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不同程度冠状动脉狭窄对血管血流动力学的影响及其血流动力学风险评估

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不同程度冠状动脉狭窄对血管血流动力学的影响及其血流动力学风险...

作者：谢艳辉郑州大学

学位级别：硕士

1.背景和目的冠状动脉粥样硬化性心脏病(Coronary Heart Disease,CHD)是临床上最常见的心血管疾病类型,主要是由于冠状动脉的血管出现粥样斑块使动脉上出现狭窄和(或)闭塞,从而中断心肌的血液供应,进而引发临床上相关的严重的心肌缺血... 详细信息

1.背景和目的冠状动脉粥样硬化性心脏病(Coronary Heart Disease,CHD)是临床上最常见的心血管疾病类型,主要是由于冠状动脉的血管出现粥样斑块使动脉上出现狭窄和(或)闭塞,从而中断心肌的血液供应,进而引发临床上相关的严重的心肌缺血病症。当前这一疾病的发病率正在呈不断上升的态势,但由于其发病机制复杂,目前尚无明确的、系统的理论。但许多研究表明,血流动力学因素可能在冠状动脉粥样硬化性心脏病的发生和发展中发挥重要作用。因此,本研究拟通过使用计算流体动力学(computer fluid dynamic,CFD)技术,模拟冠状动脉不同狭窄程度的血流动力学变化,拟探究冠状动脉血流动力学的改变和冠状动脉血流分布与不同狭窄之间的联系;另外,我们选择冠状动脉中度狭窄的患者为研究对象,通过比较冠状动脉狭窄加重和稳定患者血管狭窄处血流动力学差异,探究冠状动脉狭窄进一步加重的血流动力学特点。2.材料与方法(1)在正常右冠状动脉CT导出的DICOM数据基础上,我们对冠状动脉几何模型进行重建,使用Geomagic软件分别各自建立狭窄程度为0%(正常)、30%(轻度狭窄)、60%(中度狭窄)和90%(重度狭窄)的4种模型,并根据几何模型分别建立起血流动力学模型,最后再对其分别进行数值模拟,比较分析这4种模型之间的血流动力学差异;(2)回顾性纳入2016年1月至2016年12月影像结果表现为冠状动脉中度狭窄并在一年后再次行影像学随访的患者共80例。对比两次影像学结果,判断狭窄是否进一步加重(定义狭窄加重程度>20%为加重),并根据结果将其分为两组(稳定组和加重组)、对纳入病例的第一次血管模型进行血流动力学模拟、分析和定量计算,选择狭窄处的血流涡流数目、血流速度(velocity,V)、壁面剪切力(wall shear stress,WSS)以及壁面压力(wall pressure,WP)作为血流动力学测量指标,进行统计分析,从而确定冠状动脉狭窄加重的血流动力学危险因素。3.结果(1)比较4种不同狭窄程度血管模型的血流动力学特征可以发现,冠状动脉狭窄程度越严重,狭窄远心端的血流涡流就越明显,狭窄前血管WP和狭窄处的血流速度呈逐渐增加,而远心端的WP却逐渐下降;狭窄处WSS分布一直为高WSS值,而且在中重度狭窄程度后,远心端血管可见局部的高WSS区域,而远心端血管其他区域则为低WSS表现;并且狭窄前后血流速度和血流的分布也会出现改变;(2)80例冠状动脉中度狭窄患者中随访狭窄加重的患者有15例,在稳定组中,狭窄处的WP值略高于加重组(4.58±0.79 vs4.33±0.74 kPa),而狭窄处V值略低于加重组(0.52±0.18 vs0.62±0.24 m/s),但两者差异无统计学意义;但是,涡流数目(1.62±1.00 vs2.53±0.99,P<0.05)和WSS值(4.40±0.95vs5.92±1.37 Pa,P<0.05)均低于加重组,并且两者之间存在明显的统计学意义。4.结论(1)中、重度狭窄的冠状动脉远心端可见血流动力学特征表现为明显的血流涡流以及高WSS分布,此类血流动力学的变化可能会导致血管动脉粥样硬化的进一步发展,从而使血管狭窄加重。(2)在冠状动脉中度狭窄患者中,其狭窄进一步加重,可能与狭窄处更多的涡流以及更高的WSS值相关。

