頸動(dòng)脈擾動(dòng)區(qū)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大量研究表明動(dòng)脈粥樣斑塊主要發(fā)生在動(dòng)脈擾動(dòng)區(qū)內(nèi)。擾動(dòng)區(qū)壁面上存在低切應(yīng)力(WSS)、高振蕩剪切因子((OSI)等特征。定量研究擾動(dòng)區(qū)的力學(xué)特征及其引起的壁面細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)對(duì)認(rèn)識(shí)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生機(jī)理具有重要意義。
　　 頸動(dòng)脈擾動(dòng)區(qū)包括動(dòng)脈彎曲、分叉和竇內(nèi)的擾動(dòng)區(qū)。擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的流動(dòng)屬于復(fù)雜流動(dòng)。對(duì)擾動(dòng)區(qū)流場(chǎng)的分析目前都采用數(shù)值模擬方法,但由于缺乏精細(xì)的模擬實(shí)驗(yàn),常使數(shù)值結(jié)果得不到驗(yàn)證。對(duì)擾動(dòng)區(qū)切應(yīng)力與細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)的相關(guān)性研究一般

2、采用平板流動(dòng)腔或臺(tái)階型流動(dòng)腔實(shí)驗(yàn),但兩利流動(dòng)腔都不能模擬三維擾動(dòng)流。
　　 本文用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)頸動(dòng)脈擾動(dòng)區(qū)的力學(xué)特征及其影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,在下述四部分取得了進(jìn)展。
　　 1,研制成功頸動(dòng)脈生理脈動(dòng)流模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要技術(shù)措施包括:用凸輪一柱塞機(jī)構(gòu)產(chǎn)生仿頸總動(dòng)脈生理脈動(dòng)流；用圓管外部折線(xiàn)狀U形槽實(shí)現(xiàn)圓管截面正交方向的速度剖面測(cè)量；在保證動(dòng)力相似條件下完成一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)剖面的系列采樣等。用分辨率較高的

3、無(wú)創(chuàng)測(cè)速技術(shù)PIV對(duì)兩利生理曲率比彎曲圓管模型中的仿生理脈動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量。獲得了不同截面上系列瞬時(shí)速度矢量分布圖。
　　 結(jié)果表明彎曲平面速度剖面的特征是:在心動(dòng)周期的大部分時(shí)段為偏斜的拋物線(xiàn),在收縮期末在內(nèi)壁附近形成范圍較大的負(fù)速度擾動(dòng)區(qū)。垂直平面速度剖面的特征是:在心動(dòng)周期的大部分時(shí)段為鈍形拋物線(xiàn),在收縮期末到重搏波谷為凹度較大M形剖面。
　　 2,用FLUENT軟件對(duì)彎管數(shù)值模型中的仿生理脈動(dòng)流場(chǎng)作數(shù)值模擬。

4、各截面瞬時(shí)速度剖面的計(jì)算結(jié)果獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,說(shuō)明數(shù)值建模、網(wǎng)格化及計(jì)算方法是可行的。其中用Womersley理論將入口生理流量波形變換為三維瞬時(shí)速度剖面是保證模擬成功的關(guān)鍵性步驟。
　　 用兩種實(shí)際的生理流量波形(Bloch波形和Holdsworth波形)作為入口條件,在兩種曲率比生理頸總動(dòng)脈模型中對(duì)流場(chǎng)和壁面擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示與直管相比,彎曲圓管內(nèi)壁的WSS減小、OSI增大,外壁的OSI幾乎為零。擾動(dòng)區(qū)的可能位置

5、在彎管內(nèi)側(cè)離入口方位角12度到17度附近狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)。彎管曲率比和流量波形對(duì)擾動(dòng)區(qū)壁面參數(shù)都有影響,流量波形對(duì)OSI的影響更顯著。
　　 3,創(chuàng)建了新型TF-AHCB流動(dòng)腔。細(xì)胞培養(yǎng)窗直接開(kāi)在具有三維擾動(dòng)流環(huán)境的頸動(dòng)脈竇外壁面擾動(dòng)區(qū)上。在細(xì)胞培養(yǎng)窗曲面上成功培養(yǎng)細(xì)胞后,放入體外模擬流動(dòng)系統(tǒng)中作流動(dòng)培養(yǎng)。曲面上切應(yīng)力分布數(shù)據(jù)由真實(shí)流動(dòng)腔模型中的數(shù)值模擬獲得,曲面上細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)分布數(shù)據(jù)用免疫熒光檢測(cè)法獲得。細(xì)胞生物學(xué)數(shù)據(jù)包括細(xì)胞形態(tài)

6、學(xué)參數(shù)和特異性鈣粘蛋白指標(biāo)。將力學(xué)數(shù)據(jù)與細(xì)胞生物學(xué)數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析后的結(jié)果證實(shí),擾動(dòng)區(qū)細(xì)胞的生物學(xué)指標(biāo)除了與低切應(yīng)力顯著相關(guān)外,還與切應(yīng)力梯度顯著相關(guān)。由于在TF-AHCB流動(dòng)腔細(xì)胞培養(yǎng)窗上的流動(dòng)環(huán)境更接近實(shí)際動(dòng)脈擾動(dòng)區(qū),測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有參考意義。
　　 4,在頸動(dòng)脈分叉模型中用數(shù)值模擬方法綜合考察了不同入口生理流量波形和頸總動(dòng)脈的幾何彎曲對(duì)擾動(dòng)區(qū)的影響。結(jié)果表明二者對(duì)擾動(dòng)區(qū)壁面切應(yīng)力的量值和分布都有影響。動(dòng)脈幾何形狀對(duì)擾動(dòng)區(qū)