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颈椎“筋出槽骨错缝”对椎动脉血流动力学作用的流固耦合分析
目的:创建上颈段“筋出槽骨错缝”有限元模型,了解“筋出槽骨错缝”状态下,颈椎活动与椎动脉血流流体之间的生物力学关系.方法:基于正常人全颈椎(C0-T1)及双侧椎动脉三维有限元模型,模拟C2齿状突周围韧带损伤引起的上颈段节段运动性失稳,建立上颈段“筋出槽骨错缝”模型.分别模拟生理载荷下颈椎活动(前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转),观察颈椎活动对椎动脉血管壁应力的作用,然后通过对血管壁与流体的流固耦合计算,获取血流动力学参数.结果:生理活动过程中,上颈段“筋出槽骨错缝”模型的表面应力集中现象、椎动脉血流速-时间变化曲线的趋势与正常模型相似.然而,病理模型在椎体及血管表面应力集中数值明显增加;正常与病理模型的出现低血流速的C2的椎间相对活动度(ROM)明显增加、与颈椎整体ROM呈现非线性变化;双侧椎动脉内血流速-时间变化曲线波动频率高于正常模型,且波动幅度加大.结论:本实验创建病理模型符合上颈段“筋出槽骨错缝”的结构形态、运动学特点,能合理解释相关临床现象,为临床治疗提供参考.
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流固耦合作用下人体上呼吸道内气流运动特性数值仿真研究
分析人体上呼吸道内流固耦合现象,深入认识上呼吸道内气流运动特性,对于研究气溶胶在人体上呼吸道内的扩散、转捩及沉积模式具有重要作用.运用流固耦合力学数值仿真方法,在呼吸流量为30 L/min的状态下,对人体上呼吸道内稳态气流运动特性进行数值模拟,系统分析流固耦合作用下上呼吸道壁面的形变特点、壁面剪切应力分布以及呼吸道内的气流运动特点.结果表明:在低强度稳态呼吸模式下,人体上呼吸道整体向后运动,三级支气管位移大为4.99 mm,气管前壁面受到拉伸,后壁面受到压缩；口喉模型中受到的壁面剪应力较大,大处可达30.34 Pa,气管支气管受到的壁面剪切应力较小；气流速度在声门处达到大值7.85 m/s,在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区,支气管内气流在分叉处分离,靠近支气管内壁速度较高.
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出口边界条件和壁厚对冠状动脉壁面剪切力和冯米塞斯应力的影响
探讨基于个体化患者计算机断层血管造影(CTA)影像的冠状动脉流固耦合(FSI)数值分析中,不同出口边界条件和血管壁模型对时间平均壁面剪切力(TAWSS)和冯米塞斯应力(VMS)的影响.根据患者CTA影像重建右冠状动脉(RCA)管腔流域三维几何;将管腔流域表面向外扩张0.5 mm,形成均匀厚度血管壁;运用类似虚拟去除斑块的方法建立不均匀厚度血管壁模型.FSI分析时,分别给予zero和impedance两种出口边界条件;获得从舒张末期开始心动周期主要时间点TAWSS和VMS的分布,比较不同模型结果的差异.结果表明,两种出口边界条件下,TAWSS空间分布基本一致,且血管狭窄段均高于其他部位;zero条件下峰值VMS出现在压强大时刻点0.42 s,而impedance条件下峰值VMS出现在入口血流速度大时刻点0.64 s,并且达到前者的20倍.同是impedance出口边界条件时,TAWSS分布基本一致,没有显著性差异;两种血管壁模型中,VMS的分布一致,血管狭窄段比其他部位低,但是不均匀厚度血管壁模型中局部位置VMS绝对值高于均匀壁厚血管壁模型.医学影像技术的发展可以提供更高精度的冠脉结构以及出入口速度和压强边界条件,不但对研究血流动力学以及结构力学因素与心血管疾病的关系具有重要意义,也可以更好的服务于患者个体化诊断与治疗.
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考虑流固耦合作用的主动脉弓血液流动分析
流固耦合作用对血液的流动速度、回流速度和壁面剪应力有较大的影响.但迄今已有的研究工作较少考虑血液-血管相互作用和生理脉动作用的影响.可能难以真实地反映血液在主动脉弓中的流动情况.将升主动脉、主动脉弓和降主动脉联系起来.根据生理脉动流条件,利用有限元软件,分析流固耦合作用下主动脉弓中的血液流动问题.研究表明,流固耦合作用对血液流动速度、回流速度和壁面剪应力的变化趋势影响较小,对血液回流速度幅值、壁面剪应力幅值影响较大.结果表明:在心脏收缩与舒张转换期,主动脉内的血液向心室方向反流;考虑流固耦合作用总体上降低血液回流速度的幅值;在流固耦合作用下,壁面大剪应力幅值比非流固耦合偏低约25%.
