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。     

急性自行车运动干预对颈总动脉血流动力学的影响:女篮运动员与普通女性的比较

目的 比较相同运动干预对运动员和普通人群产生的血流动力学影响,为寻找有效预防或逆转动脉硬度增加的运动训练方式提供一定参考。方法 以10名女子篮球运动员（运动员组）和10名普通女性大学生（对照组）为实验对象,连续踩踏4组功率自行车训练为运动干预,采用超声多普勒技术测量与计算颈总动脉在静息状态和运动干预后颈总动脉相关血流动力学参数：心率、血压、动脉硬度、动脉管径、轴心血流速度、搏动指数、血流量率、周向应变和壁面剪切力。结果 在静息状态下,运动员组动脉硬度低,动脉管径大,心率和轴心血液流速低,平均血流量率高,收缩压和平均压低,最大和平均壁面剪切力小,最小壁面剪切力大。施加相同强度自行车运动干预后2组均表现为,周向应变、心率、轴心血液流速、血流量率、收缩压、最大和平均壁面剪切力均显著地增加。而运动员组的颈总动脉硬度、心率、轴心血液流速、收缩压、最大和平均壁面剪切力和搏动指数显著地低于对照组,动脉管径和舒张压显著大于对照组。结论 在施加急性运动干预时,运动员组颈总动脉表现出了更好的顺应性,这可能是因为长期篮球运动训练已经改善了运动员组动脉的结构与功能（动脉管径增大与硬度降低）,使得运动员组具有更好的静息大脑供血能力。另外,对照组的壁面切应力相较于运动员组具有更强的振荡性,动脉硬度急性增大。如果长期坚持急性自行车训练,有可能对颈总动脉血管结构与功能产生不利影响。     

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。     

肝右静脉与下腔静脉位置对布-加综合征产生机制的影响

目的探讨不同肝右静脉与下腔静脉夹角变化对布-加综合征患者下腔静脉隔膜发生机制的影响。方法运用Mimics软件对临床磁共振成像血管造影下腔静脉和主要肝静脉图像进行三维实体模型重建,测得正常模型下腔静脉与肝右静脉夹角为56°。在保持模型基本结构不变基础上,分别构建肝右静脉与下腔静脉夹角为30°和120°的模型,并数值模拟计算3个模型的壁面剪切力、壁面压强、速度分布。结果 3个模型壁面压强、壁面剪切力差异显著。与正常人56°模型相比,30°模型有较高的壁面压强和较低的血液流速,120°模型有较低的壁面剪切力和血液流速,并伴随有涡流的出现,这些血流动力学因素的改变更易于血栓的形成。56°模型血管内血流流速最快。结论对下腔静脉与肝右静脉血液流场的数值模拟有助于了解布-加综合征的发病机制,提高下腔静脉阻塞隔膜形成风险的预测,为治疗提供理论依据。     

左心室辅助装置与主动脉吻合角度对主动脉瓣膜影响的血流动力学研究

目的 探究左心室辅助装置(left ventricular assist device, LVAD)与主动脉吻合角度对主动脉瓣膜的血流动力学影响。方法 分别构建LVAD与主动脉吻合角度为45°、60°、90°的3个主动脉模型和主动脉瓣膜模型,搭建体外搏动台用于体外实验。运用粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)系统,选取心动周期中的3个时刻(T₁收缩峰值期,T₂瓣膜快速闭合时期和T₃舒张峰值期)探究主动脉瓣膜处血流动力学状态。结果 采用速度矢量、涡量、黏性剪切力指标评价LVAD吻合角度对主动脉瓣膜血流动力学的影响。瓣膜快速闭合时期,吻合角度增大时,瓣膜近壁面血流速度、平均涡量和最大黏性剪切力均增大。结论 吻合角度较低时,血流对主动脉瓣膜的冲击速度较小,瓣膜受到较小的剪切力,使瓣膜处于较好的血流动力学环境。研究结果为临床手术中吻合角度的选择提供参考。     

