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应用计算流体力学方法分析人体腹主动脉分叉内血液流动
目的 应用计算流体力学方法对4例正常人体腹主动脉内血流情况进行数值模拟,通过分析计算获得血流动力学参数,讨论腹主动脉内复杂的血流情况与动脉粥样硬化疾病的关系,为临床的预防与诊断提供帮助.方法 选择的临床增强CT图像数据为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 rnrn.应用医学图像后处理软件对临床获得的CT医学图像数据进行处理重构,并转化为可用于数值计算的真实的人体腹主动脉三维解剖模型.应用计算流体力学(CFD)方法基于三维解剖模型进行数值计算.结果获得了正常人体腹主动脉分叉内在心动周期内不同时刻的血流动力学参数.结论 计算流体力学数值模拟方法为在个体腹主动脉内进行仿真模拟血流动力学分析提供了可靠方法.腹主动脉分叉内复杂的血流情况与动脉粥样硬化疾病的产生与发展存在一定联系,为心血管疾病的临床诊断与治疗提供一定的帮助.
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连续型血泵溶血性能评价方法分析
溶血性能是影响血泵可靠性的主要因素之一.对溶血性能的有效评价,为血泵的设计和改进提供有力依据.本文对血泵研究和开发中进行溶血评价的方法进行综述,包括溶血估算和溶血实验.文章首先阐述了溶血估算,包括数值估算模型和基于计算流体力学技术的溶血分析;然后介绍有模型样机之后的溶血实验,包括体外循环模拟实验以及动物实验.其次对比分析两种方法的优势与局限性,并得出相关结论:溶血估算适用于血泵研发前期,溶血实验适用于中后期已有模型样机后的溶血评价;溶血估算为溶血实验奠定了基础,溶血实验验证了溶血估算的结果;溶血实验研究与数值估算相互联系、相互促进,但不能完全替代;针对不同的研究者和研究机构,应根据自身条件选择合适的评价方法.后讨论血泵溶血评估领域存在的问题以及发展趋势.
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T型分叉管内牛顿与非牛顿血流特性对比分析
目的:动脉粥样硬化是引起心血管疾病的重要因素.结合临床心血管相关病例,从交叉学科的角度分析了入口血流速度和血液粘度对T型分叉管内血流分布的影响,以探索T型分叉管内血流分布与动脉粥样硬化形成的关系,为临床诊断与治疗提供一定的指导.方法:根据血液流动的粘性不可压缩Navier-Stokes方程,运用AutoCAD建立了T型分叉血管的几何模型,并采用计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)对分叉管内血液流动进行数值模拟,分析不同初始条件下分叉管内血流分布对动脉粥样硬化形成的影响.结果:数值模拟结果显示,与牛顿血液粘度模型相比,非牛顿血液粘度模型下血流分布较合理;分叉管的壁面切应力明显大于主血管,而分叉管的壁面压力却小于主血管,表明分叉处管壁受到高切应力与低壁面压力的共同作用,血管内壁易疲劳损伤,促进动脉粥样硬化的产生;这与分叉处附近A与B处存在较大面积的低速涡流区相符合,为动脉粥样硬化的形成提供有利条件.结论:通过对T型分叉管血液流体动力学的数值模拟,表明入口血流速度和血液粘度在动脉粥样硬化形成过程中具有重要作用.另外,数值模拟结果与临床检测结果一致,为进一步研究心血管疾病的机理提供一种有效、可靠的研究方法.
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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推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,得到了推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.
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基于计算机断层扫描血管造影图像的计算流体力学在主动脉瓣狭窄严重程度分级上的初步应用
目的 建立一种基于多层螺旋计算机断层扫描(computed tomography,CT)血管造影(multi-detector com-puted tomography angiography,MDCTA)的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,无创性地获得主动脉瓣狭窄(aortic stenosis,AS)患者的峰值跨瓣膜压差(peak systolic pressure gradient,PSPG),并以此为基础对AS严重程度进行分级,为AS患者狭窄严重程度无创分级提供新的途径.方法 本研究纳入30例AS患者,包括轻度狭窄组、中度狭窄组和重度狭窄组各10例.所有患者在完成经胸超声心动图和MDCTA检查后2周内完成心导管检查.由MDCTA原始数据重建获得CFD仿真模型,仿真计算得到的PSPG与作为"金标准"的心导管测量得到的PSPG进行一致性分析,分级效果使用多分类Logistic回归和Kappa检验来分析.结果 仿真获得的PSPG与心导管测量的PSPG具有高度的一致性(R2=0.98,P<0.001;mean diff=-0.257 mmHg,1 mmHg=0.133 kPa).多分类Logistic回归结果显示CFD方法进行AS分级准确率达86.67%,基于CFD获得的PSPG与心导管测量PSPG在AS严重程度分级上具有高度一致性(к=0.80,P<0.001).结论 基于MDCTA原始数据,利用CFD方法,可以无创、准确地获得AS患者的PSPG,并能准确进行AS严重程度分级,为AS严重程度的无创性分级提供了新的途径.
