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。     

T型分叉管内牛顿与非牛顿血流特性对比分析

目的:动脉粥样硬化是引起心血管疾病的重要因素。结合临床心血管相关病例,从交叉学科的角度分析了入口血流速度和血液粘度对T型分叉管内血流分布的影响,以探索T型分叉管内血流分布与动脉粥样硬化形成的关系,为临床诊断与治疗提供一定的指导。方法:根据血液流动的粘性不可压缩Navier-Stokes方程,运用Auto CAD建立了T型分叉血管的几何模型,并采用计算流体力学方法 (Computational Fluid Dynamics,CFD)对分叉管内血液流动进行数值模拟,分析不同初始条件下分叉管内血流分布对动脉粥样硬化形成的影响。结果:数值模拟结果显示,与牛顿血液粘度模型相比,非牛顿血液粘度模型下血流分布较合理;分叉管的壁面切应力明显大于主血管,而分叉管的壁面压力却小于主血管,表明分叉处管壁受到高切应力与低壁面压力的共同作用,血管内壁易疲劳损伤,促进动脉粥样硬化的产生;这与分叉处附近A与B处存在较大面积的低速涡流区相符合,为动脉粥样硬化的形成提供有利条件。结论:通过对T型分叉管血液流体动力学的数值模拟,表明入口血流速度和血液粘度在动脉粥样硬化形成过程中具有重要作用。另外,数值模拟结果与临床检测结果一致,为进一步研究心血管疾病的机理提供一种有效、可靠的研究方法。     

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。     

Y型血管血流动力学边界元分析

目的：通过数值计算,判断Y型动脉血管中,血流动力学特性对分叉处粥样斑块病变产生和发展的影响。方法：利用边界元方法[4,5],计算了Y型动脉血管,主管病变前后的血液流场、血管壁切应力、压力等血液流体动力学特性,通过对计算结果的分析和比较对粥样病变产生和发展的原因做出了分析。边界元方法由于只在边界离散时作了近似,因而计算精度较高,对于象分叉血管这类复杂边界问题,有较强的适应性。结果：计算结果显示,分叉处管壁切应力明显大于主管壁切应力,说明了分叉处易产生粥样斑块的流体动力学原因;而病变的产生使血管腔变窄,病变斑块顶部血流速度、切应力变大,上、下游血流速度、切应力变小,说明了粥样斑块变厚和附壁延伸的流体动力学原因[7];另外,病变前后血管壁压力的计算结果显示,病变的产生对动脉血压有一定的影响。结论：通过对Y型分叉血管血液流体动力学特性的计算,进一步说明,边界元方法对分叉血管,以及分叉处有病变血管,这类复杂边界问题的计算,方便、快捷、精度高、节约机时,可为生物流体力学的深入研究提供一种可靠、有效的方法[8,9]。     

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。     

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。     

沙疗对人体弯曲股动脉血流动力学影响

目的研究沙疗对人体弯曲股动脉血流动力学的影响,从血流动力学角度进一步揭示沙疗的疗效机理。方法以人体主动脉CT图像为依据,建立弯曲股动脉三维有限元模型,并以实验所测受试者心率、股动脉血流速度峰值和内径作为初始条件和边界条件进行有限元数值模拟,对比分析在流固耦合条件下沙疗前后弯曲血管血液流场血流速度、压力和壁面切应力。结果与沙疗前相比,沙疗后血管弯曲段纵向速度有较大提高,增幅为22.76%;二次回流速度明显减弱,减少了18.26%;壁面切应力减少2.01%。结论沙疗会使血液流动性效果显著,并提高股动脉血液的流动性,预防动脉内血小板的沉积;沙疗后二次回流速度流动现象明显减弱,避免血液中物质产生沉积,临床上对预防动脉粥样硬化、血栓等各种血管疾病有积极作用。     

人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析

目的:通过基于三维重构技术对正常人体主动脉弓内的血流进行非牛顿血液模型数值模拟,分析血流动力学参数与血管疾病的关系,并与牛顿血液模型获得的壁面切应力(WSS)参数进行比较。方法:对临床获得的CT医学图像据进行处理重构,并转化为可用于模拟计算的三维模型。应用计算流体力学(CFD)方法进行数值模拟计算。结果:获得了正常人体主动脉弓内血流在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:主动脉弓内复杂的血流情况与血管疾病的产生与发展存在一定联系,并且非牛顿血液模型更为适合进行深入细致的主动脉弓内血液低速区域的瞬态模拟分析。     

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。     

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。     

椎动脉狭窄临床病例介入治疗前后椎基底动脉血流状况分析

目的:基于血液和弹性血管壁相互作用的流固耦合方法,探究1例椎动脉颅内段狭窄的临床病例支架植入前后椎基底动脉的血流动力学特性。方法:应用医学建模软件对二维CT数据进行三维重建,得到支架植入前后的椎基底动脉血管模型,采用流固耦合方法对支架植入前后的椎基底动脉血流特性进行数值模拟,分析椎基底动脉的血流动力学特性。结果:支架植入前后椎基底动脉的血液流场、血液压力、血管壁面切应力以及管壁形变量有显著的变化。在支架植入后,基底动脉中间部位两侧受力变得均匀,椎基底动脉内血流速度明显增大,支架植入处压力增大,支架上游压力和支架处切应力减小。结论:在介入治疗后,椎基底动脉内的血流环境及受力情况得到明显改善,当椎动脉发生狭窄后应及时干预治疗,避免累及基底动脉和后循环系统。     

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.     

