关键词：
动脉粥样硬化
血流动力学
流固耦合
壁面切应力
医学影像
摘要：
动脉血管病是死亡人数最多的疾病,也是人类现阶段最重大的医疗与健康挑战。仅从医学和临床研究角度不能解释病变发生位置的特异性,必须结合血流流动特性才能完整阐述的动脉病变机理。同时仅仅从治疗角度理解动脉病变已不能满足现代人类健康的需要,需要从多维角度研究动脉病变及演变机理,从而使得积极预防措施和精准治疗方案成为可能。本文根据人体动脉血管医学影像,基于流固耦合的力学研究方法对动脉粥样硬化机理进行了研究,通过流体力学分析与动态仿真的方法,建立动脉血管血液输运特性力学模型,分析动脉血流在血管结构与病变进程影响下的流体特性,揭示病变的发生和发展机理。主要研究内容与研究成果如下:1.对动脉血液流动过程建立数学描述。基于局部血管结构特征及内部血液流体特性进行力学分析,分析流体特性变化对动脉粥样硬化的作用机理,并进一步考虑内部流动分离等特征,揭示易发生动脉粥样硬化部位的流体特性与病变影响。研究发现,临床中易发生病变的血管狭窄部位和分叉部位处都会产生明显的流动分离区,区域中的流速和切应力水平较低,形成了适宜病变发生的流体力学环境。2.探讨基于医学影像成像技术的动脉血管流固耦合建模方法及内部流动特性。建立基于血管结构与血液参数对血液流场特性影响的量化分析模型,探讨血流动力学因素对血管病变的致病机理,并对病变过程进行研究与评估。建立了基于CT影像数据基础上的三维流固耦合模型,采用弹性模型对动脉内的血流动力学特性进行描述,并推导出了基于任意拉格朗日-欧拉方法的离散方程。基于流固耦合数值方法对通过医学数据逆向重构的模型进行仿真模拟验证了数学分析结论,证明了拉格朗日-欧拉法在连续时间内动态仿真上的可行性。3.应用基于流固耦合的数值模拟方法研究血管的基础几何结构对血液流动特性的影响。分析并比较了发生病变前后狭窄血管、分叉血管内血液的流体特性,及其对动脉病变的影响,并提出了可用于临床检测研究的血流动力学指标。研究发现,在心动周期内由于血管狭窄和分叉造成的血流二次流区域内会一直保持低流速和低切应力的状态,导致病变诱因易在此处的血管内膜组织上粘附和沉淀。通过对比不同病变程度的动脉血管血流流动特性发现,病变进程会加速病变发展,使病变部位的病灶特性更明显。4.基于医学影像对冠状动脉的左旋支进行几何重构,采用双向流固耦合的方法模拟心动周期内冠状动脉中的血流流动,分析流动特性,研究病变发生部位与病变发展趋势,建立可辅助应用于医学终端的力学研究方法。利用在局部动脉结构验证的模拟方法对冠状动脉进行模拟,建立了在真实血管系统中对血流流动特性在动脉病变中的作用机制分析方法,为数值模拟在医学终端检查中的应用提供了实验数据,奠定了理论基础。5.将血流特性分析方法与现阶段的临床检测方法对比,研究了基于流固耦合数值模拟的血流动力学分析法在临床检测方面的应用,揭示血流特性分析法的临床应用价值,为本文研究成果的实际应用奠定了探明了方向。
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