（人体解剖与组织胚胎学专业论文）下肢动脉狭窄的计算流体力学模拟与分析.pdf

中英研 综致个 中文摘要 下肢动脉狭窄的计算流体力学模拟与分析 摘要 目的：近年来，随着我国居民生活水平的提高和饮食结构的变化，下 肢动脉硬化闭塞症的发病率呈逐年升高的趋势，并已成为危害人民健康的 主要疾病之一。对下肢动脉疾病发病机制的研究由来已久，动脉粥样硬化、 血栓形成等是其最主要的致病因素，它们与血管内血液的流动变化有着密 切关系。 本研究的主要目的就是对由于下肢动脉粥样斑块引起的血管狭窄进 行血液动力学的计算流体力学模拟及分析，构建下肢动脉粥样硬化的血流 动力学模型，再利用计算流体力学的方法，来研究动脉内血液流动的问题， 并对计算结果进行可视化分析。 材料与方法：选取典型下肢动脉狭窄患者一名，男性，4 8 岁，1 7 2 c m ， 7 1 k g 。使用g e 公司的1 6 排螺旋c t ，非离子型造影剂采用加拿大生产的 安射力碘佛醇注射液( 每1 0 0 m l 含3 5 9 碘佛醇) ，扫描范围自腹主动脉分 叉处至踝关节，得到5 2 0 幅1 2 5 m m 层厚的二维c t 图像，将c t 扫描数 据以d i c o m 格式存入到可读写光盘中。 本实验用到的软件包括m i m i c s1 4 0 、g e o m a g i c 9 0 、a n s y s11 0 。 将d i c o m 文件导入m i m i c s l 4 0 软件，对原始图像进行蒙皮、阈值 分割、光滑等步骤，生成所需的直血管局部有粥样斑块的三维立体模型， 此时生成的立体模型是实心的管道，然后再用一个m i i m i c s l 4 0 中特有的 功能，生成空心的管道。再以点云的形式输入逆向工程软件g e o m a g i c 9 0 中，进行光滑处理生成实体模型，以i g e s 格式导入到有限元分析软件 a n s y s l l 0 中去。利用a n s y s l l 0 中的w o r k b e n c h 得到血管的有限元模 型。 利用a n s y s1 1 o 中的i c e mc f d 模块进行立体网格划分，生成下一 步流体力学分析模块可以识别的网格数据。最后利用c f x 模块进行流体 力学的条件加载，假设血管为刚性管道，无形变，血流为匀速定常流，实 验流体为血液。入口速度为o 5 6 ms 1 1 ，求解得到血管模型的血液流速 变化图、压力变化图及血流流线图。 结果：1 得到了真实的下肢动脉血管的三维有限元分析模型，在此模 中文摘要 型上我们可以进行所需的各种流体力学实验，可以反复使用，方便、可靠。 2 得到了血管局部狭窄模型的血液流动变化的可视化图形，便于分析和讨 论。 结论：通过计算流体力学模拟我们发现：1 血液流动在管腔无局部狭 英文摘要 c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h e l o w e rl i m ba r t e r ys t e n o s i s a b s t r a c t o b je c t i v e ：i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d so ft h e r e s i d e n t sa n dt h el i f e s t y l ea n dd i e t a r ys t r u c t u r ec h a n g e di no u rc o u n t r y , t h e m o r b i d i t yo ft h e1 0 w e rl i m ba r t e r i o s c l e r o s i so b l i t e r a n si si n c r e a s i n gy e a rb y y e a r , a n dh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tm a i ns e r i o u sd i s e a s e s w h i c hi sh a r m f u l t oh e a l t h i ti sac o m m o na i l m e n ti nm i d d l e a g e da n do l dm e n t h es t u d yo n t h ep a t h o g e n e s i so ft h el o w e re x t r e m i t i e sa r t e r yd i s e a s eh a se x i s t e df o ral o n g t i m e ，a t h e r o s c l e r o s i sa n dt h r o m b o s i s ，e t ca r et h em a i np a t h o g e n i cf a c t o r s ，t h e y h a v ec l o s er e l a t i o nt ot h ec