关键词：流体动力学冠状动脉狭窄血管壁面压力壁面切应力血流动力学

支架介入治疗颅内动脉瘤的数值模拟与PIV实验研究

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支架介入治疗颅内动脉瘤的数值模拟与PIV实验研究

作者：金肜伯新疆大学

学位级别：硕士

颅内动脉瘤的支架介入疗法会影响动脉瘤腔内的血流动力学效果,支架疗法的发展也促进了新型颅内动脉瘤支架的研发,不同结构形状支架的流阻是影响血液流动情况的因素之一。本文设计了三种不同结构类型的低孔隙率支架,并对各支架介入治疗... 详细信息

颅内动脉瘤的支架介入疗法会影响动脉瘤腔内的血流动力学效果,支架疗法的发展也促进了新型颅内动脉瘤支架的研发,不同结构形状支架的流阻是影响血液流动情况的因素之一。本文设计了三种不同结构类型的低孔隙率支架,并对各支架介入治疗颅内动脉瘤的血流动力学进行流-固耦合数值模拟,旨在比较分析不同支架介入治疗颅内动脉瘤的血流动力学差异。本文选取了一例颅内动脉瘤病患,通过CT血管造影数据,结合医学影像技术和逆向工程技术,重建了个体化颅内动脉瘤的三维模型,利用ANSYS CFX 15.0对其进行流-固耦合数值模拟计算,分析了各项血流动力学指标在一个心动周期内的变化情况。针对该个体化动脉瘤模型,设计了三种网丝截面尺寸相同、通透率近似相等、结构形状不同的支架,将这三种支架植入个体化颅内动脉瘤模型,对支架植入前后所引起的血流动力学变化进行了对比分析。计算结果显示,在一个心动周期内,动脉瘤瘤颈下游部位受到的血流冲击最大,瘤腔内部由于血液的高速流动产生了明显的涡流现象,高壁面切应力和壁面压力区域也集中于瘤颈部位,瘤腔内的壁面切应力相对较小,动脉瘤的最大变形区域位于瘤顶。随着动脉瘤弹性模量的逐渐增大,壁面变形量呈明显减小趋势,对血流速度和壁面切应力影响较小。支架植入后,整体流动情况得到了明显的改善,周期型支架最大程度地削弱了瘤颈和瘤腔内的血流速度,螺旋型支架的植入使动脉瘤瘤颈部位的高壁面切应力完全消失,改善效果最佳。瘤腔内的壁面压力和壁面变形均有不同程度的减小,其中周期型支架介入治疗的效果最佳。本文结合快速成型技术,构建了全透明三维颅内动脉瘤硅胶模型,并制作了三种支架的实物模型,运用粒子图像测速技术对支架置入动脉瘤硅胶模型前后的流动情况进行了精准的实验测量,实验结果验证了数值计算方法的适用性与准确性。本文的研究结论可以为临床准确预测动脉瘤的破裂风险和支架结构设计及优化提供一定的参考。

关键词：颅内动脉瘤流-固耦合血流动力学壁面切应力支架

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弯曲圆管入口段定常流动的三维数值模拟

医用生物力学 2004年第2期19卷 65-68页

作者：刘珊丁祖荣上海交通大学船舶海洋与建工学院上海200030

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... 详细信息

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。

关键词：弯管入口段有限体积法壁面切应力

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闸坝下游冲刷坑形态三维数值模拟

闸坝下游冲刷坑形态三维数值模拟

作者：吴彰松西北农林科技大学

学位级别：硕士

低水头枢纽具有水头低、流量大、低佛汝德数、消能不充分、闸坝建在覆盖层较厚的砂砾石河床上等特点,因此闸坝下游护坦、海漫发生冲刷破坏的现象较为普遍,甚至导致建筑物损毁,直接影响着泄水闸的安全运行。因此,正确地预测闸坝下游冲刷... 详细信息