3种可转换型腔静脉滤器血流动力学数值模拟

目的研究不同血栓直径和血栓含量下可转换型腔静脉滤器用于治疗肺动脉栓塞后对血流动力学的影响。方法构建3种直径相同、过滤结构(L、S和W型)不同的滤器仿真模型,利用计算流体力学方法对植入血管以后的滤器进行血流动力学分析。结果在无血栓条件下,3种滤器均对血流有一定的阻碍作用,并使出口处的平均流速增大。其中,L型滤器引起的出口平均流速最大,S型次之,W型最小。在有血栓条件下,滤器过滤杆的结构形状对出口平均血流流速、血栓流速、血流出入口压差、血栓出入口压差影响不明显;而随着血栓直径的增大和血栓含量的增加,血流动力学因素呈现不同程度下降趋势。血流对3种滤器过滤杆上产生的壁面剪应力均在正常范围之内,而滤器支撑体下游端和支撑体与过滤杆连接处产生的壁面剪切应力都小于最小极限值,该处容易引起血栓形成。结论利用计算流体力学方法分析3种可转换型滤器在不同过滤杆结构以及不同血栓直径、血栓含量下对血流动力学的影响,为新型滤器的设计研发提供理论参考。     

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。     

脾静脉血栓对血流动力学影响的分析及计算流体力学模拟

本文的目的是分析脾静脉血栓(SVT)对肝门静脉系统血流动力学参数的影响。根据某肝门静脉高压症患者的CT图像和商业软件MIMICS重建了其真实的肝门静脉系统模型,采用彩色多普勒超声法测出了肝门静脉系统内的血流速度,作为模拟的入口边界条件,应用计算流体力学(CFD)方法模拟了肝门静脉系统内血流动力学参数的变化并分析了对生理过程的影响。结果显示:SVT会对肝门静脉系统的血流动力学参数造成严重影响,血液流经SVT时压强降低、流速和壁面剪切力增加,血液流动的阻力增加,门静脉主干内血流速度减缓、压力梯度减小、壁面剪切力的分布更加均匀。SVT会导致对肝脏的供血能力下降,在血栓的周围和门静脉主干内形成新血栓的可能性增加。     

一种新型可回收腔静脉滤器血流动力学分析

腔静脉滤器是为防止下肢及盆腔的血栓脱落上行导致肺栓塞而设计的一种过滤性装置。本研究设计了一款新型腔静脉滤器,为评价其在植入后的血流动力学性能和血栓捕捉效果,利用计算流体力学的方法与已上市的两种滤器德纳里(Denali)和护盾(Aegisy)进行血流动力学数值模拟比较,并实施体外实验测试对比血栓捕捉效果。本文的研究主要运用计算流体力学软件,分析血栓直径分别为5、10、15 mm,血栓浓度含量分别为10%、20%、30%的情况下,流域段的出口流速、出入口压差、滤器壁面上的壁面剪应力、高低壁面剪应力区域面积占比以及滤器的血栓捕捉效果,同时还通过体外实验数据对比评价了以上3种滤器的血栓捕捉效果。研究结果显示,Denali滤器植入后对血流的干扰最小,但对5 mm小直径血栓的捕捉效果最差;Aegisy滤器对不同直径和浓度含量的血栓捕捉效果最优,但低壁面剪应力区域面积占比最大;本研究设计的新型滤器对小直径血栓有较好的捕捉效果,且该滤器上易导致血栓形成的低壁面剪应力区域面积占比最小;Denali和Aegisy滤器的低壁面剪应力区域面积占比相对较大,形成血栓的风险较高。基于以上结果,期望本文设计的新型腔静脉滤器能为新型滤器的设计和临床选择提供参考依据。     

分支血管直径对颅内动脉瘤置入血流导向装置后血流动力学参数的影响

目的综合考虑血流导向装置(flow diverter,FD)置入对动脉瘤瘤体及分支血管的影响,为临床制定更加合理的FD栓塞颅内动脉瘤手术策略提供参考。方法基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,创新应用多孔介质模型模拟FD栓塞颅内分叉动脉瘤的过程。分析和比较不同分支血管直径条件下FD置入动脉瘤前后瘤体与分支血管血液流场、血流速度、壁面压力、壁面剪切力(wall shear stress,WSS)等血流动力学参数的变化。结果 FD置入改变动脉瘤内的血流动力学特征,血流速度减小,动脉瘤壁尤其是顶部压力减小,瘤颈口WSS增大,但瘤颈远侧端与近侧端WSS的差异减小。且不同分支血管直径对血流动力学特征改变的影响程度不同,直径越大,FD置入后流入分支血管内血流的减少量越大,但瘤体内血液流速与瘤顶压力的减少量越小,同时瘤颈部WSS增加量越小。结论分支血管直径越大,FD对动脉瘤的栓塞治疗效果与对血管粥样硬化的改善作用越差,越易造成分支闭塞或其他缺血性并发症的发生。此类情况下进行FD介入栓塞术尤其需要引起临床医师注意。     

