心脑血管疾病已成为威胁人类健康的主要元凶,其中75%的病例是由粥样硬化斑块引发,且患病率仍在不断上升。基于计算流体力学的血流动力学计算分析技术是当前研究粥样斑块形成机理、评价粥样斑块危险程度及规划治疗方案、评价医疗器械设计可行性的重要手段。目前,两相流模型、非牛顿流体模型已在血流特性分析中得到了广泛应用,但这两种模型无法同时计算多种血液组分在血管中的分布情况,造成在研究粥样斑块机理中难以定量分析低密度脂蛋白(粥样斑块生长的直接诱因)浓度与粥样斑块生长的关系。本文将多组分流和多相流耦合起来形成多组分多相流模型,并运用到血流特性计算与分析中,能够同时计算红细胞、高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)等其他多种血液组分的浓度值,可实现对低密度脂蛋白的定量分析,进一步认识斑块的生长机制。本文主要研究结果与创新如下:1、在狭窄血管内对比分析了多组分多相流模型与牛顿流体、非牛顿流体、两相流模型结果的差异性,多组分多相流模型不仅能得到与非牛顿流体和两相流模型相接近的血流动力学特性结果及红细胞分布结果,还能够定量得到HDL和LDL浓度分布结果,分析比较表明,多组分多相流模型在血流动力学计算中具有较好的适用性。2、在狭窄血管内基于多组分多相流模型分析了血流速度、红细胞压积、LDL扩散系数对血流特性的影响。血流速度的变化可导致血管内血流动力学参数及血液组分浓度发生变化,并且在血流速度越大斑块越容易破裂,可知脉动血流条件下,血管内血流特性是不断变化的。红细胞压积的增大可导致近壁面血液流速减小,壁面切应力增大及压力梯度增加,可知红细胞压积高的患者斑块更易发生破裂。LDL扩散系数的降低仅改变LDL浓度值,将导致更多LDL渗透进入血管壁。3、基于多组分多相流模型分析了斑块几何参数对血流特性的影响。斑块高度的增加会导致斑块下游回流增强,斑块表面切应力和压力梯度增大,斑块破裂风险越高;还导致斑块上游血管和心脏负担增大,下游血液倒流可能性的增加;随着斑块高度的增加,流动分离位置LDL浓度先上升后下降,因此斑块生长速度也先增大后减小。斑块宽度越宽,斑块表面壁面切应力和压力梯度最大值减小,斑块破裂风险更低;流动分离位置LDL浓度最大值越低,斑块生长速度减小。血管相同狭窄率下,相较于对称斑块,非对称性斑块下游血液流动越复杂,斑块表面切应力和压力梯度值更大,斑块发生破裂的概率更高;同时斑块表面流动分离点LDL浓度更大,斑块生长速度更快。4、基于多组分多相流模型分析了重建颈动脉树内血流特性分布状况。发现在弯曲血管内侧出现了低流速、低壁面切应力使得该区域LDL浓度升高,形成了易导致斑块生成的血流环境。在左、右颈动脉分叉位置处,颈内动脉外侧均发现了斑块的存在,在斑块后方形成一个低流速和低壁面切应力区域,同时伴有回流和螺旋流,导致HDL、LDL在该区域浓度上升,红细胞浓度下降,易造成血管壁表面内皮细胞缺氧,血管壁通透性增大,更多的LDL会渗透进入血管壁,斑块会进一步生长。5、通过对患者左、右颈动脉树中血流特性对比分析可知,患者右颈动脉斑块已严重影响了患者的健康。不仅使斑块下游血液流动更为复杂,右颈内动脉供血量减少,右侧脑部血管供血不足;还将导致其他血管和心脏压力的增大,负担加重;在右侧颈动脉斑块表面出现了极高的壁面压力梯度和面切应力,斑块破裂的风险极大。研究表明,该患者应当及时接受治疗,以防发生突发性脑部疾病。狭窄血管内动脉粥样硬化斑块的形成不仅与血流动力学参数有关,LDL浓度的异常更是动脉粥样硬化斑块生长的直接诱发因素。多组分多相流模型能够同时计算血流动力学参数及多种血液组分浓度的结果,实现从力学影响和物质诱导两方面对斑块的形成机理进行研究及对患者病情进行有效评价。本文研究方法丰富了动脉疾病致病机理的研究手段,能够为临床医学相关研究起到很好的促进作用。