低水头枢纽具有水头低、流量大、低佛汝德数、消能不充分、闸坝建在覆盖层较厚的砂砾石河床上等特点,因此闸坝下游护坦、海漫发生冲刷破坏的现象较为普遍,甚至导致建筑物损毁,直接影响着泄水闸的安全运行。因此,正确地预测闸坝下游冲刷坑流场信息、冲刷坑形态及最大冲刷深度,对于泄水建筑物的安全运行有着非常重要的意义。本文基于Fluent动网格技术,对巨亭水电站泄水闸下游局部冲刷进行了三维数值模拟,得到了以下主要结论:(1)采用RNG k-ε湍流模型,结合SIMPLEC算法,利用VOF多相流模型追踪泄水闸下游复杂的自由水面,模拟得到了巨亭水电站泄水闸下游冲刷坑三维流场分布,通过分析对比泄流量、沿程水面线和垂线流速分布等结果表明,数值模拟值与模型试验实测值吻合良好,说明数学模型计算准确,结果可信。(2)基于Fluent动网格技术,采用VOF模型追踪自由水面,在对Fluent软件进行二次开发中,以床面水流剪切应力大于泥沙起动切应力作为网格移动的判别标准,基于弹簧光顺模型及局部网格重构模型,对单个桥墩局部冲刷进行了三维数值模拟,得到的冲刷坑形态及最大冲刷深度与模型试验结果吻合良好,验证了本文二次开发子程序的可靠性。(3)实现了泄水闸下游局部冲刷坑冲刷过程的三维数值模拟,得到的冲刷坑形态及最大深度与物理模型实测值吻合良好。(4)在冲刷坑的冲刷过程中,床面切应力逐渐减小;中轴面湍动能的变化规律与湍动能耗散率的变化规律基本相似。在冲刷初始阶段,挑坎末端床面附近的湍动能和湍动能耗散率均较大;随着冲刷的进行,冲刷后的湍动能和湍动能耗散率明显减小;在冲刷坑达到平衡状态时,冲刷坑区域的湍动能和湍动能耗散率均较小。

关键词：局部冲刷动网格技术壁面切应力湍动能湍动能耗散率

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泄洪闸下游冲刷过程三维数值模拟研究

泄洪闸下游冲刷过程三维数值模拟研究

作者：王新雷西北农林科技大学

学位级别：硕士

低水头枢纽具有水头低、流量大、低佛汝德数、消能不充分等特点,造成泄洪闸下游护坦,海漫往往发生不同程度冲刷破坏,甚至导致建筑物损毁,直接影响着水闸运行安全。为此准确预测泄水闸下游局部冲刷坑内流场信息冲刷过程、冲坑形态和最大... 详细信息