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基于CFD的左心室流场数值模拟研究现状与趋势
随着计算技术的快速发展,计算流体力学在心脏血流流场模拟中得到广泛应用,取得了有价值的相关成果,在心脏功能的研究中扮演着越来越重要的角色.目前,运用计算流体力学实现心脏流体动力学特性及其流场数值模拟分析,已成为心血管基础和临床研究领域的一个重要研究方向,对心血管系统疾病预防、临床诊断和治疗具有重要意义.简述基于CFD的左心室流场数值模拟方法的发展过程、研究现状和方法分类,分析基于CFD的左心室流场数值模拟计算存在的主要问题,提出该研究领域未来的发展方向.
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OSAHS患者上气道流固耦合模型中软组织生物力学参数的研究进展
上气道流固耦合(fluid structure interaction,FSI)模型考虑气道内流场与周围软组织的耦合作用,是研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)的有效方法.OSAHS患者上气道周围软组织的生物力学特点发生了变化,在FSI模型中合理设定上气道周围软组织的生物力学参数对于模型的真实性至关重要,本文就近年来测量人上气道流固力学耦合模型中软组织的生物力学参数方法的研究进展做一综述.
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基于个体化逆向工程和双向流固耦合模型的B型主动脉夹层数值模拟血流分析
目的 建立基于个体化逆向工程和双向流固耦合模型的B型主动脉夹层数值模拟模型,探讨计算流体力学技术在主动脉夹层重塑研究中的应用价值.方法 获取北京大学人民医院血管外科B型主动脉夹层患者手术前、第一破口封堵后1周、第一破口封堵后6年和远端破口封堵后3个月的4次CT检查资料,使用Mimics逆向工程重建主动脉夹层三维模型,经Geomagic平滑化后运用ANSYS流体力学模块构建基于双向流固耦合模型进行主动脉夹层血流动力学数值模拟.分析血流动力学参数与主动脉夹层重塑之间的关系.结果 成功建立基于个体化逆向工程和双向流固耦合模型的B型主动脉夹层数值模拟模型.主动脉弓远段与胸降主动脉连接处大弯侧存在血流压强峰值区.主动脉夹层假腔的壁应力远高于真腔,壁应力峰值分布在假腔的边缘处及破口附近.成功封堵第一破口后,夹层假腔流线明显减少,剩余腹主动脉下段残余假腔血流自左髂总动脉破口逆行向上灌注,并于假腔顶部形成涡流,有利于夹层血栓化重塑.第二破口位置残留假腔压力持续高于真腔,与动脉瘤形成相关.结论 基于逆向工程个体化设计的双向流固耦合主动脉夹层数值模拟模型能够揭示B型主动脉夹层相对真实的血流动力和管壁应力特征.
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流固耦合下人体口喉模型气流组织数值仿真研究
目的:分析人体上呼吸道内流固耦合现象,深入认识上呼吸道内气流运动特性.方法:运用流固耦合力学的方法,对循环呼吸模式下人体口喉模型内气流和呼吸道壁的相互耦合作用进行了数值模拟,分析了流固耦合作用下人体口喉模型内气流组织特性.结果:气流在模型的咽部发生分离现象,并且在咽部和喉部会分别形成2个速度增长点.结论:循环吸气过程中,在声门位置受到几何结构的限制,产生湍流喷射的现象;声门处的喷射致使气流在气管前壁处形成高速气流,气管后方形成流动分离现象;随着与声门距离的增加,气管内、外壁气流速度差逐渐减少.循环呼气过程中,口腔项部贴近软腭和硬腭部位的气流速度要高于口腔底部,且在口腔顶部发生流动分离现象,形成分离区.该研究结果对于研究气溶胶在人体上呼吸道内的扩散及沉积模式具有重要作用.
