本文選題：有限元　切入點：數(shù)值模擬　出處：《河北醫(yī)科大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：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(dǎo)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(xué)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,這說明血流動力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)術(shù)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(xué)方法是我們進行人體動脈血管研究時最重要的工具,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(shù)的重大進步,血液流體力學(xué)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(xué)、醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)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(shù)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(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)雜力學(xué)分析、心臟運動力學(xué)研究、動脈血管中血流動力學(xué)研究、足部關(guān)節(jié)的復(fù)雜力學(xué)分析等。有限元法計算機模擬在醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)研究中具有獨特的優(yōu)勢,可以對復(fù)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(fù)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(xué)和生物學(xué)研究。本文主要闡述了有限元計算機模擬計算在人體動脈血管流體力學(xué)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(shè)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(chǔ),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(xué)特點;2)不同觀測點血流動力學(xué)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(xué)參數(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(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型,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(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果:1 CT采集到的患者冠狀動脈CTA的數(shù)據(jù),以DICOM格式導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。4設(shè)置觀測點,分別為動脈狹窄前近旁(Point 1),動脈狹窄處(Point 2)及動脈狹窄后近旁(Point 3)。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(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(yīng)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(yīng)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(yīng)力在血流動力學(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CTA數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型,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(xué)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:0~49%,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(yīng)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)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(yīng)力(WSS)變化分布圖。5.6頸動脈分叉部觀測點的切應(yīng)力、壓力對比。5.7 0.3s時刻三種血壓狀態(tài)下流速;壁壓力;壁切應(yīng)力的分布圖。5.8 1200Pa壓力狀態(tài)下觀測點壁壓力、壁切應(yīng)力對比圖;1600Pa壓力狀態(tài)下觀測點壁壓力、壁切應(yīng)力對比圖;1900Pa壓力狀態(tài)下觀測點壁壓力、壁切應(yīng)力對比圖。不同壓力下觀測點壁壓力、壁切應(yīng)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(xué)變化,以及各個流體力學(xué)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(dǎo)入MIMICS中建立冠狀動脈三維模型,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(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)7335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。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(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(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患者的病情進展越來越快,為臨床對AS進行早期干預(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),頸動脈竇部及分叉處是受血流動力學(xué)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(yīng)該是AS的好發(fā)部位。這與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)措施的介入斑塊會逐漸變大直至堵塞血管,在斑塊變大的過程中血流動力學(xué)因素扮演了重要的角色,所以了解動脈內(nèi)血流動力學(xué)的特點對于我們研究動脈粥樣硬化和相關(guān)的疾病有著重要的作用。有限元數(shù)值模擬是當前最佳的動脈血流動力學(xué)研究方法,通過熟練使用和深入研究可以得到更多更有意義的參數(shù)和結(jié)論,幫助臨床制定治療原則和方案。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：河北醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R543.5;R318.01

【參考文獻】

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本文編號：1604131