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基于计算流体动力学异常切应力对Glenn术后恢复情况的定量分析研究
目的 评估双向Glenn手术(Bidirectional Glenn Shunt,BGS)术后肺动脉血流动力学改变以及血管切应力特性,分析不同振荡切应力数据对评价Glenn术后恢复情况的应用价值.方法 通过磁共振扫描成像,采集8例BGS术后的肺动脉影像,并采用计算流体动力学法获得重建三维BGS模型切应力和振荡切应力.结果 本次研究的8例先心患儿计算获得平均振荡切应力为(0.233±0.067)Pa.病例7中,上腔静脉和左肺动脉存在低切应力的情况,计算振荡切应力低值为0.14 Pa.结论 BGS术后利用计算流体动力学评价患者肺动脉个体化切应力模型和平均振荡切应力有助于了解患者血流动力学情况.
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无叶片离心泵结构对体外循环关键参数的影响
目的 探讨无叶片离心泵结构和体外循环关键参数之间的关系,为无叶片离心泵的优化设计提供理论依据和实践参考.方法 采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对无叶片离心泵进行数值模拟,分析离心泵的结构和转速与血液流量、泵内流动状态、预充量之间的关系.结果 叶轮与蜗壳之间距离一定时,两层叶轮结构比一层叶轮结构驱动血液能力强,但是预充量大;进出口导管直径小,有利于调节流量;泵体结构和叶轮转速影响泵内的血液速度分布,从而会对血液造成不同程度的破坏.结论 无叶片离心泵结构和叶轮转速对体外循环流量的控制、泵内血液速度分布、预充量有很大影响.
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基于CFD技术的Sarns离心式血泵流动特性分析北京生物医学工程
目的应用专业计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)分析软件FLUENT,对一种具有长短叶片的Sarns离心式血泵的内部流场进行三维数值模拟.方法 利用Solidworks软件对Sarns型血泵进行三维建模,然后对所建模型网格处理,通过选取标准κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,具体分析了内部流动状态、压力分布、壁面剪切力等流场特性.结果 结果表明,该离心泵内部流场分布较不匀,叶片及血泵出口处有回流和旋涡现象,剪切力大小基本处于致红细胞破碎的临界状态之下,高转速下剪切力大,主要分布在叶轮区域,但暴露时间极短,基本满足血液生理要求.结论 该研究为Sarns血泵的进一步优化提供了理论基础.
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OSAS力学机制研究及其进展
以阻塞性睡眠呼吸暂停为主要特征的呼吸道疾病已经成为全球人口老龄化所面临的主要问题之一.在介绍人体呼吸系统解剖学及生理学特点基础上,通过分析阻塞性睡眠呼吸暂停综合征主要发病机制,认为其中的力学因素也起重要的决定作用,进而报道了阻塞性睡眠呼吸暂停综合征力学机制研究现状及其进展,后对未来的研究进行了设想.
关键词： 阻塞性睡眠呼吸暂停综合征 计算流体动力学 上呼吸道 -
半圆形截面支架介入串联囊状动脉瘤的血流动力学仿真
为了研究半圆形截面支架对颅内串联囊状动脉瘤血流动力学的影响,针对同一动脉瘤结构,构建无支架和4种截面支架介入动脉瘤的有限元模型,分别命名无支架为U型、圆形截面为C型、半圆形截面圆面朝向瘤腔为ES型、圆面朝向血管轴向为IS型,然后对模型中的生理脉动流进行计算流体动力学仿真.数值模拟的结果显示:有支架模型的腔内流速被有效削弱,壁面附近的流速很低;血流对瘤腔的冲击减弱,壁面切应力的量值和波动性降低,分布均衡;腔内压力在支架介入后略有升高.对比分析两个瘤腔,流动情况和壁面切应力基本相同,下游瘤腔的压力低于上游瘤腔.IS型的仿真结果更好,这为支架的结构设计提供了一些理论指导.
