左心室血液流动特性的仿生研究

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心脏内部血流模式及特性是探究血液生理参数异变和心脏组织结构病变机理的基础。本文基于CT断层扫描数据,对心脏左心室进行了三维重构和模型优化。结合心肌壁面的运动特性,建立了左心室几何模型过流边界运动的数学模型。采用动网格技术、非牛顿幂律血液模型和RNGκ-ε湍流模型实现了左心室间歇性泵血过程的数值模拟。获得了三个心动周期正常左心室内部的血液非定常流动特性,考察了主动脉瓣出口压差、瓣膜病变对左心室血流特性的影响,分析了特征截面及监测点血流速度、压强与剪切应力随时间的变化关系。具体研究结论如下:(1)左心室优化模型偏差点在[-1.66,088)的区间占总区间的80%,优化改变了壁面的粗糙度,并未影响其内部结构。建立了左心室壁面边界运动的分段数学模型,发现动网格运动到最小时刻的三维模型与左心室收缩到最小位置的面积和体积数量级相同。(2)流场充分发展后,当左心室舒张时,二尖瓣进口、心尖以及中心处压力减小,血流出口速度在收缩初期前T/16呈增大趋势,T/16到收缩完成时速度非线性减小。当左心室舒张时,速度水头转化为压力水头,心腔内压力升高,血流进口速度先增大后减小,在13/16T时刻达到最大值0.45m/s。在完整心动周期内,二尖瓣处存在的剪切应力高于左心室其他部位。(3)研究主动脉瓣出口压差对左心室血流特性的影响时发现,低血压50mm Hg时,剪切应力与速度的监测值略小于正常血压100mm Hg的监测值。出口血压升高,监测点速度逐渐增大,使左心室收缩过程中局部剪切应力升高,而舒张过程主动脉瓣处于关闭状态,血压对血流特性的影响较小。(4)不同程度二尖瓣狭窄时,进口面积减小,收缩期进口处速度与压力升高,剪切应力增加。舒张期,速度与压力出现先增大后减小的规律。当狭窄程度较大时,左心室内部剪切应力整体较大,6/8T时刻达到最大值4.6Pa。主动脉瓣狭窄程度加深时,出口点处速度与压力逐渐增大。进口处剪切应力略高,而整体变化不明显,出口点处剪切应力逐渐增大,当狭窄程度较大时,剪切应力明显升高,3/16T时刻达到最大值0.8Pa。本文重构了人体左心室模型,利用动网格技术模拟了左心室内血液流动特性,并与建立的瓣膜狭窄模型进行了对比,可为后续心脏的研究工作提供参考。
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