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颅内动脉瘤的三维数值模拟分析
目的 应用计算流体力学软件结合有限元法对颅内动脉瘤进行三维数值模拟,分析动脉瘤的血液动力学特性.方法 利用临床三维血管造影图像建立动脉瘤数值模型,用Matlab 7.0软件及Ansys软件提取动脉瘤的立体轮廓并进行三维网格划分,然后应用Fluent6.02软件进行动脉瘤数值模拟及血流动力学分析.结果 本例研究对象显示动脉瘤流人道的血流速度、动压及壁面切应力高.流出道次之,顶部低.结论 ①根据病人的解剖结构所构建的动脉瘤模型的三维数值模拟,把压力人口及脉搏波动应用其中,对血流动力学数据分析更先进、更接近临床实际.②动脉瘤顶部的血流流速、瘤内压力、壁面切应力均低,这种特殊的结构导致了动脉瘤顶部可能成为动脉瘤破裂的部位.③动脉瘤三维数值模拟能够很好地反应动脉瘤的血液动力学特性,是一种极好的动脉瘤实验及临床研究方法.
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下颌前伸式矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征研究现状及进展
阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea and hypopnea syndrome,OSAHS)的临床表现为夜间频发的上气道阻塞和呼吸障碍,伴发日间嗜睡、疲倦等.其病因主要是上气道形态的变化和神经肌肉等因素.下颌前伸式矫治器(mandibular advacecment devices,MADs)是治疗轻、中度OSAHS的有效方法 ,其主要机制改变上气道形态,进而引起上气道流体力学的改变.笔者对下颌前伸式矫治器治疗阻塞性睡眠呼吸暂停低道气综合征的疗效、适应证、副作用、上气道形态变化、矫治器的下颌定位、上气道液体力学改变的研究进行综述.
关键词： 口腔矫治器 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 上气道形态 计算流体力学 -
基于CTA影像数据的个体化颅内动脉瘤的流固耦合力学模型
目的 建立基于CTA影像数据的个体化颅内动脉瘤的流固耦合力学模型.方法 用MIMICS软件读取1例患者颅内动脉瘤影像CTA影像DICOM数据,进行三维实体重建.应用ANSYS+CFX软件进行流固耦合模型的数值仿真.分析了模型的敏感性,并与刚性模型进行了比较.结果 建立了个体化颅内动脉瘤血流动力学流固耦合模型,直观地模拟动脉瘤壁剪切力以及瘤壁变形的变化过程,可以输岀压力、剪切力、范-米斯氏应力和壁变形程度等结果.小杨氏模量可以导致壁较大的变形,壁厚则变形程度小.与刚性模型比较,相对于壁剪切力和血流速度,压力变化不大.结论 流固耦合模型比刚性模型更接近真实情况,模拟的结果有利于进行动脉瘤发生、生长及破裂的研究.