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四种根管冲洗液在根管内流动的计算流体动力学分析
目的 研究使用计算流体动力学模型分析冲洗针头位于根管内不同深度时,4种根管冲洗液在根管内的流动情况,以期为临床根管冲洗针头的放置位置提供参考.方法 测量5.25％次氯酸钠(A)、3％次氯酸钠(B)、17％乙二胺四乙酸(C)及2％氯己定(D)4种根管冲洗溶液的密度及黏度,应用ICEM CFD14.0软件建立底端开口平头针头的单根管冲洗模型,设置针头插入位置分别距生理性根尖孔1、3、5 mm.使用FLUENT 14.0软件设置计算条件,并计算4种冲洗液在单根管冲洗模型中的流动速度、根管壁切应力及根尖压力,通过FLUENT 14.0软件获取冲洗速度、根管壁切应力云图,并对4种冲洗液的结果云图进行比对分析.结果 A、B、C、D4种冲洗液对根管壁产生的切应力均在针头距生理性根尖孔1 mm时大,分别为6.72×103、6.35×103、7.47×103及5.26×103Pa,且冲洗均到达解剖根尖孔;随着冲洗针头远离根尖孔,A、B、C、D4种冲洗液产生的大切应力值均减小,针头距生理性根尖孔 3 mm时分别为2.31×103、2.05×103、2.59×103及1.81×103 Pa,距生理性根尖孔5 mm时分别为2.16×103、1.91×103、2.42×103及1.71×103 Pa.冲洗针头位于同一位置时,C冲洗液的压力值大.结论临床使用平头冲洗针头时,冲洗针头宜放置在距生理性根尖孔 1～3 mm之间;使用17％乙二胺四乙酸冲洗液时,注射速度应小于其他3种冲洗液.
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阻塞性腮腺疾病唾液流场三维数值模型的建立及仿真研究
目的 研究腮腺导管阻塞物体积对导管内唾液流场特征的影响,以期为阻塞性腮腺疾病的发病机制提供理论依据.方法 利用正常腮腺造影CT扫描资料建立腮腺导管系统数值模型,利用Mimics软件及Gambit软件提取腮腺导管立体轮廓并进行三维网格划分,应用Fluent软件进行导管内唾液流体动力学分析.结果 腮腺导管阻塞物上游流体压力(6.40～19.82 Pa)显著高于下游压力(2.78 Pa) (P ＜0.05),压力随阻塞率增大而升高.阻塞率为60％是导管内流体压力升高的突变点；导管阻塞率＞90％时患者即出现局部胀痛症状.结论 腮腺导管阻塞率变化引起了导管内唾液压力的波动并出现相应临床症状.导管内唾液流体力学分析方法为涎腺阻塞性疾病的发病机制研究提供理论基础.
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颞下颌关节盘穿孔早期上腔滑液的流体动力学研究
目的 通过建立颞下颌关节流体动力学模型,分析下颌运动中关节盘穿孔区域关节上腔滑液的流动模式和压力分布规律.方法 选择5例单侧颞下颌关节盘穿孔早期患者,利用关节上腔造影与计算机断层扫描相结合的方法获得颞下颌关节在不同下颌骨下降距离时的三维影像学图像,利用Mimics软件及Gambit软件提取患侧关节上腔立体轮廓并进行三维网格划分,应用Fluent软件进行滑液流体动力学分析.利用关节内压测量仪记录开颌运动中滑液压力进行模型验证.结果 颞下颌关节上腔滑液的流体动力学模型结果显示:在开颌运动中右侧关节腔内滑液沿逆时针循环.在闭口和小张口位,关节内力小于阈值,上腔滑液形成规律的循环流动;当下颌骨下降距离到达3 cm以上,上腔滑液压力增至(11.78 ±5.14) mmHg达阈值水平,细小穿孔部位张开形成异常流场和上下腔滑液交通,不利于关节盘的自我修复.结论 颞下颌关节盘穿孔的关节滑液循环仿真模型有助于对颞下颌关节紊乱综合征发病机制的研究,可为指导疾病的诊疗和预防提供依据.