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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0.5 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1.041×10-3 m，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。
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基于流固耦合计算机流体力学模拟分析人体主动脉弓内血液流动
目的 比较分析应用弹性血管壁的流固耦合计算流体力学(CFD)方法和刚性血管壁的CFD方法模拟获得的正常主动脉弓内血流动力学参数,同时比较两种方法的优劣,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 取46岁男性,胸主动脉正常CT图像,格式为Dicom,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,对通过临床获得正常人体主动脉CT二维医学图像数据进行重构,得到主动脉血流及血管壁的三维立体模型并应用于模拟计算.结果 在设定边界条件和初始条件的基础上,经多次迭代耦合计算,获得血管壁形变、等效应力、血流速度、壁面振荡切应力等相关血流动力学参数.结论 在心动周期内弹性血管壁的主动脉内血流情况较刚性血管壁主动脉内血流情况更为复杂,管壁等效压力变化较大,血管壁的振荡切应力更高,表明弹性血管壁的流固耦合的CFD模拟更能体现真实主动脉内复杂血流情况,为深入研究血流动力学与心脑血管疾病的关系提供了一定的技术支持.
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基于流固耦合分析椎基底动脉延长扩张症与后循环脑梗死的相关性
目的 基于流固耦合(FSI)分析不同级别椎基底动脉延长扩张症(VBD)病人的流体力学分布特点及与脑梗死的相关性.方法 收集2015年2月—2017年2月在天津市第四中心医院诊断为后循环缺血的VBD病人34例,均行头颈CT血管成像(CTA)及MRI检查,其中男20例,女14例,年龄25～80岁,平均(62.1±12.3)岁.按照Smoker分级标准,将VBD分为0、1、2、3级,并将病人头颈CTA的原始数据建立有限元模型,之后调入力学仿真软件ANSYS Workbench中进行分析,选择壁面剪切力(WSS)、壁面压力(WP)、血流速度为输出变量.采用单因素方差分析比较不同级别VBD组间血流参数差异.采用Pearson相关和回归分析评价血流参数与后循环脑梗死的相关性.结果 随着VBD级别的升高,基底动脉小弯侧WSS、小弯侧血流速度、大弯侧WP的数值趋于降低(均P<0.05);脑梗死的发生率也随之增高(P=0.02).小弯侧WSS、小弯侧血流速度、大弯侧WP与脑梗死发生分别呈负相关(r分别为-0.70、-0.58、-0.78,均P<0.05);回归R2分别为0.50、0.63、0.62.结论 基于FSI分析可以观察不同级别VBD的流体力学特点,并且提供VBD发展的理论依据.随着VBD级别升高,流体力学参数与后循环脑梗死呈负相关.
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流固耦合分析血液黏滞系数对重度狭窄颈动脉的影响
目的 基于流固耦合(FSI)力学的方式,分析不同血液黏滞系数对重度狭窄颈动脉的血液流速及壁面剪切力(WSS)的影响.方法 选取2015年8月于天津市第四中心医院经CT血管成像(CTA)检查诊断为颈内动脉重度狭窄(狭窄程度为75%)的1例62岁男性病人,将其CTA影像数据制作模型,导入FSI分析软件中,分别设定血液黏滞系数为1、3.5、6、8.5、11 cP并进行运算.在运算结果中测量并分析颈总动脉末端(A1)、颈动脉窦水平(A2)、颈内动脉狭窄处(A3)、颈内动脉狭窄处远端(A4)截面的血液流速和WSS值.结果 随着血液黏滞系数的升高,A1、A2、A3、A4的血流速度均值降低,WSS均值增大;A4的中心血液流速降低,A1、A2和A3的中心血流速度升高.结论 随着颈动脉重度狭窄病人的血液黏滞系数升高,其脑部供血不足趋于严重化,从而导致急性脑卒中的发生,而且造成狭窄位置斑块的破损概率和面积进一步增大,因此应引起临床的高度重视并及时干预.
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口腔矫治器对OSAHS患者咽腔气流及上气道壁形变影响的研究
目的 通过建立OSAHS患者戴用口腔矫治器前后咽腔的三维有限元生物力学模型,利用流固耦合方法 数值分析咽腔气流及上气道壁的变化,探讨OSAHS的口腔矫治器治疗机制.方法 对1例确诊为中度OSAHS的成人患者戴矫治器前和戴矫治器3个月后分别行上气道及周围组织MRI检查.将以DICOM格式存储的扫描数据导入三维重建软件Mimics 17.0、NX 8.5,Geomagic Studio12.0对上气道及软腭进行三维重建,应用ANSYS Workbench 13.0软件进行网格划分,赋予各部分材料属性,终建立上气道的流固耦合有限元模型.将所得的模型导入CFX-ANSYS软件中进行FSI数值计算.结果 患者戴OA后,在大吸气时刻,腭咽处的气流速度由9.677 m/s降低到7.020 m/s,大负压由-64.18 Pa降低到-37.88 Pa,气道壁的大形变量由0.629 mm减小到0.244 mm.在大呼气时刻,腭咽处的气流速度由10.44 m/s降低到7.441 m/s,大负压由-36.25 Pa降低到-23.79 Pa,气道壁的大形变量由0.648 mm减小到0.310 mm.结论 OSAHS患者戴OA后,在大吸气和大呼气时刻,腭咽气道的负压和气道壁的形变均降低,使咽腔不易出现塌陷,从而减轻了患者的打鼾和呼吸暂停症状.