动脉分叉管道血液流动的边界元分析

我们用边界元方法研究了一类动脉分叉血管中血液流动的流体动力特性,计算了分叉血管无病变和主支管有病变时血液流动的速度矢量分布,比较了主支管壁有病变和无病变两种情况下内外侧壁切应力的大小,同时计算了分叉附近有颗粒状绕流物时血液的流场分布,及颗粒物所受压力状况,给出了颗粒物的运动趋势,分析了引起粥样斑块病变的可能原因.     

冠状动脉斑块分型及分叉角度对斑块影响的血液动力学模拟

目的 分析斑块分布分型和血管分叉角度对冠状动脉分叉血管内血液动力学的影响,进一步探讨对斑块易损性发展的影响规律。方法 基于人体冠状动脉分叉血管的平均几何参数,构建不同斑块分布分型和血管分叉角度情况下的流固耦合模型,研究关键部位处的血流速度、压力以及剪切应力分布。结果 斑块上游的肩部是斑块表面剪切应力最大的部位,容易发生溃疡或破裂并进一步发展;当分叉血管单侧有斑块时,分叉脊处的剪切应力大于双侧有斑块的情况。血管分叉脊处的压力和剪切应力随分叉角度减小而逐渐增大。结论 分叉处单侧有斑块时,斑块溃疡或破裂的概率更大。主支血管内斑块的存在会促进分叉处斑块的形成和发展。血管分叉的角度越小,分叉脊处的血管内壁越易受损。研究结果可为易损斑块治疗方案的设计与优化提供理论参考。     

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。     

Influences of graft diameter on the blood flow in 2-way bypassing surgery

The graft diameter plays a critically important role in the long-term patency rates of bypass surgery. To clarify the influence of graft diameter on the blood flows in the femoral 2-way bypass surgery, the physiologically pulsatile flows in two femoral bypass models were simulated with numerical methods. For the sake of comparison, the models were constructed with identical geometry parameters except the different diameters of grafts. Two models with small and large grafts were studied. The boundary conditions for the simulation of blood flow were constant for both models. The maximum Reynolds number was 832.8, and the Womersley number was 6.14. The emphases of results were on the analysis of flow fields in the vicinity of the distal anastomosis. The temporal-spatial distributions of velocity vectors, pressure drop between the proximal and distal toe, wall shear stresses, wall shear stress gradients and oscillating shear index were compared. The present study indicated that femoral artery bypassed with a large graft demonstrated disturbed axial flow and secondary flow at the distal anastomosis while the axial flow at its downstream of toe was featured with larger and more uniform longitudinal velocities. Meanwhile, the large model exhibits less refluences, relatively uniform wall shear stresses, lower pressure and smaller wall shear stress gradients, whereas it does not have any advantages in the distributions of secondary flow and the oscillating shear index. In general, the large model exhibits better and more uniform hemodynamic phenomena near the vessel wall and may be effective in preventing the initiation and development of postoperative intimal hyperplasia and restenosis.     

腹主动脉叉血流动力学边界元分析

本文利用边界元方法计算了腹主动脉叉。在动脉粥样硬化前后的血液流场、血管壁切应力等血液流体动力学特性,通过对动脉粥样硬化产生前后,左、右髂总动脉壁切应力的计算结果分析,对粥样斑块病变产生和发展的血液流体动力学原因做出了判断。结果显示:腹主动脉叉几何形状的不对称性导致分叉处血液流速、血管壁切应力分布的不对称,内侧壁切应力大于外侧壁,右髂总动脉内侧壁切应力大于左髂总动脉。动脉粥样硬化处由于血管腔变窄血液流速明显变大、切应力变大,容易使斑块表面撕裂出现组织增生,粥样斑块下游处血流速度、切应力减小,形成血液分离区,使血细胞聚集,造成动脉粥样硬化发展、加剧。     

不同支撑杆数目腔静脉滤器的生物力学性能和血流动力学分析

目的利用有限元与计算流体动力学的方法,分析不同支撑杆数目腔静脉滤器在植入过程中与血管的相互作用机制及对血流的影响,为滤器的临床治疗及设计开发提供更加科学的参考。方法应用Solidworks软件建立支撑杆数分别为4、6和8杆的3种滤器模型;应用ABAQUS软件模拟分析3种滤器在工作状态下血管与滤器表面上的应力分布以及径向支撑刚度;应用Fluent软件模拟分析3种滤器在血管内工作时血流流速、压力、剪应力的分布。结果 3种滤器的各项力学性能和流体性能都在安全范围内。6杆滤器的综合性能相对较好;8杆滤器工作时所受应力、支撑强度、出口速度、过滤网上的剪应力均较大,流迹状态逐渐由层流向过度流变化,容易造成血管壁的损伤;4杆滤器在工作时对血管的应力较大,出口速度较低,容易造成局部血管壁的损伤,并且不利于滤器在血管病变部位的正确定位。结论 6杆滤器具有较好的血流动力学效果和综合力学性能,潜在降低了滤器植入后对血管壁的损伤及本身破裂的可能性。腔静脉滤器的模拟分析为滤器的设计和临床选择提供良好的参考依据。     

Haemodynamics Simulation for Carotid Artery Bifurcation

INTRODUCTION　　Atherosclerosis is a problem that affects millions of people world- wide,leadingto heartattack and strokes.The causative factorsthatcontribute to the formation ofatherosclerotic lesions have been studied extensively( Ku D N,1 990 ;Taylor C A,1 998;Bertolotti C,2 0 0 0 ,2 0 0 1 ) .Clinically relevantplaque deposits are prone to occurin branching,bifurcations and curvature of the arteries,so haemodynamic factorsare important determinants of the focal distribution of ather…