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具不同狭窄-吻合口位置关系的冠状动脉搭桥术的血流动力学仿真分析
目的 通过有限元仿真探索带有辅助搭桥血管模式的冠状动脉搭桥术中,辅助搭桥管吻合口与冠状动脉狭窄处之间的距离对该吻合口及其下游区域的血流动力学影响,为带有辅助搭桥管的新型冠状动脉搭桥术的临床应用提供理论指导.方法 利用有限元分析方法,假定血液为不可压缩牛顿流体,建立3种搭桥血管模型,其冠状动脉上吻合口和狭窄的距离分别为0.0045 m、0.006 m和0.009 m.通过仿真结果考察不同模型中的血流速度、壁面切应力等参数的变化.结果 吻合口与狭窄处之间的距离不同,冠状动脉血管内的血流动力学参数也不相同.速度方面,心动周期0.09 s时刻L1.5模型中吻合口足跟处轴向截面的大速度约为0.54 m/s,同时刻L2和L3模型中其大速度分别为0.45 m/s和0.37 m/s.壁丽切应力方面,0.09 s时刻,L1.5模型中吻合口对应面的血管壁上其流动停滞点距离吻合口足跟仅为0.0024 m,同时刻L2和L3模型中其流动停滞点距离足跟处分别为0.0039 m和0.0068 m,长度明显增加.其他时刻流动停滞点分布有相同趋势.结论 在实施冠状动脉搭桥术时,吻合口与狭窄处之间保持较大的距离,有利于改善吻合口处的血流动力学环境,降低吻合口处发生再狭窄的可能性.
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左主干分叉病变严重程度的血流动力学功能性评价
目的 无保护左主干分叉病变的治疗方式选择很大程度上依赖于病变的严重程度.SYNTAX评分是基于冠脉造影图像对冠脉病变严重程度进行评价的方法,是一种完全解剖学的评价,缺少功能性的分析.本文以总灌注量作为判断病变严重程度的参考量,从血流动力学的角度对不同类型分叉病变严重程度做出评价.方法 采用患者三维模型(three-dimensional,3D)耦合个性化的集中参数模型(lumped parameter model,LPM,0D)对不同的分叉病变进行多尺度数值仿真计算,提取不同分支的流量、分叉区域的壁面切应力(wall shear stress,WSS)、壁面切应力振荡指数(oscillatory shear index,OSI)3个血流动力学参数,通过对比这些参数,从血流动力学的角度对不同类型分叉病变严重程度做出分析.结果 分支(回旋支)是否病变对总灌注量是有影响的,当分支存在病变时,总灌注量会降低,与SYNTAX评分中对分叉病变严重程度的分类是一致的.从恶化风险(WSS,OSI)来看,当左主干存在狭窄时,分叉区域平均WSS相对比较大,OSI并没有呈现出一定的规律.结论 分支存在狭窄的左主干分叉病变比分支不存在狭窄的病变总灌注量更小,心肌缺血程度更严重,狭窄进一步恶化并无明显差异.
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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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股动脉双路搭桥的血流动力学仿真
在传统股动脉搭桥术中,由于下游缝合区采用"端对侧"的"单路搭桥"缝合方式,移植管中血流会对缝合区底面产生很大冲击,引起局部血流动力学急剧变化,并可能因此而导致血管再狭窄和手术失败.由于缝合区几何结构的不对称必然导致流场的不均匀,本研究提出了"对称双路搭桥"的构想以图改善血流动力学.本研究对"单路"和"对称双路"两种连接模型中的血液流动进行了数值模拟.两种模型利用相同的几何参数进行建模,并采用了相同的边界条件.数值模拟结果包括流场、壁面切应力及其梯度等血流动力学参数.研究表明,"对称双路"模型比"单路"模型具有较大的纵向速度、较小的二次流、较均匀的壁面切应力等.因此,"对称双路"搭桥模型具有更好的血流动力学,可以减少股动脉搭桥术后内膜增生和再狭窄的可能性.
