颈内动脉虹吸部血流动力学模拟与影响因素

背景：颈内动脉虹吸部走行弯曲、周围结构复杂,解剖学、影像学测量研究较多,并成为相关领域的研究热点,但目前对颈内动脉虹吸部血流动力学的相关研究报道较少,利用有限元分析技术,为相关动力学研究提供了基础。目的：明确颈内动脉虹吸部正常及狭窄血液动力学特点,探讨血流动力学的影响因素。方法：利用64排螺旋CT扫描获得DICOM数据实现颈内动脉虹吸部有限元建模,分别在Mimics 10.01软件上进行三维模型的实体构建,用ANSYS 13.0 CFX软件模拟仿真人类颈内动脉虹吸部正常及狭窄后血流,观察正常血流及狭窄后血流动力学的改变,分析其特点与差异。结果与结论：颈内动脉虹吸部正常血流在弯曲的虹吸部呈层流状态,但经过两个折角时血流发生旋动与湍流。血流经折角内弯区较快,外弯区较慢,速度越慢湍流越明显;折角处剪切力较小,同时折角外弯区剪切力较内弯区小。动脉狭窄后血流经狭窄区速度加快,狭窄下游形成湍流及低剪切力区;随狭窄程度增大,湍流、低剪切力区域扩大,中央性狭窄比偏心性狭窄影响大。结果证实,颈内动脉虹吸部弯曲、管腔狭窄直接影响湍流及低剪切力区形成,以外弯区及中央性狭窄影响明显。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

颈内动脉狭窄对大脑动脉环血流动力学影响的有限元分析

目的　大脑动脉环血流变化常与颈内动脉狭窄相联系。本研究试用有限元方法来研究颈内动脉狭窄对大脑动脉环内的血流动力学影响,以此探讨动脉环内交通动脉代偿机制。 方法　采用MIMICS10.0软件及ANSYS14.5软件,建立了一个包括血管和血流在内的流固耦合的三维有限元模型,模拟了健康模型（颈内动脉无狭窄）及各种病理模型（颈内动脉狭窄率分别为15%、 30%、 45%, 60%、 70%、 80% 和90%）。通过监测前交通动脉和后交通动脉内的血流变化,掌握动脉环内血流动力学的改变。 结果　包括血管和血流的流固耦合有限元模型首次得以建立。随着狭窄率增加,前交通动脉与患侧后交通动脉内血流逐渐增多,狭窄率达到90%后,两条血管内血流减少;健侧后交通动脉内血流也全程逐渐增加,但量极小,基本无明显变化。 结论　通过以上的结果可见,随着颈内动脉狭窄程度的加重,大脑动脉环通过前交通动脉与患侧后交通动脉开放达到代偿,狭窄率达到90%后代偿失效,从机制上印证了颈内动脉狭窄与颅内缺血性病变相关。     

构建颈内动脉瘤双向流固耦合模型的血流模拟

背景：动脉瘤血液动力学变化为动脉瘤的治疗与其破裂的预防研究提供了前提与条件,有限元分析是一种很好的技术手段。 目的：构建颈内动脉瘤的双向流固耦合模型,并进行相关血流模拟。 方法：利用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得颈内动脉瘤CT血管造影数据,分别在mimics10.01软件上进行三维模型的实体构建,ansys+fluent软件进行流固耦合及血流模拟与仿真。 结果与结论：构建了颈内动脉瘤瘤壁和流场的有限元模型,模型具有良好的解剖形态,并与实体模型一致。模拟展示整个心动周期的血流变化：瘤体血流呈漩涡样,瘤体部流速较瘤颈部慢;血流引起动脉瘤壁的形变、壁面剪切力、压力及应力以瘤颈部最大,瘤顶部最小。模拟值以0.16 s(快速射血期)时刻为最高值,0.74 s(舒张期)为最低值。结果显示基于CT血管造影扫描数据进行颈内动脉瘤的双向流固耦合建模,其方法简单、实用。模拟动脉瘤血流接近人体的生理状态,结果为研究动脉瘤发生、发展提供新的理论依据。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程全文链接：     

