楔形平板流动腔测量细胞硬度的数值模拟研究

细胞硬度或形变能力的测量对深入研究细胞的生物学功能及甄别细胞产生病变有着重要意义。以楔形平板流动腔作为细胞形变的加载装置,通过分析细胞在楔形平板流动腔中的运动情况,建立数学模型,通过数值模拟方法研究细胞形变系数与细胞在楔形平板流动腔内移动速度的关系,并以此测量细胞硬度或形变能力。结果表明,细胞在楔形平板流动腔内不同观测点的细胞移动速度可以作为细胞形变能力的测量依据。     

硅胶管流动腔系统的合理使用

硅胶管流动腔系统被用来研究培养血管内皮细胞在流体切应力和周向应力联合作用下的力学行为。如何选择硅胶管流动腔的几何和力学特性以及前、后负荷条件,真实模拟生理条件下血管内皮细胞的切应力和周向应力环境,是构建硅胶管流动腔系统须解决的关键问题。首先给出了确定硅胶管流动腔无载荷状态几何尺寸和硅胶管弹性模量的方法;其次给出了定常流条件下在硅胶管流动腔中模拟生理环境中壁面切应力和周向应力的过程;最后总结了装置中壁面切应力、周向应力的控制因素。     

胃肠吻合钉织构表面对细胞外液流速与剪切力的影响

目的 研究胃肠微环境中的吻合钉表面微织构的几何参数变化对细胞外液流速与壁面处剪切力的影响规律,为吻合钉织构化表面对细胞黏附的促进作用提供理论依据。 方法 将吻合钉表面微织构结构引入到平板流动腔底面,应用 ANSYS Fluent 建立平板流动腔的二维模型并进行网格划分,研究不同高度、边长、间距参数的织构化底面的平板流动腔中细胞外液流速与壁面处剪切力数值,并对数据进行处理分析。 结果 吻合钉表面微织构的引入增强了平板流动腔内细胞外液的流速,且合适的微织构几何参数的引入可以增大微织构微脊处的壁面处剪切力。 微凹坑内的细胞外液流速较低且会形成漩涡,微织构高度、间距的增加以及边长的减小可以增强微凹坑内漩涡的强度。 结论 通过控制微织构的参数可以改变细胞外液流速与壁面处剪切力,进而促进细胞的黏附。     

单侧上颌骨 全切除术后上呼吸道气 流动力学特征

目的通过计算机数值模拟方法,研究单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道吸气相气流动力学特征。方法基于3例单侧上颌骨肿瘤患者术后的CT图像,三维重建患者的上呼吸道结构,利用计算流体力学方法对气流流动进行数值模拟。结果获取患者术后上呼吸道吸气相气流流动趋势,气流在缺损侧鼻腔发生流动分离,在整个缺损腔形成低速大尺度漩涡。结论 3例单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流整体流动模式大体一致,说明这类患者呼吸模式具有共性。单侧上颌骨全切除术造成上呼吸道结构改变,扰乱了上呼吸道气流流动模式,影响了患者的上呼吸道生理功能。单侧上颌骨全切除术后患者的上呼吸道气流数值模拟有助于解释患者出现的鼻腔干燥、结痂、分泌物堆积等症状和体征。     

平行平板流动腔中脉动流的摄动解

高度远小于横向和纵向几何尺寸的矩形平行平板流动腔是人们用以体外研究细胞在切应力作用下力学行为的主要工具之一。大多数研究者主要对定常层流情形进行研究。考虑到通常采用的矩形平行平板流动腔内的流动属小雷诺数流动,本文用雷诺数作为摄动参数求出矩形平行平板流动腔内的层流脉动流的摄动解,给出腔内流速和腔室底部切应力的0级、I级、Ⅱ级近似计算公式。数值计算结果及其与Fourier解的比较表明,在脉动流条件下,对于人们常用的流动腔几何尺寸,近似公式具有相当高的精度,特别是0级近似公式（即准定常公式）适用的雷诺数范围更大。这为在脉动流情况下平行平板流动腔切应力的简便计算方法提供了理论依据。     