h a n g eo fe n d o v a s c u l a rb l o o df l o w i nt h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c hf o c u so nt h eh e m a ls t r i c t u r ec a u s e db yt h e l o w e r1 i m b sa t h e r o m a t o u s p l a q u e a n d a n a l y z e t h e h e m o d y n a m i c so f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，b u i l d i n gt h em o d e lo fl o w e rl i m b sm a i na r t e r y a n da r t e r i o s c l e r o s i so b l i t e r a n sa n da n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fb l o o di nt h ea r t e r y ，u s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s m e t h o d ，t os t u d yt h ep r o b l e mo ft h ea r t e r yb l o o df l o w , a n dt h ev i s u a l i z a t i o no f t h ea n a l y s i sr e s u l t s m a t e r i a l sa n dm e t h o d s ：s e l e c tat y p i c a lp a t i e n t ，m a l e ，4 8y e a r so l d ，17 2 c m ， a n d71k g u s eg e m u l t i p l i e ss p i r a lc t , n o n i o n i cc o n t r a s tm e d i ai n je c t i o n ( i o v e r 0 1 ) i sf r o mc a n a d a ，( 10 0m lc o n t a i n i n g35 9i o v e r s 0 1 ) ，p o s t p r o c e s s o r s o f v v v a r ei n c l u d e sm i m i c s14 0 ，g e o m a g i c 9 0 ，a n s y s11 0 s c a n n i n g r a n g e f r o mt h ea b d o m i n a la o r t ab i f u r c a t i o nt ot h ea n k l e ，g e t5 2 01 2 5 m mt h i c k n e s s t w o - d i m e n s i o n a lc ti m a g e ；t h ec ts c a nd a t aw a ss t o r e di n t ot h er e a d w r i t e c d r o mi nd i c o mf i l e s t h ed i c o mf i l e sw e r ei m p o r t e di nm i m i c s14 0 t h e3 db l o o d v e s s e l m o d e lw a sg e n e r a t e df r o ms k i n n i n gt h eo r i g i n a l i m a g ea f t e rt h r e s h o l d i n g ， r e g i o ng r o w i n ga n ds m o o t h i n g t h e n ，w eg e tt h e3 - d m o d e lo ft h es t r a i g h t v e s s e l ，w h i c hh a sa t h e r m a n o u sp l a q u e s ，b u tt h e3 - d m o d e li sas o l i dp i p e l i n e ， t h e n ，w em u s tm a k e ah o l l o w p i p e l i n ew i t h a p a r t i c u l a r f u n c t i o no f 英文摘要 m i m i c s14 0 n e x t ，t h e s ef i l e sw e r ei m p o r t e di ng e o m a g i c 9 0t og e te n t i t y m o d e l s w h i c hw e r es a v e