关键词： 阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征 上气道 生物力学 流固耦合 -
心脏主动脉双叶瓣流固耦合模型定常流场数值的分析
目的:人工心脏瓣膜置换术后的并发症均与心瓣膜置换后引起的血流特性紊乱有关,因此分析心脏主动脉位置双叶人工机械心瓣/血液耦合系统的血流动力学特性和瓣叶机械应力分布情况,为机械心瓣的设计、优化和临床研究提供一定理论依据.方法:采用大型有限元分析软件ANSYS中的CFD(计算流体动力学)模块并运用顺序耦合分析方法分别建立物理环境和结构环境对双叶人工机械心脏瓣膜与其周围血液进行单向流固耦合分析.结果:获得了瓣膜在稳态流动情况下合理的血流速度场、压力场和流体切应力的分布情况及瓣阀的机械应力分布图.在减速时相下,人工机械瓣的速度场出现明显的湍流区、回流区及漩涡区;跨瓣压差较小,压力场有低压力分布;大雷诺切应力出现在瓣叶窄流道附近,下游壁面附近有低切应力(雷诺切应力)分布,且峰值切应力远离壁面;人工机械瓣叶上无应力集中现象产生.结论:采用大型有限元分析软件ANSYS,建立了主动脉机械双叶瓣-血液耦合运动的两维数值模型,初步采用CFD中的顺序耦合分析方法对血液通过主动脉位置的人工机械瓣进行了单向流固耦合分析的方法是可行的.
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支架置入前脑动脉瘤血流场的特性分析
背景：脑动脉瘤成为威胁人类生命的血管瘤之一，目前的治疗方法分别为血管内介入栓塞和开颅夹闭。但是这两种方法术后患者的复发率和死亡率普遍偏高。因此支架置入治疗脑动脉瘤的新思想被提出。目的：评估支架置入脑动脉瘤后对血流场特性参数的影响，为患者提供可行治疗方案。
方法：回顾分析新疆医科大学附属医院的11例脑动脉瘤患者放射的CT影像数据，结合MIMICS软件，通过逆向工程建立脑动脉瘤柔性实体模型。将设计适配的支架模型置入脑动脉瘤中，并结合流体动力学理论及Fluent物理数值模型对脑动脉瘤进行双向流固耦合的血流场分析。后对置入支架前后脑动脉瘤的动力学参数进行对比分析(壁面压力、血液速度矢量、血液流线、壁面剪切力、壁面变形量)；在不同入口速度下分析置入支架后脑动脉瘤的血流场特性。
结果与结论：①支架置入后脑动脉瘤大壁面压力降低约为61.1%，支架周围血液流速及脑动脉瘤内部的血液速度明显减缓，设置2000条血液流线的情况下进入脑动脉的流线数量减少约为75%，壁面大剪切力降低79.3%左右，壁面大变形量减少了一个数量等级；②设置血液入口流速分别为v1=0.1 m/s，v2=0.2 m/s，v3=0.3 m/s下，壁面压力呈现壁面剪切力上升趋势，壁面剪切力随着速度增加呈现逐渐增大状态，同时τzou(左侧瘤颈的剪切应力)<τzhong(脑动脉瘤处的剪切应力)<τyou(右侧瘤颈的剪切应力)，血液流线主要集中在脑动脉瘤顶部，血液速度变化对壁面变形量的影响明显。③置入支架后脑动脉瘤的主要血流动力学参数均较未置入前得到明显改善；血流速度对脑动脉瘤的影响显著，在支架治疗过程中需要考虑在内。 -
数值模拟描述血管壁厚度对复杂颅内动脉瘤流固耦合分析结果的影响
背景：颅内动脉瘤病死率高，有限元分析预测其破裂风险目前成了一个热门课题。有限元分析需要可靠的流固耦合模型，动脉瘤的血液模型很易得到，而血管壁模型无法直接获得，只能人为设置，这可能对计算结果造成影响。目的：探讨有限元建模时血管壁厚度的设置对复杂颅内动脉瘤流固耦合分析的影响，为颅内动脉瘤的数值模拟研究提供更可靠的建模方法。
方法：通过3D脑血管造影取得一67岁男性患者左侧颈内动脉颅内段串联动脉瘤的三维数值模型。术后通过管壁增厚的方法构建出血管壁模型，人为设置的壁厚为0.3，0.4，0.5，0.6 mm，得到4个流固耦合模型。根据术中测得的数据，利用有限元法模拟分析流固耦合作用下颈内动脉串联动脉瘤的血液动力学特征，比较4个模型计算结果之间的差异。