平行平板流动腔中Casson流体脉动流的摄动解

高度远小于横向和纵向几何尺寸的矩形平行平板流动腔是人们用以体外研究细胞在切应力作用下力学行为的主要工具之一，考虑到通常采用的矩形平行平板流动腔内的流动属于小雷诺数流动，本文用雷诺数作为摄动参数求出了矩形平行流动腔内Casson流体脉动流的摄动解，给出了腔内切应力随压力梯度和流量的变化规律。数值结果表明，相同压力梯度下Casson流体和牛顿流体对应的腔内切应力分布无明显不同，而在相同流量条件下，Casson流体和牛顿流体对应的腔内切应力分布有明显差异，本文为Casson流体脉动流条件下平行平板流动腔切应力的确定方法提供了理论依据。     

平行平板流动腔入口和出口结构对流场影响的数值研究

本研究针对现有平行平板流动腔的结构特点，在相同流量和压差的情况下，分别研究了三种不同入口和出口结构对流动腔内流场的影响。结果显示，采用对称的入口和出口结构，流动腔内部的压力值可由计算公式得到；流体进入流动腔时，均匀的流场可以减小入口长度；在设计平行平板流动腔时，合理的选择几何尺寸比选择入（出）口结构更重要。研究还发现，为了保证细胞在流动腔内的力学环境尽可能相同，流动腔的高度不宜过小。     

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。     

端点条件对平行平板流动腔底部切应力的影响

高度远小于横向和纵向几何尺寸的平行平板流动腔是当前用以体外研究细胞在切应力场作用下的力学行为,特别是粘附特性的主要工具之一。本文对实际使用的具有不同入口和出口边界条件的流动腔内流体定常流动的流场进行了详细分析,计算出几种常用的不同人口和出口流量分布所对应平行平板流动腔底部的切应力场分布。详细讨论端点条件对腔室底部切应力的影响情况。指出端点条件的影响只局限在离开腔室差不多为腔室宽度的区域之内,本文结果对于分析流动腔内细胞的力学行为和讨论切应力对细胞的影响有重要实际意义。     

一种PDMS制作的带有后向台阶的流动腔装置的构建及仿真

在研究血管动脉粥样硬化的成因中,带有后向台阶的流动腔装置能更好的体外模拟出血液的流动情况.不同于以往的流动腔的制作方法[1,2],现采用PDMS(聚二甲基硅氧烷Poly(dimethylsiloxane))软刻法制作流动腔装置[3,4].本文介绍了这种带有后向台阶的PDMS流动腔的制作过程以及模拟体外血液流动的一些情况,这有助于了解人体内动脉的分叉或弯曲部位血液流动情况.     

体外模拟心血管系统血液动力学性能分析

为研究人工心脏和心血管系统之间的血液动力学作用机制．根据弹性腔模型建立了一套能反映血液动力学特性的体外血液循环模拟实验装置，测试血液动力学参量与心室后负荷（即外周力R和动脉顺应性C）以及每搏心输出量Vs，心动周期T和心室收缩时间间隔Ts，前负荷等六个参量之间的相互关系．通过改变六个参量中的某一个参量而固定其余参量，测试这个参量对动脉血压及流量的影响情况。实验结果与生理情况和数学模型分析相符合。压力和流量波呈脉动性，与真实生理波形相似。整个模拟装置能够反映血液动力学特性。     

模拟心血管系统装置的研制及其在血液动力学测试中的应用

为研究心血管系统血液动力学特性和评测人工心脏,本文根据弹性腔模型建立了一套能反映血液动力学特性的体外血液循环模拟实验装置,测试血液动力学参量与心室后负荷(即外周阻力R和动脉顺应性C)以及每搏心输出量Vs,心动周期T,心室收缩时间间隔Ts和前负荷等六个参量之间的相互关系,通过改变六个参量的某一个参量而固定其余参量,测试这个参量对动脉血压及流量的影响情况.实验结果与生理情况和数学模型分析相符合,整个模拟装置能够反映血液动力学特性.     

