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。     

双侧双向Glenn手术的全三维血液动力学数值分析

采用计算流体动力学方法,探讨双侧、双向Glenn术后腔-肺连接区域的能量损失情况。通过对患者核磁共振成像处理,完成了左、右肺动脉和左、右上腔静脉连接段的全三维数字化重构,结合相关血液流量等MRI测量结果,模拟了左、右肺动脉不同流量条件下连接段内的血液流动细节。结果表明：在肺动脉不同流量的情况下,腔-肺连接段内的能量损失相差2倍左右,血液流场形态对其有重要影响。由此得出结论：患者术后腔-肺连接段内的血流能量损失较小,人体肺动脉阻力大小决定左右肺的血流分配。在Fontan手术之前对Glenn连接结构进行血液流场的数值分析具有临床意义。     

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。     

TOF个性化手术规划的血流动力学模拟

目的法洛四联症(tetralogy of Fallot,TOF)是出现在新生儿中一种常见的先天性心脏病,其初期治疗的关键是在主动脉和肺动脉之间建立人工侧支循环,本研究从血流动力学角度探讨升主动脉与右肺动脉吻合的手术方案对TOF治疗的有效性。方法采用计算流体力学的方法对TOF手术模型进行数值模拟,重点考察搭桥管径对手术效果的影响,并根据增流率、分流率、能量损失、压力分布、壁面切应力分布等血流动力学参数对手术方案进行评价。结果实施搭桥手术后,左、右肺动脉出口的血流量有不同程度的增加。结论升主动脉与右肺动脉吻合的搭桥方案,可以在一定程度上缓解肺动脉狭窄造成的血流供给不足。     

不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄的血流动力学数值模拟

目的 研究具有不同连接筋结构的支架治疗椎动脉狭窄后的血流动力学效果,以期为支架的设计以及介入治疗提供更加科学的指导。方法 采用Pro/Engineer建立带有狭窄的椎动脉模型和3种不同连接筋的支架模型（根据连接筋形状分别称为L-支架、V-支架和S-支架）;利用有限元分析软件ABAQUS模拟这些支架在狭窄椎动脉中扩张后的结果,并分别建立3种支架治疗椎动脉狭窄后的流场有限元模型。利用有限元分析软件ANSYS-CFX对3个模型进行血流动力学数值模拟。结果 与V型和S型连接筋相比,L型连接筋造成了较小的低壁面切应力分布面积及较少的血流停滞区。结论 L型连接筋具有较好的血流动力学效果,潜在地可降低支架内再狭窄发生的可能性,从而为支架选择、支架设计和手术规划等提供科学依据。     

搭桥术治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的流固耦合数值模拟

目的研究旁路搭桥转流术治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的力学机理,并探讨该术式的有效手术方案。方法构建升-腹搭桥和锁-腹搭桥前后通腔型式和盲腔型式的DeBakey Ⅲ型主动脉夹层个性化模型,利用计算流体力学的方法,在生理流动条件下进行流固耦合数值模拟。结果搭桥后假腔的血液流动速度、压力和血管壁位移分别平均下降38.86%、15.347 kPa和39.46%。结论搭桥手术是一种在特定情况下治疗DeBakey Ⅲ型主动脉夹层的有效手术方式,具有很好的临床应用前景。     

冠状动脉旁路移植术后竞争血流对桥血管血流动力学的影响

目的 研究冠状动脉旁路移植术后,不同程度竞争血流对左侧胸廓内动脉管壁壁面切应力(wall shear stress, WSS)的影响。方法 基于阈值分割方法,通过采用SimVascular软件从CT图像提取并重建左侧胸廓内动脉(left internal mammary artery, LIMA) 左前降支（left anterior descending, LAD）吻合口模型。根据LAD的狭窄程度将竞争血流分为无竞争（100%狭窄）、轻度竞争（50%、75%狭窄）和高度竞争血流（0%、30%狭窄）3组。通过数值模拟方法观察上述情况下吻合口模型的血流动力学表现。结果 随着竞争血流的增加,LIMA桥血管管壁WSS逐渐降低,但是震荡程度逐渐增加。高度竞争血流组LIMA管壁平均WSS（0%狭窄：2.73 Pa,30%狭窄：2.85 Pa）明显低于轻度竞争血流组（50%狭窄：4.77 Pa,75%狭窄：6.01 Pa）和无竞争血流组(100%狭窄：8.64 Pa);而其震荡剪切指数(oscillatory shear index, OSI)（0%狭窄：0.206,30%狭窄：0.085）却明显高于轻度竞争血流组（50%狭窄：0.014,75%狭窄：0.013）和无竞争血流组(100%狭窄：0.006)。结论 当LAD狭窄程度小于50%时,大量的竞争血流会使LIMA管壁WSS明显降低,并且呈剧烈震荡的状态,这种不利的WSS表现会影响LIMA的远期通畅率,并造成手术远期疗效的下降。     

