人體動脈的計算流體力學模擬與分析.pdf

1、動脈粥樣硬化是發(fā)生在大動脈及中等大小動脈的脈管疾病，是西方主要發(fā)達國家廣大人群的主要致死疾病之一。近年來隨著我國居民生活水平的提高和飲食結(jié)構(gòu)的改變，動脈粥樣硬化導致的動脈疾病已經(jīng)成為嚴重威脅人民生命健康的重要原因。動脈粥樣硬化斑塊不是隨機的出現(xiàn)在血管的任意部位,而是表現(xiàn)出明顯的病灶性特征,所以人們認為在其發(fā)病早期血液動力學因素扮演了重要角色。大量研究證明，動脈粥樣硬化的發(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，這說明

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

3、究時最重要的工具，臨床和實驗研究的需要要求我們完善并發(fā)展這一方法。
　　隨著計算機技術的重大進步，血液流體力學軟件的開發(fā)得到了長足的進步，計算機模擬計算已經(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)值計算方法，最近幾年生物力學、醫(yī)學等交叉學科也開始運用有限元方法來解決問題。新世紀以來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，眾多有限元軟件的問世，有限元法開始被用于更多的醫(yī)學研究領域如：膝關節(jié)的立體模型和復雜力學分析、髖關節(jié)的立體模型和復

4、雜力學分析、心臟運動力學研究、動脈血管中血流動力學研究、足部關節(jié)的復雜力學分析等。
　　有限元法計算機模擬在醫(yī)學和生物力學研究中具有獨特的優(yōu)勢，可以對復雜幾何形狀的研究對象進行精確逼近的模擬，并且可以針對不同的實驗環(huán)境和條件對模型進行各種載荷和臨界條件的加載，進行無限次的反復實驗，而不用局限于實驗條件的限制。這是一種高效、高仿真并且價格低廉的研究方法，非常適用于醫(yī)學和生物學研究。
　　本文主要闡述了有限元計算機模擬計算在人體

5、動脈血管流體力學研究中的整體過程，包括研究方法、模型構(gòu)建、研究條件的設置、結(jié)果分析、臨床意義等，并對實驗方法和模型構(gòu)建進行了優(yōu)化，使得研究更貼近生理真實狀態(tài)，提高實驗結(jié)果的有效性，為臨床研究提高理論基礎，為后續(xù)研究提供方法。
　　第一部分冠狀動脈的線性脈動流數(shù)值模擬計算及分析
　　目的：觀察1)不同狹窄程度左冠狀動脈在脈動流條件下血液動力學特點；2)不同觀測點血流動力學參數(shù)的對比；3)狹窄前段、狹窄處及狹窄后區(qū)域血流動力學參

6、數(shù)變化及對比。
　　方法：從冠狀動脈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)導入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型，將MIMICS14.0生成的文件導入逆向工程軟件Geomagic9.0中進行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導入ANSYS14.0中進行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對建好的模型進行邊界條件加載，運算，得到有限元計算后輸出的各項流體力學數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　

7、1 CT采集到的患者冠狀動脈 CTA的數(shù)據(jù)，以 DICOM格式導入MIMICS14.0中，得出冠狀動脈的左前降支三維模型。
　　2 MIMICS14.0生成的三維模型數(shù)據(jù)導入Geomagic9.0中，經(jīng)過點云處理，多邊形處理和模型生成三個階段，形成fedb文件。
　　3將fedb文件，導入到有限元軟件ANSYS Workbench14.0中，分別得到左冠狀動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行了網(wǎng)格劃分。<

8、br>　　4設置觀測點，分別為動脈狹窄前近旁(Point1)，動脈狹窄處(Point2)及動脈狹窄后近旁(Point3)。得到一系列可視化的計算流體數(shù)據(jù)，分析狹窄血管不同區(qū)域的流體變化。
　　5Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時刻的血管腔內(nèi)的流線圖。
　　6Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時刻的血管腔內(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°狹窄冠狀動脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時刻的血管腔內(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°狹窄冠狀動脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時刻的血管壁的切應力圖，狹窄處壁面切應力最高，且隨著狹窄程度的增加，切應力變化梯度增加。狹窄處后部壁面切應力較低。
　　9Ⅰ°-Ⅳ°狹

10、窄冠狀動脈0.15s、0.25s、0.35s、0.45s時刻的血管壁的管壁位移。
　　10Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈觀測點的壓力變化。
　　11Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈觀測點的切應力變化。
　　12Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈在狹窄前段、狹窄段縮窄區(qū)、狹窄段擴張區(qū)的壁壓力變化對比。
　　13Ⅰ°-Ⅳ°狹窄冠狀動脈在狹窄前段、狹窄段縮窄區(qū)、狹窄段擴張區(qū)的切應力變化對比。
　　14狹窄冠狀動脈狹窄處橫斷位顯示壁壓力和流速對