左主干分叉病变严重程度的血流动力学功能性评价

目的无保护左主干分叉病变的治疗方式选择很大程度上依赖于病变的严重程度。SYNTAX评分是基于冠脉造影图像对冠脉病变严重程度进行评价的方法,是一种完全解剖学的评价,缺少功能性的分析。本文以总灌注量作为判断病变严重程度的参考量,从血流动力学的角度对不同类型分叉病变严重程度做出评价。方法采用患者三维模型(three-dimensional,3D)耦合个性化的集中参数模型(lumped parameter model,LPM,0D)对不同的分叉病变进行多尺度数值仿真计算,提取不同分支的流量、分叉区域的壁面切应力(wall shear stress,WSS)、壁面切应力振荡指数(oscillatory shear index,OSI)3个血流动力学参数,通过对比这些参数,从血流动力学的角度对不同类型分叉病变严重程度做出分析。结果分支(回旋支)是否病变对总灌注量是有影响的,当分支存在病变时,总灌注量会降低,与SYNTAX评分中对分叉病变严重程度的分类是一致的。从恶化风险(WSS,OSI)来看,当左主干存在狭窄时,分叉区域平均WSS相对比较大,OSI并没有呈现出一定的规律。结论分支存在狭窄的左主干分叉病变比分支不存在狭窄的病变总灌注量更小,心肌缺血程度更严重,狭窄进一步恶化并无明显差异。     

肾动脉狭窄形态对其血流动力学的影响

目的探讨肾动脉狭窄(renal artery stenosis,RAS)的形态学参数对其血流动力学的影响,为临床治疗提供理论参考。方法创建理想化RAS模型,运用计算流体力学方法探讨狭窄面积、对称性、长度和形状改变对肾动脉血流动力学影响。结果肾灌注、压降和壁面剪切力分布与狭窄面积显著相关。当狭窄面积从50%逐步增大到70%,这些血流动力学参数均发生显著变化。此外,非对称狭窄会显著增加肾动脉中的回流区以及非正常高壁面剪切力,但狭窄长度和狭窄形状的改变对肾动脉的血流动力学影响较小。结论虽然狭窄面积仍是RAS各种形态参数中最显著的影响因素,但是其他形态学参数尤其是非对称狭窄对肾动脉血流动力学影响也不可忽略,建议临床医生的治疗方案应该基于这些形态学参数进行综合评估。     

基于CT成像的冠状动脉狭窄血流动力学分析

目的基于心血管患者的冠状动脉血管模型,通过计算和分析血管内血液流动的各个动力学参数,研究冠状动脉狭窄对心血管疾病的影响。方法基于心血管患者冠状动脉造影的CT图像,用Mimics软件对左冠状动脉及其主要分支进行三维重建;利用有限元方法,对冠状动脉模型进行流体力学计算。假设血管壁不发生变形,血液为不可压缩牛顿流体,在非定常速度进口的条件下计算各血流动力学参数的变化规律。结果冠状动脉狭窄(75%面积狭窄)对下游的壁面剪切力和振荡剪切指数影响较大,并且会导致涡流和二次流的产生;在模型中装上血管支架,使得血管狭窄消失之后,涡流和二次流基本消失,而且振荡剪切指数明显变小。结论冠状动脉狭窄对血流动力学参数有重大影响,可能是引起动脉粥样硬化的原因;通过CT图像重建方法,可以诊断狭窄发生的地点以及严重性,对心血管疾病的治疗有一定的辅助作用。     

个体化颈动脉瘤的血流动力学特性分析

目的构建个体化的流固耦合模型,计算分析不同血液特性对动脉瘤腔内血液动力学的影响,进一步探讨对脑动脉瘤破裂的影响。方法首先采集3D数字剪影图像构建动脉瘤模型,通过流体动力学计算方法分析在相同边界条件下,不同血流特性对颈动脉瘤动力学参数的影响。最后对简化颈动脉瘤实验模型进行粒子图像测试(particle image velocimetry,PIV)实验,以验证血流计算方法的可靠性。结果不同血流特性的流固耦合模型,在1个心动周期内,在相同时刻,瘤腔内的低速区域面积、瘤腔流线分布、壁面剪切力(wall shear stress,WSS)及动脉瘤壁面变形有较大的差异。通过PIV实验发现,在瘤腔内涡流位置随速度变化而变化,与模拟分析结果流动趋势相一致。结论两种血液特性差异较小,但非牛顿流体更加接近血液真实状态,数值结果将更接近真实流动状态。     