低水头枢纽具有水头低、流量大、低佛汝德数、消能不充分等特点,造成泄洪闸下游护坦,海漫往往发生不同程度冲刷破坏,甚至导致建筑物损毁,直接影响着水闸运行安全。为此准确预测泄水闸下游局部冲刷坑内流场信息冲刷过程、冲坑形态和最大冲刷深度对于泄水建筑物的安全具有重要意义。本文以巨亭水电站断面模型为研究对象,采用ANSYS FLUENT软件,对其泄流过程及冲刷过程进行了数值模拟,主要结论如下:(1)以RNG k-ε湍流模型封闭N-S方程、有限体积法在计算网格上离散求解、VOF方法追踪自由水面位置,对巨亭水电站模型泄流及冲刷进行了三维数值模拟;通过对比泄流流量、水面线和流速分布等信息,表明数值模拟结果与水工模型试验结果吻合良好,验证了数学模型的正确性;(2)采用C语言编写用户自定义函数,选取起动切应力作为床面泥沙起动判别标准,控制冲刷区域底部边界变化,模拟得到了闸下游局部冲刷过程。与试验数据对比,较大冲刷深度的冲刷坑形态与实测结果符合良好;(3)采用弹簧光顺模型和局部重构模型更新计算区域网格,并使网格重构集中于边界区域,提高了边界区域网格的适应能力及计算结果的准确性;(4)壁面切应力和湍流动能在冲刷过程中基本表现为逐渐减小趋势;在平衡冲刷坑最深点上游,壁面切应力和湍流动能沿程逐渐减小;在其下游,壁面切应力和湍流动能沿程变化不大。

关键词：局部冲刷动网格技术壁面切应力湍流动能

基于CT断层扫描的主动脉夹层的流体动力学分析

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基于CT断层扫描的主动脉夹层的流体动力学分析

作者：王鹏清华大学

学位级别：硕士

主动脉夹层,也称为主动脉夹层动脉瘤,是一种严重危害病人健康的急性主动脉疾病。临床上发现主动脉夹层的发病率呈逐年增加的趋势。如果不加以治疗,随着血管腔内压力的不断推动,夹层被撕裂的程度越来越大,血管管壁变薄,最终可能导致夹层... 详细信息

主动脉夹层,也称为主动脉夹层动脉瘤,是一种严重危害病人健康的急性主动脉疾病。临床上发现主动脉夹层的发病率呈逐年增加的趋势。如果不加以治疗,随着血管腔内压力的不断推动,夹层被撕裂的程度越来越大,血管管壁变薄,最终可能导致夹层的破裂,病死率高达80%～90%。临床上采取的治疗方法主要是内科保守治疗和外科根治性手术治疗。目前对于主动脉夹层的发病机理及内膜破口的撕裂位置并没有具体阐明,手术治疗还不是非常成熟。因此,从流体动力学角度研究主动脉夹层动脉瘤,可为临床治疗主动脉夹层提供重要的指导意义。本文首先对目前研究较多的理想化的主动脉瘤模型进行了数值计算,从而验证本文所采用的数值计算方法的有效性和可靠性。对于理想化的主动脉瘤模型,利用流体计算软件FLUENT计算,从而得出主动脉瘤内部的流场变化及壁面受到的血液的冲击切应力和静态压力;利用流体动力学软件ANSYS-CFX进行流固耦合计算,通过与正常的血管进行比较,分析病变血管承受的血流对于壁面的影响,得出了病变血管易发生破裂的位置,从而验证了数值计算方法的有效性和可靠性。论文的主要工作是根据CT断层扫描得到的527张主动脉夹层的切片图,通过医学处理软件3D-DOCTOR读取DICOM数据,通过实体逆向重构软件GEOMAGIC重构出真实的主动脉夹层、真腔及假腔。利用流体计算软件FLUENT进行数值计算,分析主动脉夹层、真腔及假腔内部的流场特征,得出主动脉夹层壁面及内膜片受到的血液的冲击切应力及静态压力,分析管壁的危险位置,为临床上手术治疗主动脉夹层提供必要的指导;利用流体动力学软件ANSYS-CFX进行流固耦合计算,分析主动脉夹层的真腔及假腔的变形,得出管壁上的变形分布。本文采用的模型真实可靠,采用的边界条件是临床上通过核磁扫描得出的真实的速度、压力条件。数值计算结果表明:主动脉夹层破口附近壁面受到的剪切力会急剧的增大,假腔顺向扩展的趋势强于逆向扩展的趋势。计算中采用弹性壁面时计算得到的壁面切应力比刚性壁面时小,因此采用刚性壁面的计算结果是偏于安全的。