11、比。
　　15狹窄冠狀動脈狹窄后區(qū)域橫斷位顯示壁壓力和流速對比。
　　16狹窄冠狀動脈縱剖面顯示壁壓力和流速對比。
　　第二部分頸動脈分叉彈性管壁脈動流流固耦合有限元分析
　　目的：觀察1)幾何形態(tài)和切應力在血流動力學中的作用；2)不同血壓狀態(tài)下切應力的變化，以及血管壁的形變變化。3)探討切應力在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展中扮演的角色。
　　方法：從頸動脈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)導入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型，將
　　MIMICS14.0生成的文件導入逆向工程軟件Geomagic9.0中進行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導入ANSYS14.0中進行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對建好的模型進行邊界條件加載，運算，得到有限元計算后輸出的各項流體力學數(shù)據(jù)。
　　結(jié)果：
　　1測量獲得正常頸動脈分叉部的數(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，頸總動脈分叉前3cm處直徑范圍約為5.5～9.0mm，頸總動脈分叉處直徑范圍約為5.6～9.8mm，頸內(nèi)動脈距分叉3cm處直徑范圍約為4.8～9.4mm。
　　測量獲得狹窄頸動脈分叉部的數(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：頸總動脈8例，頸總動脈分叉處17例，頸內(nèi)動脈近端13例，頸內(nèi)動脈顱內(nèi)段12例。按照NASCET狹窄分級標準：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得到了正常頸動脈分叉部三維模型。
　　頸動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)過閾值提取得到的其實是血管內(nèi)充盈的血液的數(shù)據(jù)，并不是血管模型，我們還需要應用MIMICS14.0軟件中一個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)來自CTA圖像測量，其平均值為0.5mm，這樣的模型更合理，更符合生理實際。
　　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。
　　4得到了血管的有限元模型，立體網(wǎng)格劃分后的模型。
　　頸總動脈血管模型節(jié)點總數(shù)164398個，單元總數(shù)94746個。血流模型節(jié)點總數(shù)58635個，單元總數(shù)152018個。
　　5有限元計算數(shù)據(jù)
　　5.1正常頸動脈分叉部

16、不同時間點的血流流線分布圖。
　　5.2正常頸動脈分叉部不同時間點的血管壁形變分布圖。
　　5.3正常頸動脈分叉部不同時間點的血管壁壓力變化分布圖。
　　5.4正常頸動脈分叉部不同時間點的血流流速矢量變化分布圖。
　　5.5正常頸動脈分叉部不同時間點的血管壁切應力（WSS）變化分布圖。
　　5.6頸動脈分叉部觀測點的切應力、壓力對比。
　　5.70.3s時刻三種血壓狀態(tài)下流速；壁壓力；壁切應力的分布圖

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

18、，以及各個流體力學參數(shù)在動脈粥樣硬化形成和發(fā)展中的作用。
　　方法：從下肢動脈局部狹窄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)導入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型，將MIMICS14.0生成的文件導入逆向工程軟件Geomagic9.0中進行模型優(yōu)化，然后再將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導入ANSYS14.0中進行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中對建好的模型進行邊界條件加載，運算，得到有限元計算后輸出的各項流體力

19、學數(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。
　　3利用 ANSYS workbench得到了血管的有限元模型，然后再用 ANSYS icem CFD進行立體的網(wǎng)格劃分。得到狹窄血管模型節(jié)點總數(shù)7

20、335個，單元總數(shù)43415個。
　　4有限元計算。
　　通過ANSYS11.0 CFX的運算，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)皮細胞受到損傷。
　　4.7狹窄處切應力明顯增高，且同平面切應力分布不均勻；狹窄后區(qū)域切應力急劇減低，存在明顯的壓力梯度。
　　4.8狹窄后區(qū)域流動比較紊亂，存在一部分回流，使得粥樣斑塊后肩部產(chǎn)生漩渦，這將會嚴重損傷血管內(nèi)皮細胞，而該區(qū)域流速明顯減低會增

22、加粒子滯留時間，加速AS的發(fā)展。
　　結(jié)論：狹窄冠狀動脈的血流動力學變化與AS的發(fā)生發(fā)展有著密切的關系。血管狹窄程度越高，血流動力學因素在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患者的病情進展越來越快，為臨床對AS進行早期干預提供了理論基礎。
　　血管的幾何形態(tài)、高血壓等都與AS的發(fā)生發(fā)展有關，頸動脈竇部及分叉處是受血流動力學影響最大的部位，根據(jù)前人的研究經(jīng)驗，這些區(qū)域也應該是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)展有密切的關系，血管變窄處更容易形成動脈粥樣硬化斑塊,在粥樣斑塊形成后,如果沒有干預措施的介入斑塊會逐漸變大直至堵塞血管,在斑塊變大的過程中血流動力學因素扮演了重要的角色,所以了解動脈內(nèi)血流動力學的特點對于我們研究動脈粥樣硬化和相關的疾病有著重要的作用。
　　有限元數(shù)值模擬是當前最佳的動脈血流動力學研究方法,通過熟練使用和