人體動(dòng)脈的計(jì)算流體力學(xué)模擬與分析.pdf

1、動(dòng)脈粥樣硬化是發(fā)生在大動(dòng)脈及中等大小動(dòng)脈的脈管疾病，是西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家廣大人群的主要致死疾病之一。近年來(lái)隨著我國(guó)居民生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的改變，動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致的動(dòng)脈疾病已經(jīng)成為嚴(yán)重威脅人民生命健康的重要原因。動(dòng)脈粥樣硬化斑塊不是隨機(jī)的出現(xiàn)在血管的任意部位,而是表現(xiàn)出明顯的病灶性特征,所以人們認(rèn)為在其發(fā)病早期血液動(dòng)力學(xué)因素扮演了重要角色。大量研究證明，動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生具有高度選擇性，它通常發(fā)生在血管分叉或彎曲角度較大的區(qū)域，這說(shuō)明

2、血流動(dòng)力學(xué)與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。雖然血流動(dòng)力學(xué)的具體作用機(jī)制還不太清楚，但是無(wú)論具體作用機(jī)制如何，動(dòng)脈粥樣硬化一旦形成動(dòng)脈局部出現(xiàn)狹窄，狹窄動(dòng)脈對(duì)于血液的流動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而這種影響又逐漸加重了動(dòng)脈狹窄的程度，所以，血流動(dòng)力學(xué)因素在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中的重要作用已得到學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可。動(dòng)脈粥樣硬化已經(jīng)成為危害人民身體健康的最常見疾病,研究其發(fā)病機(jī)制、病理變化過(guò)程具有重要的意義。血液流體力學(xué)方法是我們進(jìn)行人體動(dòng)脈血管研

3、究時(shí)最重要的工具，臨床和實(shí)驗(yàn)研究的需要要求我們完善并發(fā)展這一方法。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的重大進(jìn)步，血液流體力學(xué)軟件的開發(fā)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算已經(jīng)成為主流的研究方法。有限元法最開始是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法，最近幾年生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科也開始運(yùn)用有限元方法來(lái)解決問(wèn)題。新世紀(jì)以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，眾多有限元軟件的問(wèn)世，有限元法開始被用于更多的醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域如：膝關(guān)節(jié)的立體模型和復(fù)雜力學(xué)分析、髖關(guān)節(jié)的立體模型和復(fù)

4、雜力學(xué)分析、心臟運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究、動(dòng)脈血管中血流動(dòng)力學(xué)研究、足部關(guān)節(jié)的復(fù)雜力學(xué)分析等。
　　有限元法計(jì)算機(jī)模擬在醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)復(fù)雜幾何形狀的研究對(duì)象進(jìn)行精確逼近的模擬，并且可以針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件對(duì)模型進(jìn)行各種載荷和臨界條件的加載，進(jìn)行無(wú)限次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，而不用局限于實(shí)驗(yàn)條件的限制。這是一種高效、高仿真并且價(jià)格低廉的研究方法，非常適用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究。
　　本文主要闡述了有限元計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算在人體

5、動(dòng)脈血管流體力學(xué)研究中的整體過(guò)程，包括研究方法、模型構(gòu)建、研究條件的設(shè)置、結(jié)果分析、臨床意義等，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和模型構(gòu)建進(jìn)行了優(yōu)化，使得研究更貼近生理真實(shí)狀態(tài)，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，為臨床研究提高理論基礎(chǔ)，為后續(xù)研究提供方法。
　　第一部分冠狀動(dòng)脈的線性脈動(dòng)流數(shù)值模擬計(jì)算及分析
　　目的：觀察1)不同狹窄程度左冠狀動(dòng)脈在脈動(dòng)流條件下血液動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)；2)不同觀測(cè)點(diǎn)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的對(duì)比；3)狹窄前段、狹窄處及狹窄后區(qū)域血流動(dòng)力學(xué)參