da si g e sf i l e s t h eg e o m a g i c 9 0i sak i n do f s o f t w a r et h a tt r a n s f o r m3 ds c a nd a t ai n t oa c c u r a t ed i g i t a lm o d e l s t h e n i g e sf i l e sw e r ei m p o r t e di n t ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sl1 0 ， u s i n gt h ef l u i dd y n a m i c sa n a l y s i sm o d u l ef r o ma n s y s l1 0w o r k b e n c ht og e t v a s c u l a rf i n i t ee l e m e n tm o d e l u s i n gt h ea n s y s l1 0i c e m c f dm o d u l et og e tt h e3 一dm e s h i n g ，t h ed a t ac a n b eu s e di nt h en e x tf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i s f i n a l l yu s i n gt h ec f xm o d u l e st o l o a dt h e b o u n d a r yp h y s i t s ，h y p o t h e s i s t h ev e s s e li s r i g i d p i p e ， n o n s h a p e - t r a n s f o r m a t i o n ，s t e a d yf l o w , b l o o df l u i d i n l e tv e l o c i t yf o r0 4 m s - l 】。a tl a s t ，w eg e tt h ei m a g e so ff l o wv e l o c i t yv a r i a t i o n s ，p r e s s u r e v a r i a t i o n sa n db l o o df l o wp a t h r e s u l t s ：1 g e t t i n gar e a l3 一df i n i t ee l e m e n t m o d e lo fl o w e rl i m ba r t e r y , w e c a nm a k ea 1 1k i n d so ff l u i dd y n a m i c se x p e r i m e n t so nt h i sm o d e l ，a n dc a nb e u s e dr e p e a t e d l y , c o n v e n i e n t l ya n dr e l i a b l y 2 g e t t i n gt h ev i s u a lg r a p h i ct ot h em o d e lo fa r t e r yw i t hl o c a ls t e n o s i s ， w h i c hc a nb ea n a l y z e da n dd i s c u s s e de a s i l y c o n c l u s i o n ：t h r o u g ht h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o nw e f o u n dt h a t li nt h en o r m a la r t e r yt h eb l o o df l o wp e r f o r m a n c eo fl a m i n a rf l o w , t h e s p e e di sd i f f e r e n tb e t w e e nv a r yl a m i n a r , a n dt h ec l o s e rn e a rt h ei n n e ro f t h ed u c t ，t h ef a s t e rt h eb l o o df l o w 21 1 1 ev e l o c i t yi n c r e a s e di nt h el o c a ls t e n o s i sp l a c e w ec a nf e n das l o w d o w na r e ai nt h ed i s t a le n d a n dp r o x i m a lp a r to ft h es t e n o s i ss i t e k e yw o r d s ：h e m o d y n a m i c ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v i r t u a lr e a l i t y ：3 - df i n i t e e l e m e n t ；l o w e rl i m ba r t e r i o s c l e r o s i so b l i t e r a n s 4 研究论文 下肢动脉狭窄的计算流体力学模拟和分析 刖舌 近年来，随着人口老龄化的发展和人民生活水平的提高，以动脉粥样 硬化闭塞症( a t h e r o s c l e r o s i so b l i t e r a n s ，a s o )为主的缺血性疾病发病率 在我国呈逐年提高的趋势，特别是中老年人多见，已成为危害大众健康的 重要疾病之一。该病以下肢动脉硬化闭塞为主要表现，其中约3 0 发生 在髂动脉，7 0 位于股、胭及以远端动脉，单纯小腿动脉发生病变者仅占 15 t 1 1 。临床上主要表现为间歇性跛行、静息痛、坏疽，危重者甚至可危 及生命。下肢动脉是为其走行区中所有组织提供血液营养的生命线，由于 各种原因造成的下肢动脉狭窄及闭塞都会造成下肢组织的缺血，甚至出现 坏死，造成严重的后果。 动脉粥样硬化是造成动脉狭窄甚至闭塞的最主要原因，关于动脉粥样 硬化的发病机理，很多学者做过大量的研究，目前认为可能的原因有内皮 功能障碍、炎症反应、组织因子细胞凋亡等【2 】，还有的学者认为粥样斑块 形成可能是由于血管内局部高速血流所致的壁面切应力变化使动脉壁内 皮渗透性增加而受损，导致内皮细胞从基膜上脱落，血小板聚集在裸露的 基膜上、进一步发展可导致动脉硬化甚至血栓形成【3 ，4 1 ，另外还有研究表 明，动脉粥样硬化早期好发于血管的复杂流动区，而这些复杂流动区全部 是由于动脉的分叉、弯曲及局部狭窄等所引起的【5 】，此处血流状态复杂易 导致粥样斑块形成，进而形成血栓阻塞血管，造成肢体缺血坏死。在动脉 血栓的发生、发展过程中，血栓形成处的血液动力学发生了重要的变化， 认识和研究这种变化对于该疾病的预防和治疗有着至关重要的作用。 一直以来关于动脉血液动力学的研究都是生物力学研究的热点，但是 动脉血液动力学试验受到诸多因素的制约，首先通常采用的硅胶玻璃模型 不容易制备且相当昂贵，其次不容易找到与血液流变特性相近的工作介 质，另外，从这种试验模型中所得到的流体力学数据太少，只限于压力和 速度等，而更为复杂的数据，如速度矢量、壁面剪应力、流线等是得不到 的【6 】o 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是一种在工程力学中广泛应 研究论文 用的数学物理方法。它可以在计算机中模拟并解决工程中的各种力、热、 电磁学、流体等物理场问题，并且其虚拟的模型可以反复的修改和使用， 对于工程力学有着巨大的帮助。有限元研究开始于上世纪5 0 年代中期， 主要用于分析飞机结构的问题。此后三维有限元法得到了蓬勃发展，研究 范围不仅仅局限于航空航天、飞机轮船等大型交通工具制造业，开始在建 筑、化工、家电等制造业中得到快速发展，在工科领域中得到了广泛应用 和推广。生物力学研究一直以来都在被实验模型的制备所困扰，究其原因 主要是由于动物或人体试验模型制备困难，比如：肌肉、韧带、血管等组 织基本上无法得到有试验价值的模型，虽然骨骼类模型容易制备，但是又 无法反复使用且成本昂贵。近年来随着计算机技术的发展和成熟，有人将 有限元法引入到生物力学领域，开始采用有限元软件进行生物力学模拟， 这是一个伟大的创举，使得生物力学的研究获得了巨大的发展，也为血液 动力学的生物力学研究和发展提供了广阔的空间和平台。 1 9 6 9 年，f r i e n d e n b e r g 首次将有限元法引入到医学领域。荷兰的 b r e k e l m a n s 等人1 9 7 2 年将有限元分析法引入生物力学领域，到现在为止 3 0 多年的时间，有限元法在生物力学研究中的应用己取得了长足的发展。 有限元模型已由二维扩展至三维，由线性模型扩展至非线性模型。1 9 7 3 年t h r e s h e r 和f a r 出【7 】几乎同时将其应用于口腔医学领域，现已成为口腔生 物力学研究中最重要的科研方法；1 9 7 4 年b e l y t s c h k o t 8 】首先将有限元法应 用于脊柱力学研究，建立了二维椎间盘模型，1 9 7 5 年有了三维有限元模 型报道，用于建立椎体的三维模型【9 】，9 0 年代后期开始有学者将其用于 颈椎的模型建立及力学分析【1 0 1 。随着计算机技术的不断发展，有限元法开 始应用于更多的医学领域如：膝关节【1 1 1 、髋关节【l2 1 、心脏血液动力学研 究【1 3 】、动脉血管研究1 4 1 、足部研究【1 5 】、血管脉动流研究等。 本实验采取有限元生物仿真学研究办法，选择一名典型患者作为研究 对象，通过c t 血管成像扫描( c t a ) ，得到下肢动脉c t 扫描数据。将数 据导入m i m i c s l 4 0 软件中生成三维可视化模型。