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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

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医用生物力学 2024年第1期39卷 32-39页

作者：许可李鲍刘有军张丽媛杨奔北京工业大学环境与生命学部北京100124 苏州英莱特医疗科技有限公司江苏苏州215163

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... 详细信息

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。

关键词：增强型体外反搏血流动力学数值模拟壁面切应力缺血性脑卒中

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微通道内亲疏水壁面特性对入口段长度的影响

航空动力学报 2021年第2期36卷 384-395页

作者：吴瀚枭杨雯李海旺徐天彤方卫东聂芃芃夏双枝北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室成都610213 中国保利集团新时代科技有限公司北京100088 北京航空航天大学高等理工学院北京100191

针对水力直径为200μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发... 详细信息

针对水力直径为200μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发展段的最大速度减小,从而缩短了入口段长度,且在低雷诺数区域,入口段的缩短效应更为显著。针对不同的雷诺数区域分别进行无量纲入口段长度计算公式的拟合,得到拟合系数随滑移长度的变化规律与对应关系,从而建立了滑移长度对入口段长度的修正计算方法和准则关系式,利用修正公式计算的结果与数值模拟结果相比,最大误差为3.7%。

关键词：亲疏水壁面微通道速度滑移壁面切应力入口段

基于剪切涡流运动的自激振荡脉冲射流减阻特性

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机械工程学报 2020年第4期56卷 76-84页

作者：汪朝晖饶长健孙笑高全杰武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室武汉430081

流体运动特性对管道近壁面阻力变化有重要影响。以速度梯度和切应力线性表示壁面摩擦阻力,分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律及圆截面涡流层次分布状态变化。采用大涡模拟数值方法,计算得到出流管道某轴切面及法向面的瞬时速... 详细信息

流体运动特性对管道近壁面阻力变化有重要影响。以速度梯度和切应力线性表示壁面摩擦阻力,分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律及圆截面涡流层次分布状态变化。采用大涡模拟数值方法,计算得到出流管道某轴切面及法向面的瞬时速度和平均速度、不同上下游管径比下出流管道的壁面切应力以及不同长径比下出流管道的法向速度梯度。研究结果表明:自激振荡脉冲射流流动受反向助推涡影响具有强烈三维特性,射流流型呈现“波浪式”运动且发生周向偏转,射流流速及流型均发生周期性波动变化;当自激振荡腔室上下游管径比大于1时,出流管道壁面切应力开始减小,且随腔室上下游管径比增大,切应力缩减率最大达到约30%,壁面摩擦阻力随之减小;自激振荡腔室长径比在0.55时射流最大法向速度梯度波动幅值达到最大,当长径比继续增大时,出流管道内射流法向速度梯度逐渐减小,摩擦阻力亦随之减小。研究结果可为自激振荡脉冲增输装备设计及优化提供理论基础与科学依据。

关键词：剪切涡流自激振荡脉冲射流壁面切应力法向速度梯度

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二叶式主动脉瓣畸形大动物模型的建立

中国胸心血管外科临床杂志 2022年第11期29卷 1485-1491页

作者：杨泉林刘欢单艳朱黎鸣孙晓宁杨晔王文硕魏来王春生复旦大学附属中山医院厦门医院心外科福建厦门361015 复旦大学附属中山医院心外科上海200032 复旦大学附属中山医院影像医学科上海200032

目的探讨建立猪的“功能性”二叶式主动脉瓣畸形动物模型的可行性,并观察其对主动脉内壁面切应力的影响。方法选择体重50~55 kg的普通级上海白猪4头。采用全身麻醉体外循环下经主动脉横切口入路,6-0聚丙烯缝线连续缝合左右冠瓣对合缘造... 详细信息

目的探讨建立猪的“功能性”二叶式主动脉瓣畸形动物模型的可行性,并观察其对主动脉内壁面切应力的影响。方法选择体重50~55 kg的普通级上海白猪4头。采用全身麻醉体外循环下经主动脉横切口入路,6-0聚丙烯缝线连续缝合左右冠瓣对合缘造成二瓣化形态。术后通过超声心动图观察主动脉瓣形态及主动脉瓣口血流动力学变化,通过4D-Flow磁共振成像观察其对主动脉内壁面切应力的影响。结果共制备出猪“功能性”二叶式主动脉瓣畸形模型4个,成功率100.0%,超声心动图提示主动脉瓣口的血流速度较术前显著增快(0.96 m/s vs.1.80 m/s)。4D-Flow磁共振成像显示动物模型主动脉内局部异常增高的壁面切应力及血流速度。模式动物术后升主动脉内最大壁面切应力>1.36 Pa,血流最大流速>1.4 m/s。结论制备猪的“功能性”二叶式主动脉瓣畸形动物模型可行性强,科学可靠,可用于评估二叶式主动脉瓣畸形的病理生理变化相关研究。