6、數(shù)變化及對(duì)比。
　　方法：從冠狀動(dòng)脈CTA檢查的患者中挑選符合要求的不同狹窄程度的造影數(shù)據(jù)各一例，將CTA數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動(dòng)脈三維模型，將MIMICS14.0生成的文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic9.0中進(jìn)行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS14.0中進(jìn)行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對(duì)建好的模型進(jìn)行邊界條件加載，運(yùn)算，得到有限元計(jì)算后輸出的各項(xiàng)流體力學(xué)數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　

7、1 CT采集到的患者冠狀動(dòng)脈 CTA的數(shù)據(jù)，以 DICOM格式導(dǎo)入MIMICS14.0中，得出冠狀動(dòng)脈的左前降支三維模型。
　　2 MIMICS14.0生成的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic9.0中，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云處理，多邊形處理和模型生成三個(gè)階段，形成fedb文件。
　　3將fedb文件，導(dǎo)入到有限元軟件ANSYS Workbench14.0中，分別得到左冠狀動(dòng)脈的血液及血管壁的三維模型，然后將血液及血管壁分別進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。<

8、br>　　4設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，分別為動(dòng)脈狹窄前近旁(Point1)，動(dòng)脈狹窄處(Point2)及動(dòng)脈狹窄后近旁(Point3)。得到一系列可視化的計(jì)算流體數(shù)據(jù)，分析狹窄血管不同區(qū)域的流體變化。
　　5Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時(shí)刻的血管腔內(nèi)的流線圖。
　　6Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時(shí)刻的血管腔內(nèi)的流速圖，可以發(fā)現(xiàn)管腔內(nèi)的流速逐漸增加。狹窄前流速較

9、狹窄后流速慢。
　　7Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時(shí)刻的血管腔內(nèi)的壓力圖。狹窄前至狹窄處血管壓力快速下降，且隨著狹窄程度的增加，壓力變化梯度也增加。狹窄后部可能存在回流區(qū)。
　　8Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時(shí)刻的血管壁的切應(yīng)力圖，狹窄處壁面切應(yīng)力最高，且隨著狹窄程度的增加，切應(yīng)力變化梯度增加。狹窄處后部壁面切應(yīng)力較低。
　　9Ⅰ°-Ⅳ°狹

10、窄冠狀動(dòng)脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時(shí)刻的血管壁的管壁位移。
　　10Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈觀測(cè)點(diǎn)的壓力變化。
　　11Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈觀測(cè)點(diǎn)的切應(yīng)力變化。
　　12Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈在狹窄前段、狹窄段縮窄區(qū)、狹窄段擴(kuò)張區(qū)的壁壓力變化對(duì)比。
　　13Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動(dòng)脈在狹窄前段、狹窄段縮窄區(qū)、狹窄段擴(kuò)張區(qū)的切應(yīng)力變化對(duì)比。
　　14狹窄冠狀動(dòng)脈狹窄處橫斷位顯示壁壓力和流速對(duì)

11、比。
　　15狹窄冠狀動(dòng)脈狹窄后區(qū)域橫斷位顯示壁壓力和流速對(duì)比。
　　16狹窄冠狀動(dòng)脈縱剖面顯示壁壓力和流速對(duì)比。
　　第二部分頸動(dòng)脈分叉彈性管壁脈動(dòng)流流固耦合有限元分析
　　目的：觀察1)幾何形態(tài)和切應(yīng)力在血流動(dòng)力學(xué)中的作用；2)不同血壓狀態(tài)下切應(yīng)力的變化，以及血管壁的形變變化。3)探討切應(yīng)力在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中扮演的角色。
　　方法：從頸動(dòng)脈CTA檢查的患者中挑選符合要求的正常血管造影數(shù)據(jù)一例，將

12、CTA數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動(dòng)脈三維模型，將
　　MIMICS14.0生成的文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic9.0中進(jìn)行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS14.0中進(jìn)行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對(duì)建好的模型進(jìn)行邊界條件加載，運(yùn)算，得到有限元計(jì)算后輸出的各項(xiàng)流體力學(xué)數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　1測(cè)量獲得正常頸動(dòng)脈分叉部的數(shù)據(jù):男性28例，女性22例，年齡26～75歲，平均年齡53.13