关键词：主动脉夹层真腔假腔壁面切应力流固耦合

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腹主动脉瘤中定常流动的三维数值模拟

医用生物力学 2003年第2期18卷 93-96页

作者：陆柳 Chua LP Yu SCM 第二军医大学数理教研室上海200433 南洋理工大学

目的　讨论定常流动情况下 ,三维腹主动脉瘤模型内的流动情况。方法　应用三维非对称模型进行数值模拟。结果　结果表明 ,在对称面上有一个涡而横截面上有两对涡的存在。壁面切应力在动脉瘤的出口处数值较高且变化大。

关键词：腹主动脉瘤定常流动三维数值模拟壁面切应力

小儿先天性心脏病相关性肺高压血流动力学机制研究

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小儿先天性心脏病相关性肺高压血流动力学机制研究

作者：王丽平上海交通大学

学位级别：硕士

目的先天性心脏病相关性肺高压（Pulmonary Hypertension Related to Congenital Heart Disease,PH-CHD）是肺循环血流动力学异常所致的一种疾病,长期异常的肺血流动破坏血管内皮细胞结构和功能,使肺血管发生不可逆性病变,甚至导致右心... 详细信息

目的先天性心脏病相关性肺高压（Pulmonary Hypertension Related to Congenital Heart Disease,PH-CHD）是肺循环血流动力学异常所致的一种疾病,长期异常的肺血流动破坏血管内皮细胞结构和功能,使肺血管发生不可逆性病变,甚至导致右心衰竭和死亡。因此,明确PH-CHD患儿肺血管内皮损伤严重程度及其相关血流动力学特性,有助于揭示影响PH-CHD发生发展的血流动力学机制,从而从根源上控制、改善和治疗PH-CHD。本研究将从肺血管内皮损伤和血流动力学特性两个方面,探索可用于PH-CHD无创性诊断评估的指标,以期为临床诊疗提供参考。方法纳入70例先天性心脏病患儿,根据术前心脏超声所测肺动脉收缩压（Systolic Pulmonary Arterial Pressure,sPAP）分为正常组、疑似组和确诊组,并随访其术后6个月sPAP是否大于50 mmHg,将其分为可逆组和不可逆组。采集其血标本进行内皮损伤特异性标记物检测,并根据患儿临床信息和血液标记物结果进行PH-CHD可逆性危险分层评分。同时,收集10例正常和10例PH-CHD患儿临床影像资料,利用计算流体动力学方法进行肺血流运动模拟,探寻PH-CHD特异性流体特性。结果PH-CHD患儿外周血循环内皮细胞（Circulating Endothelial Cells,CECs）和内皮素-1（Endothelin-1,ET-1）明显高于正常组和疑似组,外周血内皮型一氧化氮合酶（Endothelial Nitric Oxide,e NOS）在PH-CHD确诊组和疑似组明显升高,与正常组有统计学差异。不可逆性组外周血CECs明显高于可逆性组;ET-1和eNOS在两组间无明显统计学差异。ROC曲线显示危险分层评分对PH-CHD诊断价值较高。流体力学分析显示PH-CHD患儿主肺动脉增粗,肺动脉入口流量和分支流速升高,主肺动脉壁面切应力（Wall Shear Stress,WSS）降低,体表面积标准化能量损失（?）增加。结论内皮损伤特异性血液标记物CECs、eNOS和ET-1,流体力学参数WSS和（?）与PH-CHD密切相关。术前CECs及危险分层评分可反映PH-CHD是否可逆。

关键词：先天性心脏病相关性肺高压内皮损伤标记物危险分层血流动力学壁面切应力能量损失

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颈动脉及其分枝三维重建与血流动力学分析

颈动脉及其分枝三维重建与血流动力学分析

作者：甘淳南昌大学

学位级别：硕士

世界卫生组织关于全球前十位死亡原因的统计报告显示,每年死于心脑血管疾病的人数远远大于其它任何死因。研究表明,75%的心脑血管疾病死亡是由血管狭窄病变引起的,而动脉粥样硬化斑块是血管狭窄的主要原因。颈动脉及其分枝是动脉粥样硬... 详细信息

