动脉粥样硬化是发生在大动脉及中等大小动脉的脉管疾病,是西方主要发达国家广大人群的主要致死疾病之一。近年来随着我国居民生活水平的提高和饮食结构的改变,动脉粥样硬化导致的动脉疾病已经成为严重威胁人民生命健康的重要原因。动脉粥样硬化斑块不是随机的出现在血管的任意部位,而是表现出明显的病灶性特征,所以人们认为在其发病早期血液动力学因素扮演了重要角色。大量研究证明,动脉粥样硬化的发生具有高度选择性,它通常发生在血管分叉或弯曲角度较大的区域,这说明血流动力学与动脉粥样硬化的发生发展有着密切的联系。虽然血流动力学的具体作用机制还不太清楚,但是无论具体作用机制如何,动脉粥样硬化一旦形成动脉局部出现狭窄,狭窄动脉对于血液的流动产生严重影响,而这种影响又逐渐加重了动脉狭窄的程度,所以,血流动力学因素在动脉粥样硬化发生发展中的重要作用已得到学术界的普遍认可。动脉粥样硬化已经成为危害人民身体健康的最常见疾病,研究其发病机制、病理变化过程具有重要的意义。血液流体力学方法是我们进行人体动脉血管研究时最重要的工具,临床和实验研究的需要要求我们完善并发展这一方法。随着计算机技术的重大进步,血液流体力学软件的开发得到了长足的进步,计算机模拟计算已经成为主流的研究方法。有限元法最开始是结构分析的一种数值计算方法,最近几年生物力学、医学等交叉学科也开始运用有限元方法来解决问题。新世纪以来随着计算机技术的飞速发展,众多有限元软件的问世,有限元法开始被用于更多的医学研究领域如:膝关节的立体模型和复杂力学分析、髋关节的立体模型和复杂力学分析、心脏运动力学研究、动脉血管中血流动力学研究、足部关节的复杂力学分析等。有限元法计算机模拟在医学和生物力学研究中具有独特的优势,可以对复杂几何形状的研究对象进行精确逼近的模拟,并且可以针对不同的实验环境和条件对模型进行各种载荷和临界条件的加载,进行无限次的反复实验,而不用局限于实验条件的限制。这是一种高效、高仿真并且价格低廉的研究方法,非常适用于医学和生物学研究。本文主要阐述了有限元计算机模拟计算在人体动脉血管流体力学研究中的整体过程,包括研究方法、模型构建、研究条件的设置、结果分析、临床意义等,并对实验方法和模型构建进行了优化,使得研究更贴近生理真实状态,提高实验结果的有效性,为临床研究提高理论基础,为后续研究提供方法。第一部分冠状动脉的线性脉动流数值模拟计算及分析目的:观察1)不同狭窄程度左冠状动脉在脉动流条件下血液动力学特点;2)不同观测点血流动力学参数的对比;3)狭窄前段、狭窄处及狭窄后区域血流动力学参数变化及对比。方法:从冠状动脉CTA检查的患者中挑选符合要求的不同狭窄程度的造影数据各一例,将CTA数据导入MIMICS中建立冠状动脉三维模型,将MIMICS14.0生成的文件导入逆向工程软件Geomagic9.0中进行模型优化,然后再将优化后的数据导入ANSYS14.0中进行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中对建好的模型进行边界条件加载,运算,得到有限元计算后输出的各项流体力学数据。结果:1 CT采集到的患者冠状动脉CTA的数据,以DICOM格式导入MIMICS14.0中,得出冠状动脉的左前降支三维模型。2 MIMICS14.0生成的三维模型数据导入Geomagic9.0中,经过点云处理,多边形处理和模型生成三个阶段,形成fedb文件。3将fedb文件,导入到有限元软件ANSYS Workbench14.0中,分别得到左冠状动脉的血液及血管壁的三维模型,然后将血液及血管壁分别进行了网格划分。4设置观测点,分别为动脉狭窄前近旁(Point 1),动脉狭窄处(Point 2)及动脉狭窄后近旁(Point 3)。得到一系列可视化的计算流体数据,分析狭窄血管不同区域的流体变化。5Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉0.15s、0.25s、0.35s、0.45s时刻的血管腔内的流线图。6Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉0.15s、0.25s、0.35s、0.45s时刻的血管腔内的流速图,可以发现管腔内的流速逐渐增加。狭窄前流速较狭窄后流速慢。7Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉0.15s、0.25s、0.35s、0.45s时刻的血管腔内的压力图。狭窄前至狭窄处血管压力快速下降,且随着狭窄程度的增加,压力变化梯度也增加。狭窄后部可能存在回流区。8Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉0.15s、0.25s、0.35s、0.45s时刻的血管壁的切应力图,狭窄处壁面切应力最高,且随着狭窄程度的增加,切应力变化梯度增加。狭窄处后部壁面切应力较低。9Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉0.15s、0.25s、0.35s、0.45s时刻的血管壁的管壁位移。10Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉观测点的压力变化。11Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉观测点的切应力变化。12Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉在狭窄前段、狭窄段缩窄区、狭窄段扩张区的壁压力变化对比。13Ⅰ°-Ⅳ°狭窄冠状动脉在狭窄前段、狭窄段缩窄区、狭窄段扩张区的切应力变化对比。14狭窄冠状动脉狭窄处横断位显示壁压力和流速对比。15狭窄冠状动脉狭窄后区域横断位显示壁压力和流速对比。16狭窄冠状动脉纵剖面显示壁压力和流速对比。第二部分颈动脉分叉弹性管壁脉动流流固耦合有限元分析目的:观察1)几何形态和切应力在血流动力学中的作用;2)不同血压状态下切应力的变化,以及血管壁的形变变化。3)探讨切应力在动脉粥样硬化的发生发展中扮演的角色。方法:从颈动脉CTA检查的患者中挑选符合要求的正常血管造影数据一例,将CTA数据导入MIMICS中建立冠状动脉三维模型,将MIMICS14.0生成的文件导入逆向工程软件Geomagic9.0中进行模型优化,然后再将优化后的数据导入ANSYS14.0中进行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中对建好的模型进行边界条件加载,运算,得到有限元计算后输出的各项流体力学数据。结果:1测量获得正常颈动脉分叉部的数据:男性28例,女性22例,年龄26~75岁,平均年龄53.13岁,左侧26例,右侧24例,颈总动脉分叉前3cm处直径范围约为5.5~9.0mm,颈总动脉分叉处直径范围约为5.6~9.8mm,颈内动脉距分叉3cm处直径范围约为4.8~9.4mm。测量获得狭窄颈动脉分叉部的数据:男性32例,女性18例,年龄30~79岁,平均年龄58.7岁,左侧28例,右侧22例,狭窄部位分布如下:颈总动脉8例,颈总动脉分叉处17例,颈内动脉近端13例,颈内动脉颅内段12例。按照NASCET狭窄分级标准:0~49%,50%~69%,70%~99%,轻度狭窄的24例,中度狭窄的18例,重度狭窄的8例。存在钙化的19例,软斑块的18例,混合性斑块的13例。2得到了正常颈动脉分叉部三维模型。颈动脉分叉部的三维模型是基于CTA图像建立的,所以在MIMICS中经过阈值提取得到的其实是血管内充盈的血液的数据,并不是血管模型,我们还需要应用MIMICS14.0软件中一个特殊的功能在血液三维模型的外面包裹一层外皮,再将两个模型数据相减就得到了血管的初始模型,血管壁厚度数据来自CTA图像测量,其平均值为0.5mm,这样的模型更合理,更符合生理实际。3得到了血管的最终的三维模型,生成的三角形数为:2468个。4得到了血管的有限元模型,立体网格划分后的模型。