13、歲，左側(cè)26例，右側(cè)24例，頸總動(dòng)脈分叉前3cm處直徑范圍約為5.5～9.0mm，頸總動(dòng)脈分叉處直徑范圍約為5.6～9.8mm，頸內(nèi)動(dòng)脈距分叉3cm處直徑范圍約為4.8～9.4mm。
　　測(cè)量獲得狹窄頸動(dòng)脈分叉部的數(shù)據(jù):男性32例，女性18例，年齡30～79歲，平均年齡58.7歲，左側(cè)28例，右側(cè)22例，狹窄部位分布如下：頸總動(dòng)脈8例，頸總動(dòng)脈分叉處17例，頸內(nèi)動(dòng)脈近端13例，頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段12例。按照NASCET狹窄分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：0

14、～49％，50%～69%，70%～99%，輕度狹窄的24例，中度狹窄的18例，重度狹窄的8例。存在鈣化的19例，軟斑塊的18例，混合性斑塊的13例。
　　2得到了正常頸動(dòng)脈分叉部三維模型。
　　頸動(dòng)脈分叉部的三維模型是基于CTA圖像建立的，所以在MIMICS中經(jīng)過(guò)閾值提取得到的其實(shí)是血管內(nèi)充盈的血液的數(shù)據(jù)，并不是血管模型，我們還需要應(yīng)用MIMICS14.0軟件中一個(gè)特殊的功能在血液三維模型的外面包裹一層外皮，再將兩個(gè)模型數(shù)據(jù)

15、相減就得到了血管的初始模型，血管壁厚度數(shù)據(jù)來(lái)自CTA圖像測(cè)量，其平均值為0.5mm，這樣的模型更合理，更符合生理實(shí)際。
　　3得到了血管的最終的三維模型，生成的三角形數(shù)為：2468個(gè)。
　　4得到了血管的有限元模型，立體網(wǎng)格劃分后的模型。
　　頸總動(dòng)脈血管模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)164398個(gè)，單元總數(shù)94746個(gè)。血流模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)58635個(gè)，單元總數(shù)152018個(gè)。
　　5有限元計(jì)算數(shù)據(jù)
　　5.1正常頸動(dòng)脈分叉部

16、不同時(shí)間點(diǎn)的血流流線分布圖。
　　5.2正常頸動(dòng)脈分叉部不同時(shí)間點(diǎn)的血管壁形變分布圖。
　　5.3正常頸動(dòng)脈分叉部不同時(shí)間點(diǎn)的血管壁壓力變化分布圖。
　　5.4正常頸動(dòng)脈分叉部不同時(shí)間點(diǎn)的血流流速矢量變化分布圖。
　　5.5正常頸動(dòng)脈分叉部不同時(shí)間點(diǎn)的血管壁切應(yīng)力（WSS）變化分布圖。
　　5.6頸動(dòng)脈分叉部觀測(cè)點(diǎn)的切應(yīng)力、壓力對(duì)比。
　　5.70.3s時(shí)刻三種血壓狀態(tài)下流速；壁壓力；壁切應(yīng)力的分布圖

17、。
　　5.81200Pa壓力狀態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)壁壓力、壁切應(yīng)力對(duì)比圖；1600Pa壓力狀態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)壁壓力、壁切應(yīng)力對(duì)比圖；1900Pa壓力狀態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)壁壓力、壁切應(yīng)力對(duì)比圖。不同壓力下觀測(cè)點(diǎn)壁壓力、壁切應(yīng)力對(duì)比列表。
　　5.9頸動(dòng)脈竇部及分叉處的流速橫斷位對(duì)比圖。
　　5.10頸動(dòng)脈分叉部的流速縱剖面對(duì)比圖。
　　第三部分局部狹窄股動(dòng)脈的線性脈動(dòng)流數(shù)值模擬計(jì)算及分析
　　目的：觀察下肢動(dòng)脈狹窄部血液動(dòng)力學(xué)變化