结果与结论：4个模型的血液流线图、血液压力降图、血管内壁壁面切应力均无差异(P >0.05)。4个模型血管壁变形明显处均在颈内动脉C 2段，但血管壁越厚者大变形量越小(P<0.01)。4个模型血管壁Von Mises应力均在I，J两点处达到局部大值，血管壁越薄者局部大值越大(P<0.01)。证实血管壁厚度的设置会对复杂颅内动脉瘤的流固耦合分析结果造成影响，欲得到准确计算结果需根据实际情况设置合适厚度。 -
OSAHS患者上气道和软腭的流固耦合有限元模型的建立
目的:重建OSAHS患者上气道和软腭的流固耦合有限元模型,研究OSAHS患者上气道及软腭气流动力学特征,为进一步探讨OSAHS的的发病机制奠定基础.方法:对一名中度OSAHS患者的上气道及周围组织进行MRI扫描,将以DICOM格式存储的扫描数据导入Mimicsl 5.0软件中进行预处理,得到上气道和软腭的模型;再利用逆向工程软件Geomagic Studio 2013建立了2mm气道壁;然后在3-D重建软件NX中,生成气道壁和气道以及软腭之间的组合模型;后将该组合模型导入ANSYSWorkbench13.0软件中,通过网格划分、定义材料属性、设定模型的边界条件操作建立了上气道和软腭的流固耦合有限元模型.结果:利用Mimics、Ansys等软件建立了完整的上气道和软腭的流固耦合有限元模型.共得到气道:2806835单元和529281个节点;气道壁:2304348单元和3487609个节点;软腭:131855单元和204784个节点.结论:本研究建立的上气道及软腭的流固耦合有限元模型符合人体的生物力学特点,为下一步的数值模拟实验提供了一个更真实、可靠的模型.
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腹主动脉瘤的流固耦合分析方法研究
目的:将流固耦合分析方法运用于血流动力学的研究,可以获得更加准确的结果,为临床诊断和治疗提供有效的指导.方法:本文运用ANSYS和CFX对腹主动脉瘤(Abdominal Aortic Aneurysm,AAA)进行流固耦合模拟分析,以便获得动脉瘤的血流速度和瘤壁的应力分布,判断易破裂危险区域.结果:实验结果表明,本例的腹部主动脉瘤应力峰值位于瘤体颈部.结论:流动和壁面切应力分布揭示动脉瘤颈部为破裂的危险区域.
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局部狭窄股动脉的血流变化分析
目的:建立股动脉局部狭窄处的三维有限元模型,并进行流固耦合血液动力学分析.方法:以股动脉CTA为数据源,在MIMICS 14.0中建立三维模型,再导入到有限元软件ANSYS 13.0中进行有限元模型的建立,并模拟流固耦合条件下的流体力学分析.结果:得到了狭窄血管的三维模型及有限元模型,进行有限元计算得出了一系列的可视化计算流体数据.结论:流固耦合研究得出的结论更符合生理实际,是血液流体力学研究的发展方向,可以为教学和临床提供更多帮助.
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中脑水管处脑脊液循环的计算流体力学分析
目的：：建立脑室系统的三维有限元模型，对脑脊液进行流固耦合流体力学分析。方法：以正常受检者的颅脑 MR 图像为数据源，在 Mimics 14.0中建立包括整个脑室系统的三维数字化模型，再导入到 Ansys 13.0软件中进行有限元模型的建立，并模拟流固耦合条件下中脑导水管处脑脊液的流体力学变化。结果：得到了真实的脑室系统三维数字模型及正常中脑水管的有限元模型，进行有限元计算得出了一系列的可视化流体数据。结论：针对脑脊液物理特性的流固耦合研究更符合实际生理，为脑脊液循环计算流体力学研究提供了比较准确的模拟方法。