再将m i m i c s l 4 0 生成 的三维可视化模型导入逆向工程软件g e o m a g i c 9 0 生成i g e s 文件。将生 成的i g e s 文件导入a n s y s l l 0 软件中，建立所需的下肢动脉有限元模 型，然后设定好边界条件和载荷后进行有限元计算，得到模拟真实血管的 血液流动数据，为下肢动脉硬化闭塞症的临床研究提供一定的理论依据。 研究论文 材料与方法 1 数据采集 选取一名典型的一侧股动脉近端局部狭窄患者，男性，4 8 岁，1 7 2 c m ， 7 1 k g 。通过了解其病史判断其可能有一侧下肢大动脉( 股动脉或胭动脉) 狭窄，对其进行双侧下肢动脉c t a 检查，以明确诊断。以病变侧血管和 其对侧正常血管为研究对象进行建模。 1 1 主要设备和药品 1 1 11 6 排螺旋c t ( g em e d i c a ls y s t e m s l i g h ts p e e d1 6 ，由石家 庄市中医院影像科提供) 。 1 1 2 工作站：c p u 2 4 g h z x 2 ，内存：2 g b ，显卡：q u a d r af x 5 4 0 02 5 6 m b ， l i n u x 操作系统。 1 1 3 高压注射器：河北科技大学科技总公司生产的单筒医用高压注射 器。 1 1 4 显影剂：使用非离子型造影剂1 0 0 m l ，加拿大生产的安射力牌碘佛 醇注射液( 每1 0 0 m l 含3 5 9 碘佛醇) 。 1 1 5 采集数据方法：患者首先进行碘过敏实验，确定过敏试验阴性后再 进行扫描。取仰卧位、足先进方式，将高压注射器装好药剂后在患者右侧 肘静脉处进行注射，注射速度为3 5 m l s ，约3 0 s 注射完毕。注射药剂开 始后2 0 秒进行扫描，扫秒时间约为2 5 s 。扫描范围包括腹主动脉末端至 踝关节约10 5 c m ，扫描参数为：1 2 0 k - v ，3 6 m a ，螺旋层厚0 6 9 9 m m ，床进 速度o 7 0 7 m m s 。最终得到5 2 0 幅二维扫描断层图像，分辨率为5 1 2 x 5 1 2 像素。c t 扫描数据以d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si n m e d i c i n e ) 格式存储到可读写光盘。 2 三维建模及有限元分析 2 1 应用软件：医用图像与三维重建软件m i m i c s l 4 0 ( m a t e r i a l i z e s 公司， 比利时) ；逆向工程软件g e o m a g i c 9 0 ( r a i n d r o p 公司，美国) ；有限元分 析软件a n s y s11 0 ( a n s y s 公司，美国) 。 2 2 工作站：c p u ：2 9 g h z x 2 ，内存：2 g b ，显卡：q u a d r af x5 4 0 02 5 6 m b ， w i n d o w s 操作系统 3m i m i c s l 4 0 建模 研究论文 3 1 数据导入m i m c s 将c t 扫描后得到的d i c o m 数据文件导入m i m c s 软件中，先将方 向定义好：如r j g h t 、l e f t 、p o s t e r i o r 、a n t e r i o r 、t o p 和b o t t o m ，然后点击 m a s k 按钮软件将根据导入的c t 断层图像自动生成冠状面和矢状面图像 ( 图1 ) 。 3 2 生成三维血管模型 3 2 1 生成血管蒙皮 利用软件自带的阈值调整工具( t h r e s h o l d ) 提取轮廓。在这里应该注 意阈值的调整，阈值下区间不能设置得太低，否则会提取许多噪点；反之， 阈值下区间设置得过高，将会丢失我们需要的血管数据。然后通过观察横 断图像，将我们需要的轮廓调节到清晰合适的程度，界定阈值大约在1 2 0 1 4 5 0 h u ，形成血管蒙皮( m a s k ) ，将血管以彩色与其它组织明显地区分 开来( 图1 2 ) 。 3 2 2 初步生成血管的整体3 d 模型 本实验需要两个血管模型，1 ) 局部狭窄处近、远端血管长约1 0 c m ， 2 ) 患者对侧相应的正常股动脉约1 0 c m 。采用手动分割法提取所需血管 m a s k ，在此基础上，利用m i m i c s l 4 0 自带的3 d 生成( c a l c u l a t e3 d ) 功 能，生成原始的血管3 d 模型( 图3 6 ) 。此时得到的模型其实应该是血管 内充盈的血液，我们再使用m i m i c s l 4 0 软件中一个特有的功能，在已经 得到的充盈血液三维模型的外边包裹一层血管壁，壁厚为我们在c t 图像 上测量得到的血管壁厚度平均值约为o 8 m m ，然后再将管壁内的血液模型 去掉，这样就得到了血管的简易三维模型( 图7 - 9 ) 。 3 2 3 对血管模型进行后处理 如果不做进一步的修饰，生成的血管3 d 模型图像粗糙，毛刺多，内 部有虚孔。这样的模型对于有限元研究来说无法使用。