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功能性鼻窦内镜术后对鼻腔鼻窦气流的影响
[目的]用计算流体力学的方法研究功能性鼻窦内镜手术后鼻腔-鼻窦的气场参数特点.[方法]从30例健康青年人中,通过鼻内镜、鼻声反射测定仪及CT检查,严格筛选出一例研究对象,根据该入选对象的鼻腔CT影像资料,利用Fluent 6.1.22软件重建出正常鼻腔的数字模型,同时根据功能性鼻窦内镜手术的要求(切除钩突,开放筛窦、上颌窦和蝶窦)模拟出鼻内镜术后的鼻腔数字模型,再用Navier-Stokes方程对手术前后鼻腔气流的粘性运动进行数值计算,比较内镜手术前后鼻腔的气流速度、分布和压力的差异.[结果]功能性鼻内镜术后模型的总鼻道流量明显减少,中鼻道和开放的筛窦区域的气流量增加在13%以上:气流在上颌赛、筛窦、蝶窦前方部分区域的气流速度均大于0.01 m/s;上颌窦中、上部的气流速度大于0.1 m/s,并形成明显环状流场;术后模型鼻腔内部阻力减小,以术腔中后部阻力减少为主.[结论]鼻内镜术后的鼻腔气流力学参数发生了变化,功能性鼻内镜手术改变了鼻腔一些原有的生理力学特性.
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基于CT数据颈内动脉虹吸部有限元建模
目的 基于CT血管造影(CT angiography,CTA)扫描数据,构建颈内动脉虹吸段三维有限元模型.方法 利用GE Lightspeed 64排螺旋CT扫描获得颈内动虹吸段CTA数据,将Dicom格式原始数据直接读入Mimics软件系统,采用阈值分割与手动分割相结合的处理方法,选择感兴趣部位,计算得到初步三维几何模型.调用FEA模块的Remesh功能,获取血管面网格,文件以流体网格格式保存并输出,再导入Gambit软件进行流体网格划分及网格质量检查,获取三维有限元模型.结果 构建了颈内动脉虹吸段有限元模型,模型具有良好的解剖形态,与实体相一致.其流体网格文件可直接导入流体力学有限元软件进行相关研究.结论 基于CTA扫描数据进行颈内动脉有限元建模具有精确、快速及效率高的特点,为血管流体力学研究提供基础.
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基于格子玻尔兹曼方法的冠状动脉血流储备分数无创计算研究
为探讨格子玻尔兹曼方法(LBM)在基于电子计算机断层扫描(CT)的冠状动脉血流储备分数(FFRCT)无创计算中的应用,以一个局部狭窄圆管模型和两个冠状动脉分支模型为研究对象.基于开源代码库(Palabos),在集成开发环境(Codeblocks)中改进相应算法程序.基于LBM对以上模型的FFRCT进行数值模拟,并将数值模拟的结果与有限元分析软件ANSYS数值模拟的结果进行对比分析,以验证LBM数值模拟冠状动脉FFRCT的可行性.结果表明,LBM数值模拟冠状动脉FFRCT与有限元分析软件ANSYS模拟的结果相对误差在1％左右,验证了LBM数值模拟冠状动脉FFRCT可行性.本研究的模拟计算为后续开发冠状动脉FFRCT应用软件提供了技术支持,为临床冠状动脉FFRCT的计算奠定了基础.
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肝右静脉与下腔静脉的夹角变化对下腔静脉隔膜发生的影响
本文利用计算流体力学方法来探讨肝右静脉与下腔静脉之间夹角的变化对布-加综合征下腔静脉隔膜发生机制的影响.运用Mimics软件对临床磁共振成像(MRI)血管造影下腔静脉、肝右静脉、肝中静脉、肝左静脉断层图像进行三维数字化重建,将重建模型导人3DMAX软件分别构建肝右静脉与下腔静脉之间夹角为30°、60°、90°和120°的模型.结合相关临床参数计算得到模型壁面剪切应力场、壁面压强场、速度场等分布特征.应用SPSS统计学软件分析,结果表明下腔静脉与肝右静脉的夹角不同,对应的壁面压强及壁面剪切应力存在显著差异且具有统计学意义(P＜0.05),下腔静脉隔膜阻塞的形成与夹角的变化有一定的相关性.
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基于血管内超声的动脉血管壁应变分布的计算流体力学仿真
估算动脉血管壁所受的应力以及产生的应变,对于评估血管壁的弹性和预测斑块的发展趋势具有重要的临床参考价值.本文利用计算流体力学(CFD)数值模拟技术,对从动脉血管内超声(IVUS)图像序列中重建出的三维血管及血液模型进行单向流固耦合模拟,得到用伪彩编码表示应变分布情况的三维血管模型,直观地展示血管的三维形态结构和三维应变分量及其分布情况.