缺血性脑卒中的体外反搏血流动力学效应及治疗策略优化

目的 探究增强型体外反搏(enhanced external counterpulsation,EECP)对于不同狭窄程度脑动脉的血流动力学效应。 方法 建立 4 个不同狭窄程度的 0D/ 3D 耦合几何多尺度血流动力学模型,开展不同反搏模式下的 EECP数值模拟,定量计算脑动脉各血流动力学指标。 其中,处于 4 ~ 7 Pa 范围的狭窄下游 TAWSS 均值、低 TAWSS 危险区域百分比、高狭窄支流量被认为可抑制动脉粥样硬化的发展,形成良好的血流动力学环境。 结果 对于 50% 、60% 、70% 、80% 狭窄,在反搏气囊放气时刻分别为心动周期内 0. 5、0. 6、0. 7、0. 7 s 的反搏模式下,血流动力学环境最优。 结论 对于 50% 狭窄脑动脉,应选择放气时刻为 0. 5 s 的反搏模式;对于 60% 狭窄脑动脉,应选择放气时刻为 0. 6 s 的反搏模式;对于 70% 、80% 狭窄脑动脉,应选择放气时刻为 0. 7 s 的反搏模式。 随着脑动脉狭窄程度增加,应当适当延长加压时长。 研究结果可为临床上对不同狭窄程度缺血性脑卒中患者 EECP 治疗方案提供理论参考。     

流固耦合分析分层的腹主动脉瘤模型

目的应用基于CT图像的三维重构技术,分别构建血管壁3层模型和单层模型,并应用流固耦合计算流体力学方法对这两种模型进行数值模拟。通过比较两者的血流动力学结果,讨论了两种应力模型的优劣,为深入研究血液流动状态与动脉疾病的关系提供帮助。方法采集腹主动脉瘤(AAA)临床CT图像,格式为DICOM,层间距为0.5mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学图像后处理软件构建血管壁3层模型和单层模型,并应用流固耦合方法进行血流动力学模拟计算。结果经过多次迭代耦合计算,获得血管壁形变、等效应力等相关血流动力学参数。血管壁位移比较,单层血管壁模型B部分区域的血管壁变形情况略高于3层血管壁模型A,如腹主动脉分叉处模型A变形为1.041×10-3m,而模型B变形为1.171×10-3 m。血管壁应力分布比较,相同位置的3层血管壁模型的Von Mises值明显高于单层血管壁模型。结论通过对血管壁的变形及等效压力的分析,以及与单层血管壁模型的流固耦合模拟结果对比,得出了血管壁中层结构的变形和受力情况是AAA的形成和破裂的关键,为深入研究血流动力学与AAA疾病的关系提供帮助。     

缓变狭窄幅度径向振荡血管内血流动力学

本文研究缓变狭窄幅度径向振荡血管内血液脉动流。求解线化的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔ－ｏｋｅｓ血流方程和管壁方程,得出速度剖面和管壁切庆力。结果表明狭窄参数的变化对流动有很大影响。在狭窄区仙,速度变化和狭窄程度及狭窄幅度振荡频率的耦合作用有关。当狭窄幅度振荡频率接近血流基频时,血液速度变化较大,并且狭窄区最大壁切应力达到峰值。     

正常体位下人体椎动脉内血流动力学数值模拟分析

目的:保证研究对象的椎动脉在正常体位下,即保证研究对象没有向前或向后发生椎动脉过度拉伸或弯曲的情况下,采集临床CTA图像,应用三维重构方法构建体外人体真实椎动脉并应用计算流体力学方法进行血流动力学数值模拟,比较不同研究对象椎动脉的血流动力学参数,分析椎动脉狭窄与血流动力学的关系。方法:研究对象A椎动脉在基底动脉之前部分出现狭窄;研究对象B椎动脉正常。采集的临床CTA图像均为Dicom格式,层间距为0.5 mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5 mm。应用医学图像后处理软件Simpleware对CTA二维医学图像据进行处理得到人体椎动脉三维立体模型。将椎动脉三维立体模型导入到CFD软件中进行前处理、网格划分和数值模拟。结果:通过瞬态模拟计算,得到了椎动脉在心动周期内不同时刻的血流动力学参数。结论:通过对比两个不同个体的血流动力学参数来分析椎动脉内血流动力学参数与椎动脉狭窄的关系,发现椎动脉狭窄血流动力学因素(如低流速、低壁面切应力、高振荡壁面切应力)可以诱发和加速与动脉粥样硬化及血栓的形成,为进一步研究椎动脉狭窄等疾病的发病机理提供理论支持。     