18、，以及各個(gè)流體力學(xué)參數(shù)在動(dòng)脈粥樣硬化形成和發(fā)展中的作用。
　　方法：從下肢動(dòng)脈局部狹窄CTA檢查的患者中挑選符合要求的血管造影數(shù)據(jù)一例，將CTA數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動(dòng)脈三維模型，將MIMICS14.0生成的文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic9.0中進(jìn)行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS14.0中進(jìn)行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對(duì)建好的模型進(jìn)行邊界條件加載，運(yùn)算，得到有限元計(jì)算后輸出的各項(xiàng)流體力

19、學(xué)數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　1利用CTA掃描數(shù)據(jù)在MIMICS14.0軟件中經(jīng)過(guò)蒙皮、分割、及后期的光滑處理，得到了局部狹窄血管充盈像的三維模型。
　　2經(jīng)過(guò)Geomagic9.0軟件處理后我們得到了血管的最終的三維模型，生成的三角形數(shù)為：局部狹窄血管為2644個(gè)。
　　3利用 ANSYS workbench得到了血管的有限元模型，然后再用 ANSYS icem CFD進(jìn)行立體的網(wǎng)格劃分。得到狹窄血管模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)7

20、335個(gè)，單元總數(shù)43415個(gè)。
　　4有限元計(jì)算。
　　通過(guò)ANSYS11.0 CFX的運(yùn)算，我們得到了一系列的圖表，從這些圖表中我們發(fā)現(xiàn)：
　　4.1遠(yuǎn)離狹窄處的正常段血管的血流流線分布均勻，流速變化不大，表現(xiàn)為層流，管中央的血液流速最大，越貼近管壁，流速越小。
　　4.2遠(yuǎn)離狹窄處的正常段血管中血管壁的壓力從入口側(cè)向出口側(cè)依次均勻減低。
　　4.3血管狹窄處流線密集且分布欠均勻，血液流速增加。

21、　　4.4狹窄處前后方出現(xiàn)流速減低區(qū)。
　　4.5狹窄處及近旁血管壓力快速下降，形成加大的壓力變化梯度。
　　4.6在狹窄處流速明顯增加，在高速血流的沖擊下血管內(nèi)皮細(xì)胞受到損傷。
　　4.7狹窄處切應(yīng)力明顯增高，且同平面切應(yīng)力分布不均勻；狹窄后區(qū)域切應(yīng)力急劇減低，存在明顯的壓力梯度。
　　4.8狹窄后區(qū)域流動(dòng)比較紊亂，存在一部分回流，使得粥樣斑塊后肩部產(chǎn)生漩渦，這將會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，而該區(qū)域流速明顯減低會(huì)增

22、加粒子滯留時(shí)間，加速AS的發(fā)展。
　　結(jié)論：狹窄冠狀動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)變化與AS的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系。血管狹窄程度越高，血流動(dòng)力學(xué)因素在AS中所起到的作用越重要， AS的發(fā)展越快，這也就可以解釋為什么AS患者的病情進(jìn)展越來(lái)越快，為臨床對(duì)AS進(jìn)行早期干預(yù)提供了理論基礎(chǔ)。
　　血管的幾何形態(tài)、高血壓等都與AS的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，頸動(dòng)脈竇部及分叉處是受血流動(dòng)力學(xué)影響最大的部位，根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，這些區(qū)域也應(yīng)該是AS的好發(fā)部位。這與

23、我們觀察的臨床病例相符，也可以解釋高血壓患者為何更容易受到AS的侵害。
　　血管的幾何形態(tài)與AS的發(fā)生發(fā)展有密切的關(guān)系，血管變窄處更容易形成動(dòng)脈粥樣硬化斑塊,在粥樣斑塊形成后,如果沒有干預(yù)措施的介入斑塊會(huì)逐漸變大直至堵塞血管,在斑塊變大的過(guò)程中血流動(dòng)力學(xué)因素扮演了重要的角色,所以了解動(dòng)脈內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)對(duì)于我們研究動(dòng)脈粥樣硬化和相關(guān)的疾病有著重要的作用。
　　有限元數(shù)值模擬是當(dāng)前最佳的動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)研究方法,通過(guò)熟練使用和