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。     

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。     

血流导向装置与弹簧圈联合治疗巨型颅内动脉瘤的数值模拟研究现状

血管内弹簧圈(coil)栓塞治疗因创伤小、恢复快等优点成为目前普遍应用的颅内动脉瘤治疗手段。近年来血流导向装置(flow diverter,FD)作为颅内动脉瘤血管内治疗技术的重大突破,主要体现为从动脉瘤囊内填塞到载瘤动脉重塑治疗理念的转变,为巨型颅内动脉瘤的治疗带来了全新的方法。文章首先介绍了FD与弹簧圈的数值模拟方法,然后列出常见的影响动脉瘤治疗效果的形态学与血流动力学参数,详细说明了FD孔率、弹簧圈填塞率与壁面切应力对改善瘤囊内血流动力学的重要作用,最后结合FD与弹簧圈治疗颅内动脉瘤的特征,通过数值模拟的方法对比了二者的治疗效果。结果显示使用FD治疗巨型颅内动脉瘤具有一定的优越性,但更多的研究表明FD联合疏松弹簧圈栓塞治疗时,动脉瘤的延迟破裂率与复发率更低。结论进一步说明了FD与弹簧圈栓塞巨型颅内动脉瘤的发展方向。     

蜿蜒型脑动脉瘤的血流动力学仿真

目的分析在一个心动周期中蜿蜒型脑动脉瘤的血液流动情形、压力和壁面切应力分布和变化情况。方法构建了二维理想化的蜿蜒型脑动脉瘤（有2个动脉瘤）几何模型。利用计算流体力学方法对生理性脉动流进行了数值仿真。选择6个相继的心动时刻来显示流腔内的流动。结果2个流腔内的流动情形和壁面切应力分布呈现相似的特征,而第2个动脉瘤的末端瘤口则呈现非常高的壁面切应力和很高的压力梯度,这将更易于导致动脉瘤的发展和破裂。结论血液流动特征可以帮助人们更好地理解在S形弯曲动脉上滋生的在体蜿蜒型动脉瘤的血流动力学特性。     

支架植入颅内蜿蜒型动脉瘤的血流动力学仿真

目的　构建蜿蜒型动脉瘤和弯曲支架三维有限元模型,研究支架植入动脉瘤后的血流动力学的变化。方法　通过CAD软件构建出几何实体模型,借助有限元软件利用计算流体力学方法,分别对无支架和有支架的蜿蜒型脑动脉瘤定常流动血流动力学进行数值模拟,分析在动脉瘤中植入内支架前后的瘤腔内流动情形、压力和壁面切应力分布的变化情况。结果　有支架动脉瘤模型上游瘤腔内的血流速度被大大削弱,圆顶突起处局部高压力明显减弱,在下游瘤腔沿壁面的压力也得到明显降低并且分布也均衡了很多,末端唇缘处局部高切应力消失了,出现的是较小且均衡的切应力。结论　有支架模型瘤腔内的流速明显减小,均衡的压力分布与瘤腔内减弱的流动速度是相互统一的,利于瘤腔内血栓的形成。     

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。     

基于多孔介质模型的血流导向装置栓塞颅内动脉瘤的敏感性

目的 应用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）技术模拟不同血流导向装置（flow diverter, FD）参数对血流动力学的影响,为术前制定合理治疗策略提供可行方法。方法 运用多孔介质模型模拟FD置入动脉瘤的过程,针对特定FD（Tubridge）计算其自身特有的多孔介质动量源参数（渗透率、惯性阻力）初始值。比较不同动量源参数值（初始值80%、90%、100%、110%、120%）情况下血流速度、壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）、体积流量、瘤顶压力等血流动力学参数的变化,并进行多孔介质模型针对病人特异性颅内动脉瘤（intracranial aneurysm, IA）血流动力学参数的敏感性分析。结果 IA各血流动力学参数对多孔介质模型渗透率的敏感性为：载瘤动脉WSS＞瘤体WSS＞瘤顶压力,而各参数均对惯性阻力的敏感性较低。结论 应用多孔介质模型能够通过选择不同的渗透率参数模拟不同FD金属覆盖率（metal coverage, MC）,对不同MC的FD进行建模需要调整特定的渗透率设置。     

血管支架对颅内动脉瘤血液动力学的数值模拟

血管支架作为治疗颅内动脉瘤的新方法被广泛运用到临床中,而且越来越普遍。但由于某些支架植入后不能满足力学要求或对瘤内血液动力学无明显影响,反而更易形成血栓,造成动脉瘤破裂。本研究首先通过结构静力学分析比较矩形截面网格状支架和网丝编织成的圆形截面螺旋形支架的弯曲变形能力及扭转变形能力;然后将网格支架植入实际脑动脉瘤模型,进行流－固耦合模拟仿真,分析血流速度、壁面压力及壁面剪切力变化。结果表明：两种支架能够在不损失径向支撑力的情况下,提供良好的轴向顺应性,且网格状支架的变形能力高于螺旋状支架;支架植入后血液动力学各项指标明显降低。血管支架对颅内动脉瘤血液动力学有很大影响,可为临床治疗动脉瘤提供理论依据。     