为了模型的准确和 以后有限元分析的顺利进行，必须进行后处理。 利用选择性编辑( e d i tm a s k s ) 去除毛刺使分割得到的模型表面光滑， 去除冗余的数据，便于带入到有限元软件中进行模型的制作及计算。在这 里需特别认真仔细，三维建模的好坏直接影响到后续有限元分析能否正常 进行并得到准确的结果( 图5 、6 ) 。 3 3 数据的导出 研究论文 将m i m i c s l 4 0 处理好的血管3 d 模型进行格式转换，转为能为 g e o m a g i c 9 0 软件所识别的三维图形格式输出并保存。 4g e o m a g i c 9 0 实体模型构建 将m i m i c s l 4 0 生成的三维图形文件导入逆向工程软件g e o m a g i c 9 0 进行剪辑处理。经过点云处理( p o i n tp h a s e ) 、多边形处理( p o l y g o np h a s e ) 、 成形处理( s h a p ep h a s e ) 最终生成能被a n s y s 所识别的i g e s 文件。具 体操作过程如下： 4 1 导入模型 将m i m i c s1 4 0 生成的三维模型数据导入到逆向工程软件g e o m a g i c 9 0 中。 4 2 点云处理阶段时的操作 对输入的点云数据进行相关处理，清除掉由于m i m i c s l 4 0 操作失误 或不当造成的混杂数据，去除模型上的零散点、死点及噪声，最后得到干 净的点云文件。将干净的点云文件利用g e o m a g i c 9 0 自带的p o l y g o np h a s e 工具生成三角片进入多边形阶段。这时建立的模型是表面模型而不是实体 模型，还不能直接导入a n s y s 进行模型处理及运算。 4 3 多边形处理阶段模型的处理 在多边形处理阶段，运用孔填充( f i l lh o l e s ) 、光顺( r e l a x ，s m o o t h ) 等操作对三角面片模型进行编辑，构建实体模型。此阶段将处理好的三角 面片模型经过s h a p ep h a s e 计算生成实体模型进入成形阶段。 4 4 成形阶段的模型处理 模型的成形处理是构建模型的关键环节。最后将生成的实体模型转化 为能被a n s y s l 0 0 所识别的i g e s 格式并存储。 5a n s y s l1 0 中有限元模型的形成及分析 把g e o m a g i c 9 0 里生成的实体模型i g e s 文件，导入到有限元分析软 件a n s y s l l 0 中，再经过网格划分，单元设定，材质属性赋予等处理就 得到了有限元模型，然后设定各种边界条件，在a n s y sc f x 中运算。 5 1 导入模型 将g e o m a g i c 9 0 里生成的实体模型，导入到有限元分析软件a n s y s 11 0 w o r k b e n c h 中，进行下一步有限元模型建立。 5 2 有限元模型建立 研究论文 a n s y sw o r k b e n c h 是a n s y s 软件最新一代的分析和应用平台，较上 一代a n s y s ，它给我们提供了统一的开发和管理c a e 信息的工作环境， 提高了高级功能的易用性【1 7 1 。a n s y sw o r k b e n c h 包括c a e 建模工具 ( d e s i g nm o d e l e r 、) 分析工具( d e s i g ns i m u l a t i o n ) 、优化分析工具( d e s i g n x p l o r e r ) 。a n s y sw o r k b e n c h 还提供了不同环境相互操作和控制信息传递 的流程，并且能够方便的切换到经典a n s y s 环境。它具有w i n d o w s 风格 的友好界面、与c a d 的双向接口功能、新一代的参数化建模工具和领先 的优化技术，代表了c a e 的发展方向，将c a e 的易用性提高到了一个新 的程度【1 7 1 。 我们利用a n s y sw o r k b e n c h 进行有限元的三维模型处理，并进行初 步的网格划分，得到下一步所需的模型数据。 5 3 设置网格参数，划分网格 在a n s y si c e mc f d 中进行初步的网格划分。 单击m e s h 选项卡，为该模型划分网格。由于该模型的形状属于不规 则类型，所以我们采用非结构化网格划分实现复杂边界区域的离散化。 导出m e s h 文件，选择输出( o u t p u t ) ，系统会询问是否存盘，选择“是”， 并选择a s c i i 格式，然后输入相应的文件名。 在a n s y sw o r k b e n c h 的启动页面选择( o p e nas i m u l a t i o nd a t ab a s e ) 打开一个新的项目，并浏览到刚导出的m e s h 文件，创建一个新的分析项 目。 修正网格边界。