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颅内动脉瘤4D Flow MRI与CFD血流动力学参数测量的对比研究
目的：对比研究4D Flow MRI和计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)对颅内动脉瘤的血液流速测量结果，比较分析两种技术方法之间的差异。材料与方法本研究取4例颅内动脉瘤患者，分别做4D Flow MRI扫描和CFD仿真，将两种方法得到的速度结果进行对比研究。根据流速计算并显示4个病例的三维血液流动迹线(Pathline)；提取动脉瘤颈部平均血流速度并计算两者之间的归一化均方根误差(normalized root mean square error, NRMSE)和线性相关系数(R2)；后比较动脉瘤大截面处的速度分布图。结果4D Flow MRI和CFD对比结果显示，血液在载瘤动脉和瘤体内部的流动状态相似。瘤颈部平均流速符合良好。4例动脉瘤颈部平均流速的NRMSE均值为0.08992(0.10208、0.10270、0.04242、0.11248)，R2均值为0.95958(0.9735、0.9316、0.9920、0.9412)。同时，在动脉瘤大横截面内，4D Flow MRI和CFD速度分布的整体差异较大，但仍显示出一致的高流速区域分布。结论4D Flow MRI的测量结果和CFD的计算结果之间具有较好的一致性，在局部存在一定的差异，需要设计体外实验进一步验证。
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具有超压功能的手术舱室环境设计与仿真研究
目的:对手术舱室建立超压防护,按照夏、冬两季不同应用地区的气候环境设计手术舱室制冷与供热系统.方法:根据压力平衡下手术舱室漏气量与新风补充量相等的原理实现超压防护设计;根据手术舱室的冷热负荷设计空调与暖风系统的总体结构,运用计算流体动力学方法进行手术舱室内温度环境仿真.结果:手术舱能够保持300 Pa以上的超压防护;仿真结果表明制冷与供热系统的设计方案能够使手术舱室内温度保持在(25±3)℃,人体操作区的微风速在0.5 m/s以下.结论:手术舱室能够满足静止状态下的内部超压指标要求,以及医疗作业对手术舱室温度环境的总体要求.
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具有超压防护功能的机动手术舱室污染物运动扩散的仿真研究
目的:对具有超压防护功能的机动手术舱室污染物运动扩散进行仿真研究,通过空气过滤净化和气流组织设计等方式减少生化污染物的危害,为患者和医生提供安全的舱室环境.方法:应用计算流体动力学方法对具有超压防护功能的机动手术舱室污染物运动扩散进行了仿真研究,分析了在超压防护系统工作前后两种状态下,污染物在室内的运动扩散及其对舱室内人员的影响.结果:在外部气态污染物浓度为5 mg/L的条件下,超压防护系统工作前,在10 s时呼吸区污染物达到大浓度0.21 mg/L;超压防护系统工作后,在125 s时呼吸区污染物大浓度达到0.01 mg/L的安全阈值.在整个计算过程中,污染物大浓时积为0.1 mg·min/L,小浓时积为0.011 mg·min/L.结论:机动手术舱室超压防护系统可以有效地将其工作前扩散到室内的气态污染物进行稀释,使室内人员周围不产生局部高浓度区,减小污染物对室内人员的影响.