FFR值与冠动脉狭窄度的数值模拟

目的：利用有限体积法对冠状动脉进行数值模拟,探讨不同狭窄程度的冠状动脉简化模型在舒张期血液的压力分布,并以此计算出（Fractional Flow Reserve,FFR）FFR值,阐明冠状动脉不同狭窄程度与肿值之间的关系,为冠状动脉狭窄的诊断提供参考。方法：以血流动力学基本原理建立不同狭窄度冠脉的物理模型,利用有限体积法,计算不同狭窄几何模型的速度、压力和壁面剪切力等血液流体动力学特征。利用开源软件OpenFOAM对人的冠状动脉不同狭窄程度的简化模型进行血流三维数值模拟。结果：计算获得了人的左冠状动脉不同狭窄程度的血流在舒张期压力分布图。当狭窄程度小于70％,FFR值下降缓慢;当狭窄程度在70％和90％之间内,彤R值下降速度明显加快,当狭窄程度大于90％时,FFR值急速下降,另外,当狭窄程度在大于80％之后,冠脉血管内血流流场的速度压力变化加大。结论：通过对不同狭窄度下冠脉血管血液流体动力学特性的计算,进一步说明有限体积法对冠脉狭窄的模拟问题的计算,人左冠状血管狭窄的百分数与冠脉的FFR值并不是呈线性关系,而是呈曲线样改变。     

颈内动脉狭窄对体循环系统影响的集中参数模型研究

研究颈内动脉病变时对整个颈动脉系统的影响。建立了一个带颈动脉分岔血管分支的体循环系统集中参数模型,基于一组可较好地模拟正常生理曲线的参数,通过改变颈内动脉段的集总参数来模拟颈内动脉狭窄,研究了其对颈动脉系统的影响。结果表明:颈内动脉发生狭窄时,会使其自身的流量、压力和颈总动脉的流量发生显著变化。这些变化主要是由液阻和液容的改变引起的,其中液阻的影响更显著。此外,颈内动脉发生狭窄对于颈外动脉的影响较小,对颈总动脉入口压力则不产生影响。由此说明:利用三维计算模型对颈动脉分岔血管进行血流动力学数值模拟时,入口边界条件用入口压力比用入口流量更合适。     

腹主动脉瘤的数值计算模型比较研究

目的分别采用纯流体模型和流固耦合模型来计算腹主动脉瘤的血流动力学特征,比较两种数值模型的不同,并讨论在研究腹主动脉瘤中的应用。方法使用Gambit 2.2.30和COMSOL Multiphysics 4.2建立腹主动脉瘤的理想模型,分别基于有限体的方法分析纯流体模型,基于任意拉格朗日-欧拉算法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)计算流固耦合模型。结果同样的入口速度下,纯流体模型出现4个涡流和6个局部压力集中;流固耦合模型只有2个涡流和局部压力集中,且涡流中心更接近腹主动脉瘤的远端。在边界层分离点、血流回帖位置以及腹主动脉瘤的近端和远端,两种模型均出现壁剪切力极值。血管壁的最大形变和最大壁应力出现在腹主动脉瘤的近端和远端。结论两种模型的涡流个数和涡流中心的位置均不一样,与瘤体的生长有着密切的关联;流固耦合模型中的最大壁剪切力比纯流体模型要小36%;最大壁应力和最大血管壁的形变量与出口血压呈正相关。在研究血管瘤生长与血流动力学的关系时需要考虑使用流固耦合模型。     