关键词：二叶式主动脉瓣畸形二叶式主动脉病动物模型壁面切应力

急性缺血性脑血管病患者颈内动脉壁面切应力与复发的相关性

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实用医学杂志 2023年第6期39卷 738-741页

作者：张莹傅贤曾宪凡徐洁刘红英李现亮高庆春广州医科大学附属第二医院神经内科广州510260 深圳市宝安区松岗人民医院广东深圳518105

目的研究伴有颈内动脉粥样斑块的急性缺血性脑血管病患者颈内动脉壁面切应力(wall shear stress,WSS)与复发的相关性。方法收集广州医科大学附属第二医院神经内科2018年1月至2020年12月住院的98例首发急性缺血性脑血管病患者,筛选出... 详细信息

目的研究伴有颈内动脉粥样斑块的急性缺血性脑血管病患者颈内动脉壁面切应力(wall shear stress,WSS)与复发的相关性。方法收集广州医科大学附属第二医院神经内科2018年1月至2020年12月住院的98例首发急性缺血性脑血管病患者,筛选出彩超提示颈内动脉斑块形成者,计算壁面切应力,并随访2年记录复发情况。结果左侧WSS(WSS-L)、右侧WSS(WSS-R)、平均WSS(WSS-M)复发组均高于对照组[(10.16±5.02)vs.(7.82±2.50);(10.22±2.09)vs.(7.82±2.82);(10.19±3.16)vs.(7.82±2.24)]dyne/cm^(2),复发组白细胞计数高于对照组(8.67±1.67 vs. 6.35±1.93)×109/L,差异有统计学意义(P值分别为0.039,0.015,0.008,0.001)。复发与WSS-R(r=0.372,P=0.007)、WSS-M(r=0.305,P=0.029)及白细胞计数(r=0.466,P=0.001)正相关。ROC曲线分析法分析WSS-M对复发的预测价值:当WSS-M为7.95时,最大敏感度和特异度为80%和56%。结论伴颈内动脉粥样斑块的急性缺血性脑血管病患者颈内动脉WSS与疾病复发相关。

关键词：缺血性脑血管病颈内动脉壁面切应力复发

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圆形断面管道非满流水动力特性

水科学进展 2020年第4期31卷 547-555页

作者：丁法龙茅泽育清华大学水利水电工程系北京100084

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响,应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术(FAVOR),针对圆管非满流建立三维数值模型,通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验,分析断面... 详细信息

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响,应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术(FAVOR),针对圆管非满流建立三维数值模型,通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验,分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性,据此提出了垂线流速分布的抛物线公式;针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式;雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律,充满度越大且距中垂线越远,沿垂线的变化梯度越小;当充满度大于0.5时,由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。

关键词：圆形断面管道流速分布壁面切应力雷诺切应力非满流数值计算

多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

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多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

作者：杨煜佳北京工业大学

学位级别：硕士

支架植入术是治疗冠心病,恢复血运重建的常见手段,然而,这种手术会导致管壁受到超生理负荷,并引起血流环境变化,从而发生新内膜重塑。支架植入后的新内膜重塑过程受到多重力学刺激的影响,主要包括动脉应力(arterial stress,AS)与壁面切... 详细信息

