不同入口流量波形对颈动脉分叉壁面切应力的影响

目的 研究不同颈总动脉生理流量波波形对颈动脉分叉壁面切应力的影响。方法 建立颈动脉分叉TF-AHCB数值模型。用Womersley方法求解Bloch和Holdsworth两种经典的血液流量波形的速度分布,并作为入口条件用CFD软件计算分叉管内流场和壁面切应力分布。结果 两种波形在颈动脉分叉根部外侧壁形成的低切应力区相仿,但具有较低重搏波波谷的Holdsworth波形使局部振荡剪切因子明显增大。Holdsworth波形产生的振荡剪切因子是Bloch波形产生的1.75倍,局部最高值可达0.49。结论 在对动脉分叉管血流动力学数值或实验模拟中,正确设定入口流量波形和速度剖面条件是重要的。     

颈动脉血液动力学的数值模拟

背景:由于颈动脉个体差异的多样性,血流量的不同等,因此建立人体真实动脉模型有其自身的局限性。目的:分析不同颈总动脉脉动入口波形和内外颈动脉出口流量分配比对颈动脉血液动力学的影响。方法:建立标准性颈动脉音叉式分叉TH-AHCB三维模型。采用不同脉动入口条件和出口流量分配比,利用ANSYS流体分析软件数值模拟颈动脉分叉管内流场,计算血液动力学参数,包括速度、壁面剪切力(WSS)等,结合数值计算结果,不同角度分析其与动脉粥样硬化的关系。结果与结论:内外颈动脉的出口流量分配比的差异对分叉管内的流场影响很大;颈总动脉入口脉动波形的变化不仅改变血液动力学参数(速度、压力、壁面切应力等)的差值,同时还会导致力学机制作用的范围改变。     

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。     

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。     

颈动脉血管壁切应力的分析

动脉中管壁的脉动低切应力在动脉粥样硬化形成中起始动和主要的决定作用.本文比较了几种计算血管壁切应力的方法,认为采用有约束的弹性管模型计算获得的动脉壁切应力更适合于临床应用.根据检测得到的正常人和动脉硬化性脑血管病患者的颈动脉血流速度、血管管径等数据,计算两者的颈动脉壁面切应力.研究发现动脉硬化性脑血管病患者的壁面切应力比正常人显著减小.这表明,颈动脉的壁面切应力可以作为动脉硬化性脑血管疾病的早期诊断的重要参考指标.     

二维脉动流场中内皮细胞表面切应力分布的数值模拟

本文对三种生理相关的正弦入口速度波形的脉动流场内,VEC表面的切应力分布进行了有限差分方法的数值模拟.结果表明(1)脉动流场与稳态流场中内皮细胞表面的流场分布完全不同,脉动流场中内皮细胞表面的切应力变化幅值远大于稳态流场中的值.(2)同一时刻,每个VEC上的切应力分布是不均匀的,细胞形状影响其表面的切应力分布.(3)在脉动周期的不同时刻,细胞表面的切应力分布也是不均匀的,切应力分布随时间的变化波形与入口波形相类似,但相位有所超前.(4)细胞的伸长主要取决于EC表面的最大平均切应力大小.(5)本章的计算结果可以用于对Helmilinger实验现象的解释.     

二维脉动流场中内皮细胞表面切应力分布的数值模拟

本文对三种生理相关的正弦入口速度波形的脉动流场内,VEC表面的切应力分布进行了有限差分方法的数值模拟。结果表明：（1）脉动流场与稳态流场中内皮细胞表面的流场分布完全不同,脉动流场中内皮细胞表面的切应力变化幅度远大于稳态流场中的值。（2）同一时刻,每个VEC上的切应力分布是不均匀的,细胞形状影响其表面的切应力分布。（3）在脉动周期的不同时刻,细胞表面的切应力分布也是不均匀的,切应力分布随时间的变化波形与入口波形相类似,但相位有所超前,（4）细胞的伸长主要取决于EC表面的最大平均应力大小。（5）本章的计算结果可以用于Helmilinger实验现象的解释。     

人颈动脉窦内流动分离区的研究

关于人颈动脉粥样硬化病的病理解剖报告指出,在窦内侧或内外侧同时发生内膜增生和粥样斑块的病例很多见。用血流动力学低切应力因子相关理论,在传统的Y型AHCB模型中无法解释这种现象。本文在音叉型AHCB修正模型中,用可视化技术显示颈动脉窦内定常三维流场,用激光测速技术测量颈动脉窦内膜增生部位的速度剖面,发现除窦外侧分离区外还存在窦内侧分离区,使临床上观察到的粥样斑块分布现象得到合理解释,并证明音叉型AHCB模型是对传统模型的明显改进。     

股动脉双路搭桥的血流动力学仿真

在传统股动脉搭桥术中，由于下游缝合区采用“端对侧”的“单路搭桥”缝合方式，移植管中血流会对缝合区底面产生很大冲击，引起局部血流动力学急剧变化，并可能因此而导致血管再狭窄和手术失败。由于缝合区几何结构的不对称必然导致流场的不均匀，本研究提出了“对称双路搭桥”的构想以图改善血流动力学。本研究对“单路”和“对称双路”两种连接模型中的血液流动进行了数值模拟。两种模型利用相同的几何参数进行建模，并采用了相同的边界条件。数值模拟结果包括流场、壁面切应力及其梯度等血流动力学参数。研究表明，“对称双路”模型比“单路”模型具有较大的纵向速度、较小的二次流、较均匀的壁面切应力等。因此，“对称双路”搭桥模型具有更好的血流动力学，可以减少股动脉搭桥术后内膜增生和再狭窄的可能性。     