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脾静脉血栓对血流动力学影响的分析及计算流体力学模拟
本文的目的是分析脾静脉血栓(SVT)对肝门静脉系统血流动力学参数的影响.根据某肝门静脉高压症患者的CT图像和商业软件MIMICS重建了其真实的肝门静脉系统模型,采用彩色多普勒超声法测出了肝门静脉系统内的血流速度,作为模拟的入口边界条件,应用计算流体力学(CFD)方法模拟了肝门静脉系统内血流动力学参数的变化并分析了对生理过程的影响.结果显示:SVT会对肝门静脉系统的血流动力学参数造成严重影响,血液流经SVT时压强降低、流速和壁面剪切力增加,血液流动的阻力增加,门静脉主干内血流速度减缓、压力梯度减小、壁面剪切力的分布更加均匀.SVT会导致对肝脏的供血能力下降,在血栓的周围和门静脉主干内形成新血栓的可能性增加.
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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.
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体外循环回流控制方法工作状态的仿真研究
介绍了应用工程流体力学(EFD)软件对体外循环中夹管钳部分阻断静脉回流管道的流场进行仿真研究,并用美蓝作为标记物对部分阻断的管道进行流场再现,采用计算机模拟流场及美蓝显示流场两种方法来研究夹管钳部分阻断引起血液流动性能的变化,发现在目前使用方法上尚存在着一些缺点,探讨了有可能发生的不良后果.
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基于动脉系统旋动流原理的一种血管内支架旋流导引装置的优化
血管内支架是目前治疗心血管疾病的主要方法之一.但是支架植入后的血管再狭窄问题至今未获完全解决.研究表明,支架植入后导致的局部血流紊乱和流场异常是造成再狭窄的主要原因之一.基于动脉系统的旋动流原理,设计了一种能够引导血流产生旋动的血管内支架旋流导引装置,并用计算流体力学的方法,对其进行了优化设计.流场数值研究表明,优化设计得到的旋流导引装置可产生足够强度的旋动流.我们相信,该装置产生的旋动流可有效抑制支架结构对血流的扰动,从而达到减缓血管再狭窄的目的.
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不同类型脑动脉瘤内流体力学的三维数值模拟研究
目的 探讨不同类型脑动脉瘤内流体力学的特征,为其治疗提供依据.方法 建立宽颈与窄颈两种弯曲管侧壁型动脉瘤血液动力学三维数值模型,采用Fluent软件进行分析.结果 宽颈动脉瘤内流速在任一时间点内均高于窄颈动脉瘤.瘤颈部的壁面切应力高于其他部位.瘤内压力场与瘤颈处载瘤动脉内压力值一致.结论 宽颈动脉瘤较窄颈动脉瘤内血流动力学更加复杂,数值模拟研究有助于制订个体化治疗方案.
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生物安全柜前窗气流速度模拟及优化
目的：探究生物安全柜前窗气流的速度大值和优值，为规范生物安全柜检测标准提供科学依据。方法：采用计算流体动力学(CFD)理论建立数值模型的方法，对Ⅱ级生物安全柜前窗气流速度进行模拟分析。结果：通过实验得到柜体内气流分布及流动变化图，确定了前窗气流和柜体内部气流速度的关系。结果显示，当前窗气流速度为1.0 m/s时，标准偏差小，气流稳定性好。结论：前窗气流的上限速度为1.4 m/s，优速度为1.0 m/s，数据结论对生物安全柜检测具有一定的借鉴意义。
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稳定同位素13 C分离用高效丝网波纹填料表面降膜流动研究
由于碳同位素分离系数小，分离难度大，需要采用高效规整填料实现13 C的分离。本文通过计算流体力学（CFD）数值模拟研究，采用流体体积函数（VOF）方法，研制了用于13 C分离的高比表面积丝网波纹规整填料（PACK-13C），建立了PACK-13C填料表面伴随有气相逆流的局部液体降膜流动模型，选用CO（l）-CO（g）为模拟计算物系，考察了板面结构、丝网目数等因素对液膜流动的影响，并对填料表面气液相界面进行追踪，探究了气液相界面波动对传质效率的影响，研究表明，改善填料壁面结构能够增强气液相界面波动，可以实现强化传质过程。填料表面局部降膜流动的研究方法，可应用于填料气液传质过程中涉及的多尺度流动及传质现象的可视化研究，为优化填料结构提供基础性理论指导。