颈内动脉虹吸部血流的数值计算和模型实验

目的研究不同几何构型颈内动脉中的血流动力学因素,分析其构型和动脉狭窄的关系,为颈内动脉狭窄的风险预测和早期诊断提供一定的血流动力学基础。方法对两种常见形状的颈内动脉——U形和V形在定常流条件下的流场分别进行数值模拟和粒子成像测速的实验研究。结果在其中较上游的弯曲处,血流动力学因素与弯曲曲率存在单调的相关关系,V形在此处的狭窄风险小于U形。但是在下游的弯曲处,由于两个弯曲的叠加效应,其血流动力学因素与此处的曲率不存在单调的相关关系。结论弯曲动脉的曲率和动脉狭窄的风险成正相关关系。但是在连续多个弯曲的动脉中,则需考虑弯曲的叠加效应。对此叠加效应的研究有助于解释多弯血管内狭窄多发的原因。     

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。     

血栓后髂主动脉的流固耦合模拟方法研究

目的：应用流固耦合方法模拟分析血栓后髂动脉内的血流及管壁的应力情况,验证本文所用的流固耦合方法的有效性,并为进一步研究心脑血管疾病的机理提供技术条件和研究方法,为临床诊疗应用提供一定指导。方法：基于逆向工程三维重构技术。应用医学图像后处理软件对通过临床采集的增强CT二维图像数据进行处理,获得了基于人体生理解剖结构的血栓后髂动脉的血流区域三维模型,并以此为基础统一构建0.3mm厚度的弹性血管壁三维模型。应用通用有限元分析软件对血栓后髂动脉的血流及血管壁模型进行流固耦合模拟计算。结果：在对计算模型进行边界条件和初始条件有效设定的基础上,经过多次迭代耦合计算,获得研究对象在心动周期内不同时刻的血管壁形变、等效应力、壁面振荡切应力、血流速度矢量等相关血流动力学参数。结论：通过与他人研究结果的对比,验证了本文所用方法的有效性。并通过分析模拟结果．发现较大的等效应力、较小的壁面振荡切应力、缓慢的流速以及回流等复杂的血流及管壁应力情况容易使得血管狭窄处的内皮细胞受损严重、血小板加速聚集,进而加重血管栓塞,加剧血管的狭窄,为进一步研究心脑血管疾病的机理提供技术条件和研究方法。为临床诊疗应用提供一定指导。     

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。     

血管壁弹性模量对颈动脉狭窄血流储备分数的影响

目的探索将血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)引入颈动脉狭窄评估的可行性,并且分析血管壁弹性模量对颈动脉狭窄中血液动力学参数和FFR计算结果的影响。方法利用计算机辅助设计软件建立颈动脉分叉标准模型并获得不同狭窄率的模型。假设血管壁为线弹性材料,血液为不可压缩牛顿流体,在脉动流条件下,利用有限元分析软件进行颈动脉狭窄模型中血液流动的流固耦数值模拟,获得各种血液动力学参数,并计算相应的FFR值。结果当弹性模量固定时,随着狭窄率增加,模型中狭窄部位的FFR逐渐减小,且此时其弹性壁与刚性壁的FFR相对差异随着狭窄率的增加而增加;当狭窄率固定为70%时,随着弹性模量增加,FFR会逐渐减小。结论采用FFR对颈动脉狭窄程度进行功能性评估需要考虑血管壁弹性的影响;狭窄率越大,血管壁弹性模量对FFR的影响越大。     

体外反搏对典型冠状动脉疾病作用效果的集中参数建模仿真

目的 研究增强型体外反搏（enhanced external counter pulsation,EECP）疗法对典型冠脉血管病及微血管心绞痛的血流动力学影响。方法 使用集中参数建模方法,建立包含导管动脉与心肌微循环的右优势型冠脉生理模型。分别仿真单支狭窄、三支狭窄及微血管心绞痛等病理情况。建立EECP干预模型,结合上述病理模型,仿真EECP对病理模型的血流动力学作用。结果 建立的冠脉生理模型、病理模型及EECP干预模型仿真结果与相关文献中的实验数据相符合。EECP对3种病理情况都有改善冠脉血流的效果。对单支狭窄,EECP在左主干冠脉狭窄程度达到80%~85%之后便无法使血流恢复正常水平。对三支狭窄,若3条分支狭窄程度有1支超过90%,则无法使用EECP治疗。对微血管心绞痛,EECP有效的临界情况是充血心肌血流量>1.03 mL/（min·g）、冠状动脉血流储备>1.64。结论 建立的EECP干预冠脉血管病模型符合预期,所获仿真数据对EECP的临床操作具有一定参考价值。