药物洗脱支架植入病灶部位后的血流特性

目的 研究冠脉内植入药物释放支架后的血液流动特性,为临床应用及改善药物洗脱支架的设计提供理论指导。方法 建立病灶部位植入药物洗脱支架后的数值模型,利用计算流体动力学方法进行药物浓度分布及壁面剪切力分布的数值分析研究,并将计算结果与裸金属支架植入后的计算结果进行比较。结果 药物洗脱支架在血流过程中产生的低壁面剪切力区域几乎都伴随着较高的药物浓度分布,而低药物浓度区域则伴随的是较高的壁面剪切力分布,显著地减少了低壁面剪切力区域或低药物浓度区域独立存在的区域。理论上,药物释放支架在药物释放阶段比植入裸金属支架具有优越性。结论 药物洗脱支架能够显著降低支架内的再狭窄率。详细了解药物洗脱支架的流场分布规律将有利于改善药物洗脱支架的设计,进一步提高支架的整体性能,为临床应用提供理论依据。     

螺旋弯曲管中血液两相流动分析

目的 经典的单相牛顿血液流动模型忽略了红细胞与血浆之间的相互作用以及血液剪切变稀性质。为了解决这些问题,采用多相的非牛顿模型研究冠状动脉模型的血流动力学参数。方法 把血液考虑为血浆和红细胞的混合体,并用螺旋弯曲血管模型模拟冠状动脉,分析冠状动脉内红细胞的运动以及红细胞体积分数的分布情况,并与单相非牛顿血液模型的模拟结果进行对比。结果 单相和多相血液模型模拟下的截面壁面剪切力平均值差别不明显,但是在两相流模拟中,螺旋弯曲管下底壁面处存在明显的红细胞聚集现象,同时还分布着较低的壁面剪切力。结论 引用多相流数值模拟得到了螺旋弯曲管中的血流动力学参数,同时发现红细胞在螺旋弯曲管下底面处聚集的现象,这很容易诱发血栓形成,与临床上所观察到的粥样硬化斑块经常出现在冠状动脉弯曲内侧是相符合的,可进一步说明动脉粥样硬化病变的发生机制。     

锁骨下动脉、颈总动脉和椎动脉分叉处血流动力学数值模拟

目的:探讨锁骨下动脉、颈总动脉和椎动脉分叉处的血流动力学特性,分析该处发生血管狭窄引起大脑供血不足的 血流动力学原因。方法:采用内蒙古民族大学附属医院神经内科提供的CT数据,应用医学建模软件MIMICS20.0将患者 二维CT数据进行三维血管重建,经过网格划分及边界条件设置后导入计算流体力学软件FLUENT14.5中。计算和分析 不同血液入口速度的锁骨下动脉、颈总动脉和椎动脉分叉处的血流动力学特性。结果:在血液入口速度不同的情况下,锁 骨下动脉、颈总动脉和椎动脉分叉处的血液流场分布、血液压力分布和血管壁面切应力分布有显著变化。在血液入口速 度增大时,锁骨下动脉分叉处和颈总动脉分叉处的血液流速快、血管壁压力大,颈总动脉内侧血管壁面切应力大,但锁骨 下动脉分叉处和颈总动脉分叉处血管壁面切应力数值和变化幅度小,属于低切应力区。结论:通过血流动力学数值模拟 研究,分析锁骨下动脉、颈总动脉和椎动脉分叉处易发生粥样斑块病变导致大脑供血不足的血流动力学原因。     