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。     

人工心脏泵辅助对左心室血流动力学影响的数值研究

目的采用数值模拟方法研究人工心脏辅助装置植入对左心室内血流动力学的影响。方法首先利用心血管集中参数模型获取了健康状态、心衰状态以及人工心脏泵辅助状态下收缩末期左心室三维几何模型,其中选取超弹性材料Ogden为心肌材料,以左心房压力,主动脉压力以及通过左心室容积计算获取的左心室壁面位移作为边界条件,利用CFD方法对上述三种情况进行左心室的数值模拟。同时对比了健康时的模拟结果和生理状态下的左心室压力,以及心衰和人工心脏泵辅助两种状态下的血流动力学指标的差别。通过左心室压力和流速等评价灌注和负荷的情况,通过壁面切应力和涡流,评价人工心脏泵辅助后的左心室血流动力学变化规律。结果健康状态下模拟的左心室压力与生理指标相符合。在心衰和人工心脏泵辅助状态下,收缩期内左心室压力与健康状态比分别降低了1718 Pa和8455 Pa,辅助后左心室最大压力下降速度高于心衰时。人工心脏泵辅助后,舒张期壁面切应力峰值由4.3 Pa降低至3.8 Pa,收缩期壁面切应力峰值由4.1 Pa降低至1.3 Pa,射血速度峰值由1.61 m/s降低至0.68 m/s,主动脉瓣开放时间由0.25 s增加至0.65 s,左室射血分数由43.6%增加至52.7%,心室底端漩涡持续时间由0.35 s增加至0.51 s,顶端漩涡出现血流分离。结论左心室压力对比表明本研究方法可以用来模拟左心室的行为。人工心脏泵辅助能够快速降低心室内压力和心室负荷,增加灌注时间,提高器官灌注,降低左心室壁面切应力以及提高左心室内血液流场的涡流强度,延长涡流持续时间。     

基于格子Boltzmann方法的体肺分流术血流动力学几何多维度数值研究

目的 利用基于时间步耦合的几何多维度方法,模拟单心室疾病体肺分流术后的血流动力学,得到搭桥管局部三维流场和手术前后整体血流动力学信息。方法 首先,通过术前的心血管集中参数模型（0D）和手术搭桥管三维模型（3D）建立0D-3D耦合的多维度血流动力学模型,并讨论模型0D-3D交界面耦合条件及时间步耦合算法;其次,实现了基于格子Boltzmann方法的3D 计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）和0D集中参数模型耦合求解的多维度仿真;最后,通过多维度模型与术前集中参数模型的结果对比手术前后血流动力学变化。结果 多维度仿真得到了术后心血管整体血流动力学改变和手术局部的三维流场信息,模拟结果显示肺循环分流比由术前32.21%提高至57.8%。结论 体肺分流术中植入连接体循环和肺循环的搭桥管能够有效增加单心室病人肺循环的供血;几何多维度仿真能够有效模拟心血管整体血流动力学改变和所关心部位的三维流场信息,对心血管临床术前规划有重要意义。     

改良B-T手术与中央分流术的血流动力学比较

目的对比分析改良B-T手术(modified B-T shunt,MBTS)和中央分流术(central shunt,CS)两种手术方式的血流动力学特征。方法采集法洛氏四联症(tetralogy of fallot,TOF)病人的医学图像,三维重建真实的解剖模型;对模型进行虚拟血管搭桥等操作,模拟手术过程;采集病人的生理数据,建立集中参数模型(lumped parameter mod-el,LPM);通过LPM计算提供计算流体力学仿真模型的边界条件;利用ANSYS软件对模型的血流动力学进行数值模拟。结果无论是快速射血期还是舒张期,MBTS和CS模型中搭桥管内的血液始终流向肺循环,但是两个模型中的血液最高流速明显不同。CS模型中分流管两端的压差相比MBTS模型较大。MBTS模型中分流管的壁面切应力分布不均匀,在0.025～340 Pa。而CS模型中分流管上的壁面切应力分布相对较均匀,约在32.2～72.6 Pa。结论两种手术方式都提供了足够的肺动脉血流量;MBTS方式对右上肢的血液供应有较大影响;CS方式分流率偏高;两个模型前端吻合口部位压力梯度很大,应引起临床重视。本研究为临床治疗TOF的手术术式决策提供了重要的理论依据。     

Patient-specific computational fluid dynamic simulation of a bilateral bidirectional Glenn connection

Computational fluid dynamics (CFD) have been used to investigate the hemodynamic performance in cavopulmonary anastomosis and resulted in improved operative design. In this study, CFD simulations were performed in a patient-specific bilateral bidirectional Glenn (BBDG) connection model and the power losses as well as flow features at different levels of predetermined pulmonary flow splits were calculated and compared. The control volume power loss varied between 0.64 and 1.02 mW when the flow ratio of left pulmonary artery/right pulmonary artery changed from 80:20 to 20:80. The flow patterns within the connection area and the static pressures in the four vessels differed from each other as the pulmonary flow split changed. Power loss and flow patterns of this BBDG connection were influenced by the pulmonary flow split.     

