) models of coronary artery bypass grafts, including the coupled SQA graft design, a conventional ETS anastomosis, and a parallel side-to-side (STS) anastomosis, are investigated under pulsatile flow conditions using particle image velocimetry (PIV). The velocity field and distributions of wall shear stress (WSS) in the models are studied and compared with each other. The measurement results and WSS distributions, computed from the near wall velocity gradients reveal that the novel coupled SQA design provides: (i) a uniform and smooth flow at its ETS anastomosis, without any stagnation point on the artery bed and vortex formation in the heel region of the ETS anastomosis within the coronary artery; (ii) more favorable WSS distribution; and (iii) a spare route for the blood flow to the coronary artery, to avoid re-operation in case of re-stenosis in either of the anastomoses. This in vitro investigation complements the previous computational studies of blood flow in this coupled SQA design, and is another necessary step taken toward the clinical application of this novel design. At this point and prior to the clinical adoption of this novel design, in vivo animal trials are warranted, in order to investigate the biological effects and overall performance of this anastomotic configuration in vivo.     

Effect of swirling inlet condition on the flow field in a stenosed arterial vessel model

Blood flow in an artery is closely related to atherosclerosis progression. Hemodynamic environments influence platelet activation, aggregation, and rupture of atherosclerotic plaque. The existence of swirling flow components in an artery is frequently observed under in vivo conditions. However, the fluid-dynamic roles of spiral flow are not fully understood to date. In this study, the spiral blood flow effect in an axisymmetric stenosis model was experimentally investigated using particle image velocimetry velocity field measurement technique and streakline flow visualization. Spiral inserts with two different helical pitches (10D and 10/3D) were installed upstream of the stenosis to induce swirling flows. Results show that the spiral flow significantly reduces the length of recirculation flow and provokes early breakout of turbulent transition, but variation of swirling intensity does not induce significant changes of turbulence intensity. The present results about the spiral flow effects through the stenosis will contribute in achieving better understanding of the hemodynamic characteristics of atherosclerosis and in discovering better diagnosis procedures and clinical treatments.