传输性负载效应影响动脉瘤形成与破裂的血流动力学模型研究

发布时间：2018-03-17 01:04

本文选题：血流动力学模型　切入点：传输性负载　出处：《北京工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,随着人民对心血管疾病关注度的提高,血流动力学逐渐发展为生物力学学科中一个热门的研究方向。对于动脉瘤等疾病,以CT和MRI为基础的个性化血流动力学研究为病理分析和临床诊治提供了重要的判断依据。为了给这些血流动力学研究提供理论基础和参考依据,并为分析心血管疾病的复杂成因提供数值模拟的平台,并必须构建一个更加完备的血流动力学模型。从人体结构出发,心脏是动力源,各级血管是输运管道,而毛细血管是系统的负载。血管内流动中存在强烈的流固耦合效应,并且不同生理结构之间也存在相互影响。为了构建一个能够完整展现人体血管内流动现象的力学模型,需要对这些因素的性质及其之间的耦合效应进行深入研究,并将其有机的结合在一起。因此,本文着眼于动脉血管内流动的力学描述方法,基于流体力学的基本理论,通过计算流体动力学的方法,对生理参数条件下有负载流固耦合管道的基本性质进行了深入研究。通过这些研究,提出了一套人体动脉血管血流动力学模型的构建方法,并构建了一个人体循环系统模型。最后通过这个模型,对胸主动脉瘤和腹主动脉瘤进行了研究,定性的分析了其产生的内在机理。本文的主要研究内容及其创新性如下:(1)研究采用ALE方法和Darcy渗流模型构建了一个流体-固体-传输性负载三因素耦合的模型。通过大量数值模拟研究,证明了流体-固体-传输性负载之间存在复杂的耦合关系。(2)针对不同的管壁弹性模量,对弹性的管道壁影响流场的基本形式进行了深入研究。验证了在生理参数条件下,血管内压力的振幅受到压力波波速的影响。而压力波的传播决定了流场内压力的时空分布。并对压力波和反射波传播和叠加的基本形式进行了研究,解释了压力-时间分布形式的内在机理。(3)对传输性负载影响流场的基本形式进行了讨论和研究。通过数值模拟,发现流场存在一个临界负载状态。通过进一步的研究,说明这个临界阻尼会随着管壁弹性模量和流场的周期发生变化。这说明管道的能量输运特性影响了流场流动。(4)基于压力波的传播性质,提出了基于时间分布形式的流场相似参数Pf和基于空间几何变形的相似参数Psc,并通过数值模拟对这两个相似参数进行了验证和讨论。基于对传输性负载的研究,从能量的角度分析了流场内各结构储存、释放、消耗入口输入的能量的过程。并通过能量守恒的思想,建立了一套确定流场负载参数的反推方法,并通过数值模拟算例对其进行了验证。最后在这两部分基本理论的基础上,构建了一个考虑各级人体血管相互影响和微循环负载效应的血流动力学模型,及复杂血管系统的等效简化方法。并通过该方法构建了人体循环系统模型,通过数值模拟的方法,验证了模型的合理性和可靠性。(5)以人体循环循环模型为基础,对动脉瘤的形成机理进行了研究。在对胸主动脉瘤的研究中,发现降主动脉血管壁软化会降低此处的血压和Von.Mises应力,但是也会降低壁面剪切应力,从而增加动脉粥样硬化的风险。对腹主动脉瘤的研究中,发现了当股动脉等下游分支动脉出现硬化时,会降低腹主动脉附近的壁面剪切力,提高血压和管壁的Von.Mises应力,从而提高动脉粥样硬化和腹主动脉瘤的风险。
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【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R54;O35

【参考文献】