支架植入术是治疗冠心病,恢复血运重建的常见手段,然而,这种手术会导致管壁受到超生理负荷,并引起血流环境变化,从而发生新内膜重塑。支架植入后的新内膜重塑过程受到多重力学刺激的影响,主要包括动脉应力(arterial stress,AS)与壁面切应力(wall shear stress,WSS)。目前,这些力学刺激对新内膜重塑过程的作用效果尚不明确,重塑过程中新内膜组织对血管应力分布的影响也有待研究。因此,本研究以力学刺激与新内膜重塑的关系作为切入点,通过构建力学刺激作用下的新内膜重塑模型,模拟支架植入后新内膜重塑过程,以观察单一力学刺激作用下新内膜重塑的特征及多重力学刺激共同作用下新内膜重塑时血管应力分布的变化。具体研究内容分为三个部分:(1)模拟AS作用下新内膜重塑。在考虑血管残余应力的基础上,使用有限元方法求解支架植入后血管壁上的AS,并提出构建AS作用下新内膜重塑模型的方法。探讨AS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(2)模拟WSS作用下新内膜重塑。构建支架植入后血管流腔模型,应用计算流体力学仿真方法获得支架段血管WSS分布,并建立WSS作用下的新内膜重塑模型模拟该力学刺激下新内膜重塑过程,探讨WSS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(3)模拟AS和WSS共同作用下的新内膜重塑过程。生理状态下新内膜重塑会同时受到AS和WSS的影响,因此构建AS和WSS共同作用下的新内膜重塑模型来还原完整的新内膜重塑过程。并通过观察此过程中血管壁应力分布以及高应力区域的变化,来探究新内膜组织对支架植入后血管力学环境变化的作用效果。针对三部分研究内容得到结果如下:(1)支架植入后,血管应力集中出现在支架两端花冠附近的血管内壁上,应力峰值为0.278 MPa。AS作用下,初期新内膜局部增殖速度较快。随后支架段血管原有内膜逐渐被新内膜组织覆盖。由于应力分布差异带来的增殖差异,支架附近新内膜重塑存在凸起或凹陷形态,但不明显。(2)支架植入后较高的WSS区域为支架上、下游以及支架网孔附近的血管壁面。支架植入初期,在支架上游和支杆处率先形成新内膜,随后下游新内膜厚度逐渐增大。支架网孔处的新内膜厚度始终较小。(3)AS和WSS共同作用下,新内膜最先出现在上游支架花冠处,随后在整个支架附近逐渐形成新内膜组织,最终,整个支架段血管均被较厚的新内膜组织覆盖。重塑前后血管壁上的应力峰值由原来的0.278 MPa降低至0.097 MPa,高应力区域呈减少的趋势,到第28天重塑完成时高应力区域体积减少了约64.6%。基于上述结果,得出以下结论:(1)新内膜重塑速度与发生位置受AS和WSS力学刺激的影响有显著性差异。WSS作用下,新内膜重塑范围更广,除支架段还包括支架上、下游;受AS作用新内膜主要集中在支架段,并随时间向上、下游发展。通过不同力学刺激易发生新内膜重塑的特征,提示了WSS作用下新内膜重塑与支架局部的血流扰动密切相关,而AS作用下新内膜重塑受到支架边缘影响较大,因此,可基于这些特征寻找减少支架内再狭窄发生的关键方法。(2)随着支架附近新内膜组织的形成,血管壁上应力减小,高应区域体积减少了一半以上。这表明尽管新内膜不能完全平衡支架植入带来的高应力,但随着AS减小,新内膜重塑将逐渐减弱。

关键词：新内膜重塑支架内再狭窄数值模拟动脉应力壁面切应力

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急弯河道壁面切应力及计算方法研究

工程科学与技术 2017年第2期49卷 45-53页

作者：向媛余明辉魏红艳余飞武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司湖北武汉430071

壁面切应力的准确计算对深入了解泥沙输运及河道演变过程非常重要。当前研究多局限于顺直和微弯河道,对于急弯河道,水流受重力和离心力的双重作用,流态复杂,水面横比降大,并伴随横向环流,壁面切应力影响因素众多,各种计算方法的适用性... 详细信息

壁面切应力的准确计算对深入了解泥沙输运及河道演变过程非常重要。当前研究多局限于顺直和微弯河道,对于急弯河道,水流受重力和离心力的双重作用,流态复杂,水面横比降大,并伴随横向环流,壁面切应力影响因素众多,各种计算方法的适用性有待进一步研究。开展180°急弯水槽缓流试验,采用ADV流速仪以及Preston管监测水流的3维流速和动静水压强差分布,分析急弯河道水流纵向流速、横向环流以及湍动能重分布特征。基于以上水流特征,选取4种经验公式法及k-ε数值模拟法计算该水槽控制断面的壁面切应力,对比发现湍动能法、Preston管经验公式法以及k-ε数值模拟法的计算结果不仅在分布规律上,而且在数值大小上都吻合良好,可用于急弯河道壁面切应力的计算。利用数值模拟法计算该水槽内河床及岸坡的壁面切应力分布,结果表明:在进口顺直段内,壁面切应力值较小,且分布均匀,在弯道段内,其值逐渐增大,分布也更不均匀,进入出口顺直段后,岸坡附近的壁面切应力值达到最大;横向上壁面切应力沿底壁分布均匀,而在坡脚附近,水流条件复杂,环流作用大,波动剧烈;横断面最大壁面切应力在弯道作用下从凸岸逐渐偏移至凹岸,与主流变化规律一致;该急弯水槽最大壁面切应力位于弯道内110°断面的凸岸附近以及弯道出口下游0.5 m断面的凹岸附近;保持水槽出口水深不变,仅过水流量变化,壁面切应力总体分布规律相似,并体现出"大水趋直,小水坐弯"的特点。成果为急弯河道的水流剪切输移机理、河道演变预测及安全管理等研究提供基础依据。