在导入的m e s h 的位置用右键选择e d i t ，调节网格单 位，并设置网格边界条件，所生成的网格最好为近似的等边三角形，这样 的网格有利于后期计算和处理，最后得到网格化的g t m 模型。 6 将网格划分好的有限元模型导入到c f x 中，设置边界条件、流体 性质及施加载荷见( 表2 、3 ) 。经过前处理( c f x p r e ) ，求解( c f x s o l v e r ) ， 结果及后处理( c f x - p o s t ) ，在c f x 中进行有限元流体力学计算，得到最后 数据。 。 研究论文 结果 1 利用c t 扫描数据在m i m i c s l 4 0 软件中经过蒙皮、分割、及后期的光 滑处理，得到了原始的正常血管充盈像( 图5 ) 及局部狭窄血管充盈像( 图6 ) 的三维模型。 这两个三维模型是在c t 血管造影的基础上建立的，所以我们得到的 其实并不是血管的模型，而是血管内充盈的血液的三维模型。那么，如何 得到血管的三维模型呢? 在这里，我们使用m i m i c s l 4 0 软件中一个特殊 的功能，具体功能就是在已经得到的三维模型的外面包裹一层外皮见( 图 7 8 ) ，然后再将其内部的三维模型去掉，这样就得到了血管的简易三维模 型，这个模型的壁是没有厚度的见( 图9 - 1 0 ) 。为了更加贴近真实的血管， 我们利用在c t 图像上测得的血管壁厚度平均值o 8 m m ，将这一数值代入 三维模型就有了接近于人体实际血管的三维模型( 图1 1 1 4 ) 。 所获得的血管三维模型与实际患者的血管外形、粗细、结构一致，并 且可以随意旋转，任意角度观看，进行各种数据测量。甚至可在三维模型 上将血管剖开观察其剖面结构。 这种通过三维重建来观察解剖结构的方法不但可以为临床诊断提供 直观可靠的解剖资料，而且还可以为今后的虚拟手术及有限元研究打下良 好的基础，另外还可以应用于解剖教学，丰富教学的形式和资源。 2 经过g e o m a g i c 9 0 软件处理我们得到了血管的最终的三维模型，生成的 三角形数分别为：正常血管1 6 6 8 个、局部狭窄血管为2 6 4 4 个( 图1 5 1 6 ) 。 3 利用a n s y sw o r k b e n c h 得到了血管的有限元模型，然后再用a n s y s i c e mc f d 进行立体的网格划分( 图1 9 、2 6 ) 。 由于本文所研究的下肢动脉粥样硬化局部狭窄的三维模型，是空间三 维非对称的，从几何形状上来说比较复杂，因此在网格划分上无法得到特 别规范的均匀网格，网格划分过程中，如果遇到狭窄，保持原有规范的网 格形状也有困难，所以本文采用了智能型的网格。这种网格划分模式在遇 到形状突变时，能自动按照合理的划分方法自动加密，以获得更加理想的 网格单元。 为了重点研究动脉粥样硬化所造成的狭窄部位的血流情况，在网格划 分时这些部位的网格进行了加密，以便提高这里的计算的精度。得到狭窄 研究论文 血管模型节点总数7 3 3 5 个，单元总数4 3 4 1 5 个；正常血管模型节点总数 1 0 7 4 7 ，单元总数为2 3 9 4 5 ( 表1 ) ，狭窄血管单元数明显大于正常血管， 这是由于狭窄血管进行了网格加密处理。 4a n s y sc f x 中进行条件加载。 条件加载为，流体性质：血液、其具体条件见( 表3 ) ；流体的属性：层 流；管道性质：刚性管道；流体性质为脉动流；入口速度为o 5 6 ms 1 1 ， 出口速度为0 ( 表2 ) 。 实验流体：以往的血液动力学研究中的流体大都是将其假设为理想流 体，这样可以简化实验的难度和计算量。众所周知，血液是一种具有红细 胞、白细胞，血小板等多种有形颗粒的悬浮液，虽然大量实验己经证明， 在血管直径比红细胞大得多的血管中，血液流动呈现出牛顿流体的特征， 但是，简化处理还是会偏离生理实际情况。所以为了更贴近现实，在本实 验研究中将实验流体设定为血液，这也是本研究的创新点之一。 层流：有大量的研究表明：正常情况下，人体循环系统中的血液流动主 要表现为层流，只在肺动脉瓣、主动脉瓣的开口处，由于它们直径较大， 而且血流也比较快，有可能在心脏射血的减速阶段出现局部湍流。流体在 管道内流动时，压力变化值p 与流量q 之间的关系可以用下图中的函数 曲线来表示。当流量较低时，血管内流动呈现层流状态，a p 与流量q 之 间呈线性关系；当流量q 达到一定的数值后，a p 与流量q 之间的曲线出 现弯曲，斜率变小，这就意味着流体的流动出现湍流，这时同样的流量q ， 就要求更高的p 。对于某些病理情况，例如血管局部狭窄使当地局部血 流速度显著增大，也有可能使血管内出现局部湍流。 研究论文 管内流动的压力差一流量关系 t h ec u r v eo fp r e s s u r ed i f f e r e n c e f l o wi nt h et u b e 刚性管壁：血管壁是富有弹性，其直径会随着血压的上升而扩大，血 管内的血液流动情况不仅取决于血液压力变化而且还与血管壁的弹性特 性有关。但是对于中小血管来说，血管壁的这种弹性扩张量很小，可以忽 略不计，其管壁可近似认为是刚性的，特别是对于中老年人的硬化血管来 说，其血管壁增厚，血管的弹性更小。