用格子Boltzmann方法研究中医滚法推拿对血液流的影响

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中医推拿是一种被临床实践证明的无创伤自然疗法,对许多疾病有独特的疗效,其功效主要表现为“舒筋活络、活血化瘀”。对推拿作用机理的研究一直是国内外学术界的重要课题。中医推拿的摆动类手法是中医推拿手法所特有的,治疗应用面广,内外科均适用的推拿手法,尤其由丁季峰先生创造的滚法,为广大推拿医生临床采用。近几十年来,国内不少学者从不同方面研究了滚法推拿的动力学机理。在推拿作用下,血管形成一个运动狭窄,复旦大学的许世雄教授对运动狭窄血管内的血液流进行了大量的研究。但由于推拿作用,使血管壁动态变化,这说明血管内血液运动时其边界是动态边界。此前关于推拿作用下血液流的数值研究所使用的计算方法皆为传统方法,在处理动态边界问题时需要特别大的计算量,计算方法也很复杂。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,简称LBM)是近十年来国际上发展起来的一种建立流体系统模型和数值模拟计算的新方法。该方法是介于流体的微观分子动力学模型和宏观连续模型之间的介观模型,兼具二者的优点,它既能模拟一个近乎真实的固液边界条件,又由于它是离散的统计模型,计算速度快,可用于模拟较大的体系,并且算法本身还易于并行化。因此,格子Boltzmann方法已成为目前研究流体系统的最有发展前景的方法之一,已被成功地应用于数值模拟多相流、化学流和多孔媒质中的流体等等复杂系统的行为。本文中我们用格子Boltzmann方法进行滚法推拿作用下血液动力学的研究,通过编写程序实现具有运动狭窄的血管模型,探讨各种因素(如血管形状、手法力度、频率等)对血流量、流速及切应力等的影响,从而对滚法推拿作用效果的产生机制有进一步的了解,也为临床量化标准提供参考。我们的工作主要包括以下几个方面:1.介绍格子Boltzmann方法的相关理论。2.建立格子Boltzmann方法的D2Q9模型,模拟Poiseuille流及圆柱绕流。二维长直血管可看作血液在上下两个固定平行平板内流动,即Poiseuille流。我们运用格子Boltzmann方法模拟了Poiseuille流的流动情况,并与理论值进行比较,数值结果与理论值符合得较好,为后面血液流的研究奠定基础。通过模拟圆柱绕流来具体运用文中介绍的几种边界条件,模拟结果与其他数值方法得到的结果相同。3.用格子Boltzmann方法模拟狭窄血管内的脉动流。建立有狭窄形变的血管模型,模拟血管因病变造成狭窄形变时,血液流的变化情况。结果表明,当血管有狭窄形变时,血流量将随着狭窄深度增加而减小,血液中的血小板等细胞可能会由于流量的减小在狭窄后方沉积,加大狭窄度,造成狭窄处雷诺数增大,当增大到一定程度时将在狭窄后方产生一块流动分离区,流速进一步减小,加剧血细胞在狭窄处沉积,最后造成血管的堵塞,产生动脉硬化等现象。管壁切应力是血液动力学中另一个重要参数,过大的管壁切应力将会损伤血管组织,模拟结果表明,管壁切应力将随狭窄高度的增大而增加,随狭窄长度减小而增大,且在狭窄中心处达到峰值。4.建立滚法推拿的格子Boltzmann模型,用数值模拟方法从介观角度来研究推拿的功效。数值研究结果表明,不同的手法频率产生的效果不同,当频率超过某一临界值时,效果将会减小,这个临界值由数值计算得出为168次每分,该频率下的瞬时相对血流量将会达到最大,该值与前期调研临床所采用的160次-170次每分相近,说明模拟得到结果较符合真实情况。最大推拿深度同样对血流量有较大影响,在较大的推拿深度作用下,血管血流量也将会增加。通过比较血管入口、推拿狭窄处、血管出口的血液流速,发现出口处的血液流速较入口处会增加,表明推拿作用会增大血液的瞬时流速。推拿作用同样会对管壁切应力产生影响,模拟结果表明,不同的手法频率作用下切应力的变化显著,在二倍频时相对切应力增加最为明显,三倍频时相对切应力有所回落但整体水平仍比一倍频时大,且随推拿深度的增大而增加。
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