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增强型体外反搏对早期动脉粥样硬化斑块局部应力环境影响的实验与仿真研究
采用动物实验与数值仿真相结合的方法,研究增强型体外反搏(EECP)对发生早期粥样硬化斑块动脉的局部应力水平的影响,评价临床中该疗法增加粥样硬化斑块失稳的风险.首先以3.5月龄左右雄性猪2头为实验体,进行反搏前后状态的基础血流动力学在体测量,反搏压介于0.025 ～0.04MPa;进而建立血流动力学数值仿真模型,模拟斑块出现及生长过程中,EECP对其局部应力水平及应力震荡特性的影响.模拟计算结果显示,EECP使动脉的应力水平及应力震荡特性均有显著增加;早期小规模斑块的存在令局部应力水平进一步提升,但将降低应力的震荡水平.EECP使两实验体的动脉内压峰值水平高提升10.62％及16.18％,此时若动脉存在斑块(H=0.2D),其局部壁面切应力(WSS)峰值水平将分别提高135.54％及235.71％,震荡剪切指数(OSI)达到0.083及0.069.由于反搏产生的高舒张压明显提升了斑块的局部应力水平,同时反搏的“双脉冲”作用模式使动脉的OSI水平大幅增加,我们推测其慢性作用可能会促进斑块本身疲劳的进程,从而对斑块的稳定性产生不利影响;但EECP对心动周期里壁面切应力水平的提升可能对斑块本身的发展具有抑制作用.
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颈动脉血管壁切应力的分析
动脉中管壁的脉动低切应力在动脉粥样硬化形成中起始动和主要的决定作用.本文比较了几种计算血管壁切应力的方法,认为采用有约束的弹性管模型计算获得的动脉壁切应力更适合于临床应用.根据检测得到的正常人和动脉硬化性脑血管病患者的颈动脉血流速度、血管管径等数据,计算两者的颈动脉壁面切应力.研究发现动脉硬化性脑血管病患者的壁面切应力比正常人显著减小.这表明,颈动脉的壁面切应力可以作为动脉硬化性脑血管疾病的早期诊断的重要参考指标.
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基于病例研究冠状动脉扭曲对血流动力学的影响
目的 探讨扭曲冠状动脉血流动力学的改变,从而阐明扭曲对冠状动脉血流灌注和壁面切应力(wall shear stress,WSS)的影响.方法 选取冠状动脉左前降支(left anteriαr descending,LAD)扭曲和无扭曲两例个体病例,在Mimics软件中重建出LAD扭曲和无扭曲血管模型,并将模型导入ANSYS Fluent软件中进行血流动力学模拟计算,比较两种不同LAD模型的血流动力学情况.结果 扭曲的冠状动脉在大曲率大于1 mm-1的弯曲处WSS下降较为明显,这种情况可能导致下游供血不足;弯曲外侧具有较低WSS(0～ 26 Pa),而弯曲内侧WSS相对较高(＞ 100 Pa);无扭曲和扭曲血管WSS均值分别为10.79、36.12 Pa,相比于无扭曲血管,扭曲血管整体WSS增高.结论 扭曲冠状动脉整体WSS增高,从而可能延缓冠状动脉粥样硬化的进展.
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腹主动脉瘤中定常流动的三维数值模拟
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.结论流动和壁面切应力分布反应动脉瘤出口处为破裂的危险区域.
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不对称入口速度剖面对颈动脉分叉模型不定常流场和壁面切应力的影响
目的 研究不对称入口速度剖面对动脉粥样硬化易发部位壁面切应力的影响.方法 建立颈动脉TF-AHCB数值模型,设置不对称速度剖面入口条件,用CFD作数值模拟.计算不同时相、不同入口条件下的颈动脉窦流场和壁面切应力分布,分析与动脉粥样硬化有关的流场特征和切应力特征.结果 入口速度剖面偏斜可以增加颈动脉窦壁面低切应力区面积,提高切应力梯度.结论 不对称入口速度剖面可能是诱发动脉粥样硬化发生的一个危险因子.