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基于双源CT冠状动脉成像的血流动力学计算流体模拟的可行性研究
冠状动脉病变导致的血流动力学改变如冠状动脉内压力-血流梯度和血流储备等变化与心肌缺血密切相关，监测血流动力学改变可以指导血运重建术，使患者大程度获益并避免不良结局，比单纯形态学评估更有临床意义。计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）是计算机技术和流体物理学结合的交叉学科，CT扫描获得的冠状动脉三维数据结合CFD可以推导冠状动脉内血流的流体动力学参数，包括血流的压力分布、剪切力分布和流速分布，在形态学基础上增加功能学信息，为无创性评估心肌灌注提供新的方法[1]。本研究的主要目的是探索基于高分辨率双源CT构建优化的三维冠状动脉体型，并结合计算流体模拟流程以评估左冠状动脉压力梯度和剪切力、血流速度梯度分布的技术线路。
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内管道Fontan术虚拟手术的血流动力学研究
目的 研究内管道Fontan手术中上腔静脉中线与心内管道中线之间(定义为Offset)的佳距离并比较不同Offset对血流动力学的影响.方法 收集心内管道Fontan患儿术后心脏磁共振影像资料,通过三维立体建模、虚拟手术技术以及血流动力学模拟,探究不同Offset距离(相当于下腔静脉直径的0、33％、67％和100％)对血管壁剪切力、血流分布、肝血流分配比以及能量损失等血流动力学参数的影响.结果 Offset为0时,患儿左肺动脉起始段存在异常高剪切力区域;同时,在上腔静脉、心内管道连接肺动脉处存在螺旋状涡流.Offset从0至100％相对应的能量损失分别为69.96 mW、50.52 mW、58.00 mW和62.94 mW;肝血流分配(左肺动脉/右肺动脉)分别为65％:35％、60％:40％、55％:45％、55％:45％.结论 不同Offset对心内管道Fontan手术血流动力学有显著的影响.综合血管壁剪切力、血流分布、肝血流分配比以及能量损失等指标,Offset 33％为该患儿佳Offset距离.
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室内空气品质与气流组织分析及其在机动卫生装备研究中的应用
1 引言随着计算技术的发展,利用计算流体动力学(CFD)和计算传热学等手段研究汽车内部的微环境状态越来越得到世界各大汽车生产厂商的重视.GM、Ford、NISSAN等正积极开展这一领域的研究,以求改进汽车人工环境设计效果,提高汽车整体设计质量[1].我军现行机动医疗单元(卫生技术车辆和医用方舱)的舱室温度环境虽然基本上能够满足不同地区自然环境条件下医疗作业对温度条件的总体要求,但从大量试验结果来看,舱室空气调节效果并不十分理想,温度场分布均匀性较差,头-足温差、纵向和横向温度辐射不对称度较大,舱室内的空气品质也不尽如人意.事实上,关于人工环境中空气品质的问题不仅仅存在于车辆、方舱之中,众多现有的建筑物也大量存在空气品质低、空调系统设计不合理的现象,甚至在某些建筑物中长期工作和生活的人们出现头晕、困倦、恶心、皮肤瘙痒等症状,世界卫生组织将这种由于建筑物的使用而产生的症状称为病态建筑综合症[2].大量的调查分析表明,同样的问题也存在于卫生技术车辆、医用方舱以及其它交通运输工具之中.
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计算流体动力学用于生地黄低聚糖千粉吸入剂所选装置的模拟验证
目的 采用计算流体动力学(CFD)进行药物微粒在生地黄低聚糖干粉吸入剂(RRODPI)所用2种装置内部的运动轨迹模拟,并与体外沉积结果进行对比,验证该结果的准确性.方法 采用新一代药用撞击器(NGI)进行体外沉积实验得到相关数据后,根据2种吸入装置的实际尺寸,采用UGNX 10.0软件建立2种干粉吸入装置三维模型,将此模型导入ICEMCFD软件中进行网格的划分,划分网格之后在检查网格质量合格后,将其导入Fluent软件中进行相关参数的设置.设置好参数之后进行数据的迭代和收敛,当数据计算处于稳态之后进行数值分析,终得到药物微粒在2种干粉吸入装置的运动轨迹图,并与体外沉积结果进行对比,验证模拟结果.结果 体外沉积实验结果表明圆筒型装置的有效沉积率高于刺破型装置,CFD结果表明不同粒径的微粒在圆筒型装置中均能到达出气口,而对于刺破型装置,药物微粒在某一个粒径范围内无法到达出气口,2种结果均表明圆筒型装置更适合作为RRODPI所用装置.结论 采用CFD进行药物微粒在干粉吸入装置中运动轨迹的模拟,得到的结果较为直观,与体外沉积实验结果相一致,可以很好地预测药物微粒在干粉吸入装置中的运动状况.