改良B-T手术不同搭桥方式的血流动力学比较

目的 通过数值模拟的方法对比分析端对边（end-to-side, ETS）与边对边（side-to-side, STS）两种不同搭桥方式的改良B-T手术（modified blalock-taussig shunt, MBTS）对血流动力学的影响,为临床治疗单心室心脏缺陷综合征提供参考。方法 采集单心室心脏缺陷综合征病人的医学图像,重建病人心脏真实的几何模型;基于虚拟手术操作系统模拟手术过程;采集病人的生理数据,建立病人的集中参数模型（lumped parameter model, LPM）;通过LPM计算提供计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真模型的近生理边界条件;利用有限体积法对模型进行数值仿真。结果 分别获取了ETS模型和STS模型的血液流速以及壁面切应力分布。ETS模型和STS模型的吻合口部位振荡剪切系数（oscillatory shear index, OSI）分别为3.058×10-3和13.624×10-3,能量损失分别为116.5 和94.8 mW,右、左肺动脉流量比RRPA/LPA分别为0.8和1.72。结论 两个模型的能量损失相差不大,对手术的影响相对较小。STS搭桥方式左右肺动脉流量分布均匀,吻合口位置OSI值较小,优于ETS搭桥方式,应着重考虑。本研究为临床治疗单心室心脏缺陷综合征提供重要的理论支持和参考。     

药物洗脱支架高度对药物浓度和壁面切应力分布影响的数值分析

目的研究药物洗脱支架(drug-eluting stent,DES)突起高度对药物释放动力学和血流动力学的影响,为DES的优化设计提供依据。方法采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,对血流动力学和药物释放动力学进行耦合分析,考虑3种不同突起高度支架,研究血管壁组织中药物含量和壁面切应力的分布。结果支架突起高度的增加将有利于药物的沉积,但将增加低切应力区长度。比较而言,血管壁中药物含量随着突起高度增加的幅度远小于低切应力区长度的增加。结论综合考虑药物浓度和壁面切应力两种因素,建议适当降低支架的突起高度,以便更有效地降低再狭窄产生的几率。     

人体上呼吸道内气溶胶沉积的数值仿真研究

目的研究人体上呼吸道内气溶胶沉积规律,分析呼吸模式对气溶胶沉积规律的影响。方法建立人体上呼吸道计算机数值仿真模型,采用计算流体动力学方法对人体上呼吸道内的气溶胶沉积进行数值仿真,分析气溶胶在上呼吸道内的沉积规律。结果人体上呼吸道内不同部位气溶胶沉积率随惯性参数的增加而增加,人体上呼吸道内的呼吸流量和气溶胶性质对气溶胶在上呼吸道内的沉积模式影响较小,受到惯性碰撞和湍流扩散的影响致使在喉部气溶胶沉积最多。人体循环吸气模式下,气溶胶在人体上呼吸道内的沉积率高于稳态吸气模式下的气溶胶的沉积率。循环吸气模式下远大于循环呼气模式下气溶胶沉积率。结论惯性碰撞对于微尺度气溶胶沉积而言是主要的沉积机制,而湍流扩散、二次气流运动和环流气流运动对气溶胶在人体呼吸道内沉积同样具有重要的影响。     

鼻腔气道结构对鼻腔加温加湿功能影响的数值模拟

目的研究鼻腔气道结构的变化对鼻腔加温加湿功能的影响。方法选取9例正常人和2例鼻中隔偏曲患者(术前术后)作为研究对象,建立鼻腔的三维有限元模型,数值模拟鼻腔气道中的气流分布、气流温度和湿度,并对比正常人与病患、术前与术后的数值模拟结果。结果鼻腔气道宽敞一侧气流体积流率相对较大,加温加湿效果差;狭窄一侧加温效果相对较好。对于正常人,鼻腔对吸入气流加温加湿的部位主要位于前端;对于病患,则要取决于鼻腔的气道结构。结论鼻腔气道结构影响鼻腔对吸入气流的加温加湿效果,鼻腔气道结构的几何参数如鼻腔气道壁面积、鼻腔体积可以用来衡量鼻腔对气流的加温加湿效果。     

法洛四联症根治术后对左肺动脉狭窄影响机理的数值分析

目的 利用计算流体力学(CFD)方法分析法洛四联症(TOF)根治术后不同的左肺动脉狭窄率（50%,20%,0%）模型的局部血流动力学改变。方法 通过对患者CT数据处理,完成3组左肺肺动脉狭窄几何的全三维数字化重构;结合主肺动脉血流量等临床数据,对3组模型中肺动脉分叉区的血液流动速度场、压力、壁面剪切应力等进行记录。结果 在3组模型的非定常模拟中,左肺动脉起始端均存在与狭窄率相关的反流和血流分布,右肺动脉血流分布规则。3组模型的静态压力、压力损失、壁面剪切力等也不同。结论 肺动脉分支的合理扩大在TOF根治术中有重要意义;术后左肺动脉狭窄是造成肺动脉反流的早期和重要因素;通过CFD模拟术后患者的三维模型可以对手术的效果提供早期参考。