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弯曲圆管入口段定常流动的三维数值模拟
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.
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自发性高血压大鼠颈总动脉的平均壁面切应力和周向应力
目的 确定自发性高血压大鼠(SHR)颈总动脉的平均壁面切应力(WSS)和周向应力(CS),并与同龄正常血压大鼠(WKY)相对比,观察SHR和WKY大鼠颈总动脉平均WSS和CS的特征.方法 选取12周龄SHR作为动物模型,同龄WKY为对照组;通过在体测定颈总动脉的平均血流量与平均血压,离体测量颈总动脉的无载荷状态形态学数据,以及在体轴向伸长比条件下颈总动脉段的压力(p)-容积(V)关系,确定颈总动脉平均WSS和CS;同时比较SHR和WKY颈总动脉的平均血压和血流量、无载荷和载荷状态几何尺寸以及平均WSS和CS的特征.结果 与正常血压的WKY组相比,SHR组颈总动脉血压明显增高、流量明显降低;无载荷和载荷状态下SHR组动脉的内外半径均增大,载荷状态下 SHR组动脉壁厚减小;SHR颈总动脉平均WSS明显降低,而CS明显增高.结论 高血压和低流量引起了SHR颈总动脉重建;低WSS和高CS是SHR颈总动脉血液动力学参数的重要特征;WSS和CS的协同作用可能是反映动脉重建的敏感指标之一.
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S形动脉中的血流动力学研究
目的探索动脉直径大小对S形动脉血流动力学的影响.方法利用数值模拟方法,对具有不同直径的大小两种S形动脉模型在相同的边界条件下的血流动力学时空分布进行了分析.结果在大S形动脉中的二次流比小S形动脉中的要复杂;在弯曲动脉的内弯区存在较强的涡流;弯曲动脉中的压力和壁面切应力变化很剧烈,特别是在大模型中.结论S形弯曲动脉中的血流呈现复杂回流、二次流、压力和壁面切应力剧烈变化等特性,这些都可能影响到动脉内皮的功能及内膜增生.在利用人造或自体血管修复旁路狭窄动脉的手术中,应尽量避免采用S形动脉模型.
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静脉移植桥血管中血液振荡流的速度和切应力
静脉移植术中被移植到动脉环境下的静脉桥血管的重建问题一直受到人们的广泛关注.手术后在动脉高压环境下,静脉血管段扩张;而在吻合口处则容易由于缝线或者外科损伤引起的急性凝血形成局部的僵硬和狭窄.这都引发血液流动情况异常,使血管所处的力学环境发生特异性变化.力学因素中影响血管重建的主要是粘性血液流动所引起的壁面切应力和血管壁所承受的周向张应力.桥血管中切应力分布的信息对血管病理学研究十分必要.由于至今很难直接检测活体血管壁上的切应力分布,因而本文致力于建立力学模型,用可以无创伤检测的力学参量(近心端动脉血管轴心处的轴向流速波形和管壁径向位移波形、血管壁的几何方程)来获取血管内壁上切应力分布的数值结果.
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不同入口流量波形对颈动脉分叉壁面切应力的影响
目的 研究不同颈总动脉生理流量波波形对颈动脉分叉壁面切应力的影响.方法 建立颈动脉分叉TF-AHCB数值模型.用Womersley方法 求解Bloch和Holdsworth两种经典的血液流量波形的速度分布,并作为人口条件用CFD软件计算分叉管内流场和壁面切应力分布.结果 两种波形在颈动脉分叉根部外侧壁形成的低切应力区相仿,但具有较低重搏波波谷的Holdsworth波形使局部振荡剪切因子明显增大.Holdsworth波形产生的振荡剪切因子是Bloch波形产生的1.75倍,局部高值可达0.49.结论 在对动脉分叉管血流动力学数值或实验模拟中,正确设定入口流量波形和速度剖面条件是重要的.