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。     

Factors Influencing Blood Flow Patterns in the Human Right Coronary Artery

Evidence suggests that atherogenesis is linked to local hemodynamic factors such as wall shear stress. We investigated the velocity and wall shear stress patterns within a human right coronary artery (RCA), an important site of atherosclerotic lesion development. Emphasis was placed on evaluating the effect of flow waveform and inlet flow velocity profile on the hemodynamics in the proximal, medial, and distal arterial regions. Using the finite-element method, velocity and wall shear stress patterns in a rigid, anatomically realistic model of a human RCA were computed. Steady flow simulations (Re_D=500) were performed with three different inlet velocity profiles; pulsatile flow simulations utilized two different flow waveforms (both with Womersley parameter=1.82, mean Re_D=233),1 as well as two of the three inlet profiles. Velocity profiles showed Dean-like secondary flow features that were remarkably sensitive to the local curvature of the RCA model. Particularly noteworthy was the rotation of these Dean-like profiles, which produced large local variations in wall shear stress along the sidewalls of the RCA model. Changes in the inlet velocity profiles did not produce significant changes in the arterial velocity and wall shear stress patterns. Pulsatile flow simulations exhibited remarkably similar cycle-average wall shear stress distributions regardless of waveform and inlet velocity profile. The oscillatory shear index was very small and was attributed to flow reversal in the waveform, rather than separation. Cumulatively, these results illustrate that geometric effects (particularly local three-dimensional curvature) dominate RCA hemodynamics, implying that studies attempting to link hemodynamics with atherogenesis should replicate the patient-specific RCA geometry. © 2001 Biomedical Engineering Society. PAC01: 8719Uv, 0270Dh, 8719Xx, 8710+e     

Effect of pulsatile swirling flow on stenosed arterial blood flow

The existence of swirling flow phenomena is frequently observed in arterial vessels, but information on the fluid-dynamic roles of swirling flow is still lacking. In this study, the effects of pulsatile swirling inlet flows with various swirling intensities on the flow field in a stenosis model are experimentally investigated using a particle image velocimetry velocity field measurement technique. A pulsatile pump provides cyclic pulsating inlet flow and spiral inserts with two different helical pitches (10D and 10/3D) induce swirling flow in the stenosed channel. Results show that the pulsatile swirling flow has various beneficial effects by reducing the negative wall shear stress, the oscillatory shear index, and the flow reverse coefficient at the post-stenosis channel. Temporal variations of vorticity fields show that the short propagation length of the jet flow and the early breakout of turbulent flow are initiated as the swirling flow disturbs the symmetric development of the shear layer. In addition, the overall energy dissipation rate of the flow is suppressed by the swirling component of the flow. The results will be helpful for elucidating the hemodynamic characteristics of atherosclerosis and discovering better diagnostic procedures and clinical treatments.     

颈动脉分叉管模型流场分布的PIV测量

为了解改进的TF-AHCB颈动脉血管分叉模型内的血流动力学特点,采用PIV技术测量循环系统装置中颈动脉血管分叉模型的瞬时速度分布情况。通过调节循环系统装置中水箱的高度,变换压力差来调节流速。循环液采用黏度与人体血液相似35%的甘油水溶液。利用PIV测量4个工况下的瞬时速度并根据瞬时速度值计算切应力。结果表明,在颈动脉血管分叉模型内ICA的外侧壁存在明显的流动分离和逆时针方向的涡流,涡流的范围和距离随着流速的改变而改变。流速越大,涡流的范围越小,距离分叉的距离越近。ICA外侧壁的切应力明显要小,当流速小于0.839 m/s时,存在一个明显的低切应力核心区域。此低切应力核心区域正是临床上观察到的动脉粥样硬化好发的区域。结果提示,颈内动脉在分叉后ICA部分的外侧壁存在明显的流动分离和涡流以及低切应力区域,这可能和此部位动脉粥样硬化的发生有关。     

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。     

Application of the lattice Boltzmann model to simulated stenosis growth in a two-dimensional carotid artery

The lattice Boltzmann model is used to observe changes in the velocity flow and shear stress in a carotid artery model during a simulated stenosis growth. Near wall shear stress in the unstenosed artery is found to agree with literature values. The model also shows regions of low velocity, rotational flow and low near wall shear stress along parts of the walls of the carotid artery that have been identified as being prone to atherosclerosis. These regions persist during the simulated stenosis growth, suggesting that atherosclerotic plaque build-up creates regions of flow with properties that favour atherosclerotic progression.     

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。     

振荡流动对组织工程用灌注式生物 反应器中剪切力分布影响

目的 考察振荡流动以及三维支架孔径和孔隙率对生物反应器内流速和剪切力分布的影响,并根据理论计算结果为脱细胞骨三维支架和灌注式生物反应器制备提出优化方法。方法 针对实验室前期制备的骨组织工程用脱细胞骨三维支架和灌注式生物反应器,将脱细胞骨三维支架简化为各向同性的多孔介质,对生物反应器内的流速和剪切力分布进行理论建模。结果 振荡流作用时,多孔支架材料内速度和达西剪切力呈现一致的变化规律,不同半径处流速和达西剪切力差异减小,有利于在骨组织工程中对种子细胞进行均匀三维培养。提高入口灌流速度可提高平均达西剪切力;增加多孔支架孔径或孔隙率对支架内流速峰值影响不大,但会显著降低平均达西剪切力;提高入口振荡流动振荡频率可降低支架内流速最大峰值,显著减小不同半径处流速的差异。结论 适宜的振荡流易产生利于骨组织工程干细胞所需剪切力,研究结果有望为优化骨组织工程中种子细胞的三维培养方法提供理论指导。