附带局部突起的主动脉弓动脉瘤的血流动力学仿真

目的：为了弄清楚顶部附带局部突起的主动脉弓动脉瘤的血流动力学特征，因为针这种动脉瘤的血流动力学目前还较少有人研究。方法：建立了理想化的动脉瘤模型。利用计算流体力学的方法对模型中的生理性血液流动进行了仿真。结果：对流动情形、压力和壁面切应力分布进行了分析，以便评价血流动力学对动脉瘤的发展和破裂的影响。来自动脉的血流对下游瘤口和瘤顶局部突起的冲击较大。瘤顶局部突起区域的压力较高。在瘤口和突起口部位的局部壁面切应力比其他地方的要高。结论：下游瘤口和瘤顶局部突起部位是动脉瘤扩展和破裂的危险区域。     

5种支架对颈内动脉瘤血液动力学影响的数值研究

目的 研究不同结构形状以及不同网丝截面的支架用于颈内动脉瘤治疗后对血液动力学及支架柔顺性的影响。方法 针对同一个体模型的颈内动脉瘤,构建5种不同支架介入治疗的模型。这些支架的支撑体网丝截面不同,但支架通透率近似相等。利用有限体积法进行数值仿真,获得其生物力学特性的定量信息。结果 5种模型中,矩形截面网格支架模型动脉瘤腔中平均流动速度的减小幅度最大;圆型截面支架和矩形截面螺旋支架模型中瘤面和瘤颈部分的壁面切应力减小面积较大;网格支架的柔顺性要远好于螺旋支架。结论 矩形截面网格支架对治疗颈内动脉瘤有较好的生物力学影响,这些发现可帮助临床医生在治疗脑动脉瘤时选择合适的支架。     

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。     

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。     

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。     

上矢状窦旁桥静脉的解剖及其血流动力学数值模拟

目的 通过对上矢状窦旁桥静脉的血流动力学数值模拟,为脑静脉血栓形成发病机制的解释和影像学诊断提供形态学证据。方法 对6例（12侧）上矢状窦和颈内静脉灌注蓝色乳胶的成人头颅湿标本进行观测,测量各支桥静脉的直径及其注入上矢状窦的角度;利用解剖数据,应用计算流体力学分析软件Fluent,建立上矢状窦旁桥静脉的血流动力学模型,对不同模型的壁面剪切力进行比较分析。结果 上矢状窦旁桥静脉共计137支,分为前后两组,其中后组桥静脉的直径较大,注入上矢状窦的角度较小。共建立模型137个,桥静脉直径>1.2mm、65°≤注入角度<105°时,注入处下游上矢状窦壁壁面剪切力下降明显;桥静脉直径>1.2 mm、注入角度<65°时,注入处下游上矢状窦壁和注入处上游桥静脉壁壁面剪切力下降明显,桥静脉壁壁面剪切力最低值为上矢状窦壁上的63%。与前段组桥静脉模型相比较,后段组模型上矢状窦壁和桥静脉壁壁面剪切力最低值较小,距注入处较远。结论 桥静脉直径>1.2mm,且注入角度<65°时,血管壁面剪切力急剧下降,脑静脉血栓形成容易发生。血栓好发于上矢状窦后段的注入处上游桥静脉壁。     

蛋氨酸合成酶基因多态性与颅内动脉瘤的关系

目的 探讨同型半胱氨酸和蛋氨酸合成酶(MS)A2756G基因多态性与颅内动脉瘤的关系.方法 运用多聚酶链反应技术和化学发光法检测76例颅内动脉瘤及77例正常人MS A2756G基因多态性.结果 颅内动脉瘤组的MS D919G DG基因型频率较正常对照高(P ＜ 0.01),患颅内动脉瘤的风险是对照组的6.35倍.两组等...     

持续正压呼吸机压力发生器内部流场的数值模拟

呼吸机的噪声问题一直是呼吸机发展至今重点研究的课题。众多资料表明,在呼吸机的噪声控制上,国内与国外先进水平相比仍有较大差距。本文与上海医疗设备股份有限公司合作,应用专业的计算流体动力学(CFD)软件FLUENT,选取标准k-ε湍流方程模型和SIMPLE算法,对家用持续气道正压(CPAP)呼吸机的压力发生器内部流场进行数值模拟,并对模拟结果进行分析讨论。结果表明,该CPAP呼吸机压力发生器蜗壳部分有局部回流现象,叶轮部分流场速度出现局部不均匀,叶轮进口处存在局部负压,易导致噪声产生,影响整机性能,因此其设计有待改进。     

双向双侧格林手术的数值研究

目的利用数值模拟方法预测左上腔静脉与肺动脉的连接位置改变对双向双侧格林(BBDG)手术的影响。方法首先,根据拥有左上腔静脉的单心室心脏缺陷综合征病人的医学图像重建出三维几何模型。其次,基于力反馈器创建其他数值模拟所需的模型,并利用有限体积法进行流体力学的数值模拟。最后,分析与评估获得的血流动力学参数。结果血液在左、右上腔静脉与肺主动脉中进行再循环。左上腔静脉到右上腔静脉之间的距离由右上腔静脉直径的2倍逐渐变化到右上腔静脉直径的3.5倍,发现当距离为3倍直径时,能量损失最少,而距离为2倍时,能量损失最大。血液分流比(左肺动脉流量/右肺动脉流量)的计算结果范围为0.65～1.11。结论在BBDG手术的治疗中,左、右上腔静脉之间距离太近会导致不适宜的分流比以及消耗更多的能量。本研究结果对于评价伴随有左上腔静脉的单心室心脏缺陷综合征的治疗手术是非常有意义的。