关键词： TF-AHCB模型 Womersley解 数值模拟 壁面切应力 振荡剪切因子 -
维医沙疗下股动脉双向流固耦合脉动血流动力学研究
目的 研究流固耦合作用下室内维医沙疗对人体股动脉血流动力学的影响,探讨维医沙疗对动脉粥样硬化成因的作用机制及对血管破裂的影响.方法 在室内维医沙疗实验中对年轻健康受试者进行维医沙疗研究,对受试者心率、股动脉血流速度峰值及内径作统计学分析;重构人体股动脉三维流固耦合模型,将正弦函数作为初始条件,用Fluent软件分别对沙疗前后血液流动作非定场双向流固耦合模拟,分析维医沙疗对股动脉壁面切应力及yon Mises等效应力的影响.结果 维医沙疗前后受试者心率平均值分别为(76.32±11.40)次/min、(92.69±16.09)次/rain,差异有统计学意义(P＜0.05);沙疗前后股动脉血流雷诺数分别为1855.35、2518.43;沙疗对股动脉壁面切应力及yon Mises等效应力增高的影响较为明显.结论 维医沙疗可增大股动脉血流雷诺数,改善人体股动脉血液流动状态,但沙疗后股动脉血流方式由层流变为紊流,很可能会导致血管瘤,因此对血管内壁较薄弱人群要控制埋沙时间、埋沙厚度及温度.维医沙疗可增高壁面切应力,对预防动脉壁增厚引起的动脉粥样硬化及血栓形成有一定的积极作用.维医沙疗后von Mises等效应力明显增加可加大股动脉在分叉部分破裂可能,沙疗时需谨慎.
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切应力在血流动力学因素影响颅内动脉瘤形成和破裂中的作用
颅内动脉瘤是颅内动脉管壁病理性局限性扩张产生的脑血管瘤样突起,位居脑血管疾病病因的第3位,是造成蛛网膜下腔出血的首位病因.颅内动脉瘤的发生、发展和破裂受多种因素影响,其病理机制尚不十分明确.近年来,随着计算机模拟重建、流体力学等诊断技术的不断进步,越来越多的研究表明,血流动力学因素在动脉瘤的形成、生长及破裂过程中起着重要作用.其中,切应力被认为起主导作用.本文通过回顾近年来国内外关于血流动力学的文献,就切应力在血流动力学因素影响颅内动脉瘤发病机制中的作用展开综述.
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异常血流动力对 TLR4／NF-κB 信号传导通路及其下游炎症因子的影响
目的研究异常血流应力或压力单独作用对人脐静脉内皮细胞（Human umbilical vein endothelial cells ，HU－VECs）Toll 样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）／NF-κB 信号传导通路及下游炎症因子：血凝素样氧化低密度脂蛋白受体-1（lectin-like oxidized low-density lipoprotein receptor-1，LOX-1）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、细胞间粘附分子-1（ICAM-1）及血管细胞粘附分子-1（VCAM-1）等的影响，探讨异常血流动力导致动脉粥样硬化的机制。方法将生长良好的 HUVECs以1×105个／ml 密度接种于细胞综合应力刺激实验系统（型号 BIO-CCS13）中进行干预。将 HUVECs 按所受的应力不同分成应力组、压力组和正常组。