世界卫生组织关于全球前十位死亡原因的统计报告显示,每年死于心脑血管疾病的人数远远大于其它任何死因。研究表明,75%的心脑血管疾病死亡是由血管狭窄病变引起的,而动脉粥样硬化斑块是血管狭窄的主要原因。颈动脉及其分枝是动脉粥样硬化多发位置,由目前已知的斑块形成病理生理学机制可知,过量的低密度脂蛋白（low density lipoprotein,LDL）是斑块形成的主要原因,而高密度脂蛋白（high density lipoprotein,HDL）则能有效抑制斑块的生长,同时,过高或过低的壁面切应力（wall shear stress,WSS）都会损伤血管内壁表面的内皮细胞,进而使大量高、低密度脂蛋白通过渗透进入血管壁内层,促进斑块的产生和生长。因此,准确获取个体颈动脉内的上述各项参数,对于预防和治疗颈动脉粥样硬化斑块具有重大的意义。本文基于医学图像三维重建技术,结合多组分多相流理论,建立颈动脉的血流动力学模型,实现了对HDL、LDL、红细胞的定量分析,主要研究内容和成果如下:1、对获取的病人颈动脉CTA医学图像数据进行预处理,采用高斯滤波法,得到精确平滑的颈动脉CTA医学图像,采用医学图像三维重建中的面绘制技术,对患者颈动脉CTA图像数据依次进行图像分割、轮廓计算、切片重组,在软件Mimics中实现了患者颈动脉的三维可视化,并得到了真实颈动脉及其分枝的复杂几何模型。2、基于多组分多相流理论,对不同狭窄状态的人体颈动脉的血液流动进行了数值模拟。颈动脉无狭窄时,各分枝起始段出现了少量低流速状况,在与颈总动脉连接的颈内动脉外侧,则出现了一些低速螺旋流动,使得该区域壁面切应力过低,HDL与LDL在此聚集,而红细胞在此处的含量却少于正常值。颈内动脉狭窄时,狭窄的上下游均出现复杂的紊乱流动,更大的狭窄率将减少流入颈内动脉的血液流量从而影响颈内动脉为大脑的供血,还将导致低壁面切应力区域扩大、HDL与LDL组分聚集位置和红细胞不均匀分布区域的后移。颈外动脉狭窄时,颈外动脉狭窄处和甲状腺上动脉上的壁面切应力出现了明显的增大,舌动脉处出现了较大面积的低壁面切应力区域,且这种现象随狭窄率增大而更加明显,而面动脉狭窄则只降低了面动脉上的壁面切应力。同时,颈外动脉狭窄率的增大还促使HDL、LDL聚集区域和红细胞低浓度区域的扩大还迁移,而面动脉狭窄则影响甚微。3、本文进一步模拟了不同生理参数的血液在颈内动脉中度狭窄颈动脉中的流动,分析了不同血液生理参数对颈动脉粥样硬化斑块生长的影响。结果表明,颈总动脉入口血流速度对中度狭窄颈动脉血管中的血液流动影响十分明显,其大小直接关系到血管内整体血液流动的快慢和血管壁上壁面切应力的高低与分布,当入口速度为50cm/s时,颈动脉内的HDL与LDL浓度极化最为明显,而红细胞体积分数降低现象最为显著;初始红细胞比容虽然与最大血流速度、红细胞最低体积分数、HDL最大质量分数、LDL最大质量分数接近完全线性正相关而与最大壁面切应力近似完全负相关,但只有最大壁面切应力随初始红细胞比容的变化而发生较大的变化,其余各参数相对变化较小。

关键词：颈动脉三维重建动脉粥样硬化斑块 LDL 壁面切应力