所以本文在研究中为了简化运算将 血管假设为刚性管道。 流体性质：在以往的血液流体力学分析中经常将流体性质假设为定常 流，这样可以简化运算。在人体的动脉系统中，相当大一部分血管内( 如 大、中动脉等) 的流动是脉动的，速度随时间变化而变化。因此，这个定 常流假定严格来说只适用于较小的血管，其内部流体的脉动效应可忽略不 计( 像微动脉和毛细血管等) 【1 剐。在本研究中我们将下肢动脉的血流性质设 定为脉动流，这样可以尽量模拟股动脉的生理状态，使实验数据更有应用 价值，也是本实验的另一个创新点。 设定好边界条件的有限元模型见( 图2 1 、2 6 ) 。 最后，为了检验我们所使用的边界条件是否合理，a n s y s l1 0 为我 们提供了专用的检测工具：迭代图，其原理是将边界条件多次带入运算， 如果结果比较集中，那么边界条件的设置就是合理的，反之如果结果比较 离散，那么边界条件就不合理。迭代图见( 图2 5 、3 0 ) 。从该图中我们可 以看到各种线条比较集中，没有离散开，所以我们使用的边界条件是合理 的。 研究论文 5 有限元计算。 通过a n s y s l l 0c f x 的运算，我们得到了一系列的图表，从这些图 表中我们发现：( 图2 2 2 4 ，2 7 2 9 ) 1 正常血管的血流流线分布均匀，流速变化不大。 研究论文 附图 h = 一，0 + 臼二， 、t 口l 、k 。， - - _ _ _ - - _ _ 一 m 冒一 m 棚 汕m _ q x b 口 ” 童t _ _ h m4 a _ - a o 自 - - 岫 bx b j 8 1 , j _ - i 暇- - - 呜 - c * l q !村l e x 巧0 c ! ? 竺! 二_ = 竺一! ! 三 二二二 f i g 1w o r k i n gi n t e r f a c eo ft h em i m i c s 14 0 h = 毒，0 + 臼k s ， - t 口f 0 翻，- 咐憎h 山- _ - _ 啊- - - ” k ， - - - - _ - _ ! _ , a r _ m mm * m- n x 矗陪叠 o “鱼! 舅吣_ k - _ - ，- l ，一a _ 一- - 甜打- i - ： l ! 一剑 b x n 几h _ _ 既- _ _ - b i l i l 一 。 鲥 e x r 备 蛳i - 皇蔓- 邕 j _ d * l q 一7 一 = = = 二 f i g 2m a k i n g t h em a s ki nm i m i c s14 0 研究论文 - - - _ - _ _ _ - _ _ _ om 目l - -_ i b x a 瞳9 - 脚自c r o w “辅生。 h - _ 4 bt 一- _ ”_ 帅2 - - p 一 - - _ d l , h _ - _ ： l 圈 o _ m ，y - ，一 匕= = = 二 f i g 3i n i t i a lm o d e lo f t h e b l o o df r o mt h en a r r o wv a s c u l a ri nm i m i c s l 4 0 f 日”f ： 5 , - q q _ h = j， o + 。、t u 口t o - 岫- _ - _ _ - - _ 搬- - 嘲， 一。_ _ _ _ _ _ _ - - _ 。_ _ 口， f i g 4i n i t i a lm o d e lo f t h eb l o o df r o mt h en o r m a lv a s c u l a ri nm i m i c s14 0 1 6 磊=孑 钆叫，i一h；，= ： 谝= 菇 t l a 。 i = 一一 一 -h】 f i g f i g 6 f i g 7 f i g 8 研究论文 f i g 9t h e i n i t i a lm o d e lo fn o r m a lv e s s e l s f i g 10 t h ei n i t i a lm o d e lo fn a r r o wv e s s e l s 1 9 研究论文 f i g 11n a r r o wb l o o dv e s s e l sa n di n t e r n a lf i l l i n g3 dm o d e l j 6 h = j h = “面i b i i _ h， ， ， f i g 12n o r m a lb l o o dv e s s e l sa n di n t e r n a lf i l l i n g3 dm o d e l 2 0 研究论文 f i g 13t h e3 dm o d e lo ft h en o r m a lv a s c u l a ri nm i m i c s 14 0 f i g 14t h e 3 dm o d e lo ft h en a r r o wv a s c u l a ri nm