颈总动脉血管模型节点总数164398个,单元总数94746个。血流模型节点总数58635个,单元总数152018个。5有限元计算数据5.1正常颈动脉分叉部不同时间点的血流流线分布图。5.2正常颈动脉分叉部不同时间点的血管壁形变分布图。5.3正常颈动脉分叉部不同时间点的血管壁压力变化分布图。5.4正常颈动脉分叉部不同时间点的血流流速矢量变化分布图。5.5正常颈动脉分叉部不同时间点的血管壁切应力(WSS)变化分布图。5.6颈动脉分叉部观测点的切应力、压力对比。5.7 0.3s时刻三种血压状态下流速;壁压力;壁切应力的分布图。5.8 1200Pa压力状态下观测点壁压力、壁切应力对比图;1600Pa压力状态下观测点壁压力、壁切应力对比图;1900Pa压力状态下观测点壁压力、壁切应力对比图。不同压力下观测点壁压力、壁切应力对比列表。5.9颈动脉窦部及分叉处的流速横断位对比图。5.10颈动脉分叉部的流速纵剖面对比图。第三部分局部狭窄股动脉的线性脉动流数值模拟计算及分析目的:观察下肢动脉狭窄部血液动力学变化,以及各个流体力学参数在动脉粥样硬化形成和发展中的作用。方法:从下肢动脉局部狭窄CTA检查的患者中挑选符合要求的血管造影数据一例,将CTA数据导入MIMICS中建立冠状动脉三维模型,将MIMICS14.0生成的文件导入逆向工程软件Geomagic9.0中进行模型优化,然后再将优化后的数据导入ANSYS14.0中进行有限元模型的建立。最后在ANSYS CFD中对建好的模型进行边界条件加载,运算,得到有限元计算后输出的各项流体力学数据。结果:1利用CTA扫描数据在MIMICS14.0软件中经过蒙皮、分割、及后期的光滑处理,得到了局部狭窄血管充盈像的三维模型。2经过Geomagic9.0软件处理后我们得到了血管的最终的三维模型,生成的三角形数为:局部狭窄血管为2644个。3利用ANSYS workbench得到了血管的有限元模型,然后再用ANSYS icem CFD进行立体的网格划分。得到狭窄血管模型节点总数7335个,单元总数43415个。4有限元计算。通过ANSYS11.0 CFX的运算,我们得到了一系列的图表,从这些图表中我们发现:4.1远离狭窄处的正常段血管的血流流线分布均匀,流速变化不大,表现为层流,管中央的血液流速最大,越贴近管壁,流速越小。4.2远离狭窄处的正常段血管中血管壁的压力从入口侧向出口侧依次均匀减低。4.3血管狭窄处流线密集且分布欠均匀,血液流速增加。4.4狭窄处前后方出现流速减低区。4.5狭窄处及近旁血管压力快速下降,形成加大的压力变化梯度。4.6在狭窄处流速明显增加,在高速血流的冲击下血管内皮细胞受到损伤。4.7狭窄处切应力明显增高,且同平面切应力分布不均匀;狭窄后区域切应力急剧减低,存在明显的压力梯度。4.8狭窄后区域流动比较紊乱,存在一部分回流,使得粥样斑块后肩部产生漩涡,这将会严重损伤血管内皮细胞,而该区域流速明显减低会增加粒子滞留时间,加速AS的发展。结论:狭窄冠状动脉的血流动力学变化与AS的发生发展有着密切的关系。血管狭窄程度越高,血流动力学因素在AS中所起到的作用越重要,AS的发展越快,这也就可以解释为什么AS患者的病情进展越来越快,为临床对AS进行早期干预提供了理论基础。血管的几何形态、高血压等都与AS的发生发展有关,颈动脉窦部及分叉处是受血流动力学影响最大的部位,根据前人的研究经验,这些区域也应该是AS的好发部位。这与我们观察的临床病例相符,也可以解释高血压患者为何更容易受到AS的侵害。血管的几何形态与AS的发生发展有密切的关系,血管变窄处更容易形成动脉粥样硬化斑块,在粥样斑块形成后,如果没有干预措施的介入斑块会逐渐变大直至堵塞血管,在斑块变大的过程中血流动力学因素扮演了重要的角色,所以了解动脉内血流动力学的特点对于我们研究动脉粥样硬化和相关的疾病有着重要的作用。有限元数值模拟是当前最佳的动脉血流动力学研究方法,通过熟练使用和深入研究可以得到更多更有意义的参数和结论,帮助临床制定治疗原则和方案。