在各组应力作用下培养一天后收集细胞备用，用 qPCR 方法测定 TLR4、髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）、肿瘤坏死因子受体相关因子-6（tumor necrosis factor receptor-associated factor-6，TRAF-6）、血凝素样氧化低密度酯蛋白受体-1（LOX-1）、核因子-κB（NF-κB）、TNF-α、ICAM-1及 VCAM-1因子的基因表达，用蛋白质印迹方法测定 TLR4、NF-κB 、LOX-1、TNF-α、ICAM-1及 VCAM-1因子的蛋白表达。结果与正常组比较，应力组和压力组 TLR4、MyD88、TRAF-6、LOX-1、NF-κB 、TNF-α、ICAM-1及 VCAM-1mRNA 表达水平显著升高（ P ＜0.01）， TLR4、LOX-1、NF-κB 、TNF-α、ICAM-1及 VCAM-1蛋白表达显著升高，差异有统计学意义（ P ＜0.01）。结论异常血流动力导致动脉粥样硬化的机制可能与激活 TLR4／NF-κB 信号传导通路和增强下游炎症因子：LOX-1、TNF-α、ICAM-1及VCAM-1等的表达有关。
关键词： Toll 样受体 4 壁面压力 张应力 壁面切应力 动脉粥样硬化 -
支架植入颅内动脉瘤治疗效果的数值模拟研究
研究不同结构形状的血管支架用于治疗颅内动脉瘤后对血流动力学的影响.针对同一个体化颅内动脉瘤模型,设计了三种网丝截面相同、通透率近似相等、结构形状不同的支架.将这三种支架植入颅内动脉瘤模型,进行双向流固耦合数值模拟,分析血流速度、壁面切应力的变化情况.三种支架中,螺旋型支架对动脉瘤瘤腔内的血流旋涡改善效果佳,对动脉瘤瘤颈和瘤顶部分较高的壁面切应力削弱也明显;周期型支架的柔顺性优于其余两种类型的支架.螺旋型支架植入颅内动脉瘤的治疗效果佳,但不适合几何形状复杂的血管,本研究也可为进一步优化支架结构提供依据.
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带子瘤颅内动脉瘤的壁面切应力分析
目的 探讨带子瘤颅内动脉瘤的壁面切应力(WSS)特点.方法 结合数字减影血管造影(DSA)三维图像,采用计算流体力学(CFD) 有限元方法的软件,对7例带子瘤的颅内动脉瘤行血流动力学数值模拟,对其WSS进行分析,并与临床资料作对比分析.结果 心动周期内,每例患者子瘤处的WSS明显低于母瘤(P＜0.01).相对于其他时刻,T=0.2 s时,动脉瘤WSS高(P＜0.05) .结论 子瘤的WSS明显低,容易破裂.
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冠状动脉狭窄对血管血流动力学的影响
目的 运用计算流体动力学技术,模拟冠状动脉不同狭窄程度的血流动力学变化,探索冠状动脉血流动力学变化和血流分布与冠状动脉不同狭窄病变的关系.方法 以正常人右冠状动脉CT图像数据为基础,重建冠状动脉几何模型,人工建立狭窄程度分别为0％(正常)、30％(轻度狭窄)、60％(中度狭窄)和90％(重度狭窄)的4种血管模型,并分别构建血管血流动力学模型,后分别进行数值模拟,分析比较4种血管模型血流动力学的差别.结果 通过比较4种血管模型的血流动力学数值模拟可发现,随着冠状动脉狭窄程度增加,狭窄远心端血流涡旋愈加明显,狭窄处血流速度以及狭窄前血管壁面压力(WP)逐渐增加,而狭窄远心端WP逐渐下降;狭窄处壁面切应力(WSS)分布一直处于高值,并且当血管狭窄程度达到中重度狭窄,狭窄远心端血管可见明显的高WSS区域,而狭窄远心端血管其他区域呈现低WSS;狭窄前后血管血流速度以及血流分布也发生了改变.结论 在CT图像上,可能能较准确重建出冠状动脉血流动力学模型,并模拟出不同狭窄程度冠状动脉模型.中重度冠状动脉狭窄远心端血流动力学表现为明显的血流涡旋以及高WSS区域,这种血流动力学变化可能会加重血管动脉粥样硬化,从而进一步加重血管狭窄.
