基于兔梭形动脉瘤的流固耦合模拟和微观力学性质的研究

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颅内动脉瘤是脑血管疾病当中对人类生命健康威胁最大的一种疾病,其形成和发展与自身的血流动力学表现和血管壁力学性质的变化有紧密联系。近年来在数值模拟方面多数采用计算流体力学方法对颅内动脉瘤进行研究,忽略了血管壁作为固体对动脉瘤力学环境的影响,单一的血流动力学因素并不能真实反映动脉瘤的变化机理。力学性能方面,对动脉瘤宏观力学性质多有探究,但对其微观力学性质的研究甚少。本文基于双向流固耦合数值模拟方法,利用制作的兔梭形动脉瘤病理模型与正常血管进行比较,获得两者的影像学数据并重建为有限元模型,然后将超声测量的血流速度作为边界条件进行数值计算,经过后处理的数值模拟结果对动脉瘤的血流动力学表现和瘤壁弹性力学环境的研究有一定的数据参考作用。利用原子力显微镜压痕实验对梭形动脉瘤壁和正常血管壁中外膜的杨氏模量进行了测量,初步了解动脉瘤形成后微观力学性质的变化。基于影像学数据的数值模拟工作证明了动脉瘤内部存在着低WSS区域和低血液流速紊流区域,特别是WSS大小分布与血液流速分布是基本相似的。正常血管的血管流场并无明显变化。动脉瘤的几何形态会对血液和血管壁的应力发布大小产生影响,梭形动脉瘤的扩张比等几何参数与应力有直接联系。同时动脉瘤可能破裂潜在的位置是集中在瘤入口和瘤径最大处。基于原子力显微镜压痕实验发现了动脉瘤壁的中膜和外膜杨氏模量(中膜平均值:44.53±39.83k Pa;外膜平均值:52.19±43.91k Pa),高于正常血管中膜和外膜杨氏模量(中膜平均值:18.18±35.80 k Pa;外膜平均值:7.529±7.67 k Pa),特别是中膜的杨氏模量升高表现较为明显。就中膜和外膜的力学性能相关性和稳定性来看,动脉瘤不如正常血管的有显著性差异。本文将应用生物实验与工程学技术相结合的手段,利用基于双向流固耦合方法的数值模拟对动脉瘤的血流动力学表现和瘤壁弹性力学环境特征进行研究,通过分析对比动脉瘤与正常血管的力学参数变化探讨动脉瘤的形成和发展机理,同时对动脉瘤壁和正常血管壁的微观力学性质进行探究。本研究将对动脉瘤壁生物力学性质的研究和动脉瘤的力学生长机制提供具有一定价值的数据参考作用。
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