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应用计算流体动力学方法研究人工心脏流场
目的 探讨计算流体动力学(CFD)方法在人工心脏设计中的应用.方法 应用CFD Fluent6.1软件模拟不同状态下自制螺旋和轴流2种叶轮血泵泵腔、出人流口的流场状态,内部流场采用三维彩图显示.结果 得到2种血泵在不同转速下压力流量情况和内部流场及剪切应力分布状态.结论 模拟计算结果与体外实验结果对照显示CFD分析结果很好地提示血泵实际工作状态.CFD方法可以有效地提示设计血泵的血液相容性能,是血泵研制的可靠手段.
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FFRCT——有创性冠状动脉造影的"看门人"
近年来,基于CT影像衍生的无创性冠状动脉血流储备分数(FFRCT)成为无创性心脏影像研究的热门话题之一.一系列多中心研究支持FFRCT作为有创性冠状动脉造影(ICA)"看门人"的观点.了解FFRCT的产生和发展,特别是对其适用范围、优势与局限性等的全面理解,有助于优选、合理使用FFRCT这一新工具,为进一步的科学研究和临床实践奠定基础.综述FFRCT的概念、发展以及研究进展.
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血管内超弹性TiNi合金支架的有限元模型及流体动力学计算分析
利用有限元模型与计算流体动力学的方法,结合有限元软件COSMOS Works与计算流体动力学软件COSMOSFloWorks,分析了具有特殊形状记忆和超弹性功能的TiNi支架在置入过程中与斑块、血管的相互作用及其对血流情况的影响.计算结果表明,使用COSMOS可较为准确地模拟TiNi合金支架的超弹性;由于具有形状记忆特征,TiNi支架置入后对血管产生更好的顺应性,不易损伤血管壁;利用TiNi材料的超弹性,大变形时会产生更大的支撑力的优势,适当缩短支撑筋的长度来增加支架的支撑力;TiNi合金超弹性产生的柔顺性能让血液流动更畅通,降低血管的再狭窄率.
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鼻腔流场数值模拟与鼻声反射相关性研究
探讨应用鼻声反射测量评估基于CT图像的三维重建人体鼻腔模型的可靠性,并用有限元方法对模型的流场进行数值模拟.基于志愿者CT医学图像,用表面重建的方法对人体鼻腔进行三维重建,并用有限元方法对腔体中气体的流动进行数值模拟及分析;采用鼻声反射仪测试得到志愿者鼻声反射曲线,分别提取并对比两种方法得到的鼻腔多个轴向横截面面积数据.结果显示,两种方法得到的数据有很好的吻合.由此得出结论,所建模型较真实的反映了鼻腔实际解剖结构形态,数值模拟结果可靠,对临床上呼吸道解剖结构与功能相关疾病的诊断、发病机理的深入探讨具有参考价值.
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支架参数对血管壁面剪切应力的影响
目的 研究不同支架参数对血管壁面再狭窄的影响,为设计支架形式提供参考和依据.方法 根据支柱的螺纹节距、支柱数目、支柱线径、支架突入流域深度、支柱截面形状对支架进行分组,利用三维计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟方法研究各个参数的不同设置对血管壁面剪切应力分布的影响.结果 支架的支柱线径对壁面剪切应力影响为显著,并且支架参数中节距变短、支柱数目增加、线径变宽、突入流域深度增加会导致壁面低剪切应力区域面积增加;相对于三角形与正方形截面形状,圆形截面支架导致的低剪切应力区域面积更少.结论 支架在设计过程中应采用圆形截面,而且应尽可能缩小线径,增长节距,减少支柱数目,减小突入流域深度.