Endothelial Cell Layer Subjected to Impinging Flow Mimicking the Apex of an Arterial Bifurcation

Little is known about endothelial responses to the impinging flow hemodynamics that occur at arterial bifurcation apices, where intracranial aneurysms usually form. Such hemodynamic environments are characterized by high wall shear stress (WSS >40 dynes/cm²) and high wall shear stress gradients (WSSG >300 dynes/cm³). In this study, confluent bovine aortic endothelial cells were exposed to impinging flow in a T-shaped chamber designed to mimic a bifurcation. After 24–72 h under flow, cells around the stagnation point maintained polygonal shapes but cell density was reduced, whereas cells in adjacent downstream regions exposed to very high WSS and WSSG were elongated, aligned parallel to flow, and at higher density. Such behavior was not blocked by inhibiting proliferation, indicating that cells migrated downstream from the stagnation point in response to impinging flow. Furthermore, although the area of highest cell density moved downstream and away from the impingement point over time, it never moved beyond the WSS maximum. The accumulation of cells upstream of maximal WSS and downstream of maximal WSSG suggests that positive WSSG is responsible for the observed migration. These results demonstrate a unique endothelial response to aneurysm-promoting flow environments at bifurcation apices.     

计算流体动力学在叶轮式心脏泵中的应用研究

造成溶血、血栓等血液破坏现象的内在原因之一是血液的动力学行为。研究表明，不规则的流动模式尤其是切变流中产生的机械切应力直接导致血液的破坏。计算机技术的迅速发展使得微观动力学的数值模拟成为可能。本文针对基于流线型设计的叶轮心脏泵和直叶片叶轮心脏泵，应用计算流体动力学对其内部的流动行为进行了数值模拟。分析两种心脏泵的内流场和切应力分布，认为在相同的边界条件下，流线型设计的叶轮心脏泵要比直叶片心脏泵更符合血液动力学的要求，对血液的破坏较小。     

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。     

Numerical simulation and experimental validation of swirling flow in spiral vortex ventricular assist device

Spiral vortex ventricular assist device (SV-VAD) supports cardiac patients with refractory heart failure. Unfortunately, thrombus formation and risk of stroke due to flow complications may lead to aggravated conditions. The hemodynamics of a continuous flow in the ventricular chamber of a SV-VAD can be analyzed using numerical simulation. Particle image velocimetry and laser Doppler anemometry are utilized for validating the simulated spiral flow in a transparent acrylic SV-VAD replica based on its cross-sectional averaged axial and tangential velocities. After validation, the relationship between swirling flow and blood cell damage is established by evaluating flow effect on thrombosis due to high shear stress. Based on our analysis, stagnancy of the flow within the SV-VAD is insignificant and its low shear stress minimizes hemolysis.     

Interactions between systemic hemodynamics and cerebral blood flow during attentional processing

The study explored interactions between systemic hemodynamics and cerebral blood flow during attentional processing. Using transcranial Doppler sonography, blood flow velocities in the middle cerebral arteries (MCA) of both hemispheres were recorded while 50 subjects performed a cued reaction time task. Finger arterial pressure and heart rate were also continuously monitored. Doppler sonography revealed a right dominant blood flow response. The extent of the increase measured in second two of the interstimulus interval showed a clear positive association with reaction speed. Task‐related changes in blood pressure and heart rate proved predictive of changes in MCA flow velocities in limited time windows of the response. Besides an association between cerebral blood flow and attentional performance, the results suggest a marked impact of systemic hemodynamics on the blood flow response. All observed interactions are highly dynamic in time.     

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。     

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。     

150例偏头痛的经颅多普勒分析

目的：探讨经颅多普勒检查时偏头痛发作期和发作间期血流动力学改变的临床意义。方法：对150例偏头痛患者发作期和发作间期经颅多普勒检查结果进行对照研究。结果：偏头痛发作期脑血流量调节复杂，表现各不一致。发作期间，TCD上多表现为不同程度的血流速度增快。结论：本组结果发现不论处于头痛发作期或间歇期，TCD均可检测到脑血管动力学特征及脑血管的反应性，以推测脑血管的功能状态。TCD检测异常率达69％，对偏头痛临床诊疗有较大的帮助。