关键词：急弯壁面切应力 Preston管湍动能 k-ε模型

磁共振血流和血管壁成像在评估颅内动脉瘤结构相关破裂风险中的应用价值

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磁共振血流和血管壁成像在评估颅内动脉瘤结构相关破裂风险中的应...

作者：张伊郑州大学

学位级别：硕士

第一部分血流动力学、形态学和壁强化特征在不同直径未破裂颅内动脉瘤中的对比研究背景和目的颅内动脉瘤发病率约为1.2%,预测未破裂颅内动脉瘤(unruptured intracranial aneurysms,UIAs)的破裂风险对于患者临床决策和个体化管理至关重... 详细信息

第一部分血流动力学、形态学和壁强化特征在不同直径未破裂颅内动脉瘤中的对比研究背景和目的颅内动脉瘤发病率约为1.2%,预测未破裂颅内动脉瘤(unruptured intracranial aneurysms,UIAs)的破裂风险对于患者临床决策和个体化管理至关重要。既往研究显示直径越大的动脉瘤伴随越高的破裂风险,在较大的UIAs中大多数上调基因涉及炎症和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)组织生成。血流动力学被认为是这种炎症的始动因素,较大直径的动脉瘤暴露于这些不利的血流动力学条件下会生长,因此壁会表现出较高的变性或炎症。因此,血流参与炎症变化并影响动脉瘤的自然进程。动脉瘤的血液动力学分析既往多根据计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟值得出,尽管已经得到了很多研究但其刚性壁设置和动脉瘤入口及出口条件设置限制了它对真实世界血管壁搏动的探索。而四维血流磁共振成像(four-dimensional flow magnetic resonance imaging,4D flow MRI)作为一种先进的MRI技术可以获得真实世界中的血流信息,已经越来越多地应用于颅内动脉瘤、动静脉畸形、颅内动脉粥样硬化和其他疾病中。并且一些颅内血管异常如动脉粥样硬化、颅内动脉瘤等疾病的发病机制多起始于血管壁改变。然而,传统的血管成像不能提供足够的病理生理变化信息。随着MRI技术在颅内血管疾病中的逐步发展,管壁成像(vessel wall imaging magnetic resonance,VWI)具有高空间分辨率和组织分辨率的优势。它可以清晰地显示血管壁结构并获得准确的形态学参数,其所表现出的动脉瘤壁强化(aneurysm wall enhancement,AWE)可以从病理生理学角度评估动脉瘤壁的功能改变,并且已被证实与炎症细胞的浸润聚集有关,可作为表现动脉瘤壁炎症的在体影像生物标志物。然而,不同直径的UIAs在血流动力学、形态学和AWE特征方面的差异尚不清楚。本研究基于4D flow MRI和VWI探究直径≥7mm和壁面切应力(wall shear stress,WSS)。4、使用SPSS 21.0软件进行统计学分析。连续性变量使用Shapiro-Wilk检验数据正态性,以中位数(四分位数间距:IQR,即Q1～Q3)或均数±标准差(x±s)表示,采用Mann-Whitney U检验或t检验进行组间比较。定性资料以数值(百分率,%)表示,组间比较使用χ2检验或Fisher确切概率法进行。进一步将组间比较中P<0.1的变量进行多因素logistic回归分析,得出与直径≥7mm动脉瘤独立相关的危险因素,以及回归系数(regression coefficient)、标准误(standard error,SE)、优势比(odds ratio,OR)、95%置信区间(confidence interval,CI)和P值。Spearman秩相关分析WSS与动脉瘤直径、SR和ER之间的相关性,相关系数用r表示。使用Cohen κ系数评价两名观察者判断动脉瘤存在AWE的一致性。组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)用以评价两名观察者在测定AWE半定量指标及血流

关键词：颅内动脉瘤磁共振成像血流动力学壁面切应力动脉瘤壁强化壁强化指数