维医沙疗对股动脉分支的血流动力学影响

目的研究维医沙疗对人体股动脉分叉血管血流动力学及受力的影响,进而揭示维医沙疗对人体股动脉血栓成因的作用机制。方法在室内维医沙疗系统中对受试者进行维医沙疗,用飞利浦便携式彩色多普勒超声诊断仪分别测试受试者维医沙疗前后的股动脉血流速度峰值、内径和阻力指数(resistant index,RI),并进行统计学分析;重构股动脉分支的三维流-固耦合有限元模型,采用ANSYS workbench模拟计算维医沙疗前后流场的血流速度、压力、壁面切应力和股动脉壁的应力、应变、总位移。结果维医沙疗后股动脉血流速度峰值的平均值和内径分别增大了32.43%和2.63%,RI降低了4.88%,股动脉血流速度峰值和RI维医沙疗前后差异均具有统计学意义(P0.05),股动脉内径维医沙疗前后差异没有统计学意义(P0.05)。维医沙疗后股动脉血流速度、压力和壁面切应力最大值分别增大29.91%、68.52%和46.55%;维医沙疗后股动脉壁的总位移、应力和应变最大值分别增大65.85%、45.45%和44%。结论维医沙疗对加快血流速度、降低RI有显著影响,能增大股动脉血管内径,从而改善股动脉内血液的循环;并且维医沙疗后股动脉壁面切应力、血流速度、压力以及股动脉壁所受应力、应变和总位移有所增大,分叉处的高压力区域有所减少,维医沙疗对降低股动脉粥样硬化及血栓形成有一定的积极作用。     

Fontan术血流动力学非牛顿特性研究

目的 分析计算模拟中血液非牛顿特性对Fontan术后血流动力学的影响。方法 基于Fontan术后患者个体化三维血管模型,临床超声实测数据作为边界条件,分别选取常用的牛顿流体模型、非牛顿流体模型中的Casson模型与Carreau模型进行血流动力学模拟,计算血流分配比、能量损失、壁面切应力、非牛顿重要性系数等血流动力学参数,比较不同流体模型之间血流动力学参数差异。结果 流体模型对血流分配比影响小,非牛顿流体模型的能量损失较牛顿流体模型高,其中Casson模型最高。在下腔静脉中有明显回流、血流扰乱区域,并伴有低壁面切应力分布。在低流速时,牛顿流体模型下腔静脉血流扰乱更明显。非牛顿重要性系数显示在下腔静脉的非牛顿特性显著。结论 非牛顿特性在下腔静脉的低速回流区域影响显著,模拟患者个体化的Fontan血流动力学时应考虑血液的非牛顿特性。     

支架置入椎动脉开口处狭窄后突出距离的血流动力学分析

目的探讨支架置入椎动脉开口处狭窄后突出到左锁骨下动脉的距离对局部血流动力学的影响。方法分别构建未置入支架(模型1)以及置入支架无下移(模型2)、下移1 mm(模型3)、2 mm(模型4)、3 mm(模型5)的椎动脉模型。利用计算流体力学方法进行数值模拟,比较不同模型的血流流速、壁面切应力等血流动力学差异。结果支架置入术后,模型2的支架段壁面切应力降低85.33%、血流速度降低35.36%、旋动流现象消失。支架下移不同程度的几个模型相比,狭窄段的壁面切应力相差最大0.76%、血流速度相差最大0.45%。结论支架的置入椎动脉开口狭窄后的血流动力学变化显著,而支架下移距离对椎动脉流速和壁面切应力的影响不明显。     

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。     

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。     

下肢动脉覆膜支架边缘狭窄的血流动力学分析

通过建立镍钛合金覆膜支架的三维模型研究治疗下肢动脉狭窄的覆膜支架植入血管后的血流动力学情况。首先,进行有限元压握仿真,模拟8 mm直径的覆膜支架植入7 mm直径的血管后受到的径向压握变形,再提取出有限元结果,建立植入血管后的模型,进行计算流体动力学仿真分析。结果显示覆膜支架近端覆膜与血管贴壁不良,血液内渗区域的低壁面切应力占总低壁面切应力区域的28.5%,血液内渗区域的低流速区域占总低流速区域的30.1%。覆膜支架边缘的贴壁不良可能是造成支架植入后边缘狭窄的主要原因。     

基于计算流体力学的Stanford B型主动脉夹层血流动力学分析

目的通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)分析Stanford B型夹层的血流动力学参数,从而有效全面评估疾病。方法基于1例复杂的Stanford B型主动脉夹层患者的增强CTA影像,构建三维模型和血流动力学的数值模拟研究,分析流场速度分布、夹层破口剖面速度分布以及壁面切应力。结果该病例在夹层入口、出口处的血液流速分别最高达到1.2、2 m/s,为进一步预测夹层破裂位置和评估夹层破裂风险提供依据。在夹层破口附近的假腔壁面形成明显的低壁面切应力区,与患者体内血栓位置相一致。结论 CFD能有效分析复杂主动脉夹层的血流动力学特征,获得主动脉弓部及其降主动脉的剪切力与主动脉夹层发生的相关性,有助于指导临床对主动脉进行功能学评估,进而预防疾病发生。