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血浆动力学研究,血液动力学研究方法
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  • 2021-04-06
由于心血管系统结构的三维和多尺度特性,心血管系统所产生的力学现象非常复杂,仅仅依靠以往的计算力学和计算流体力学(CFD)方法远远不够,因此,基于图像的三维建模,流体-固体-生理现象耦合解析技术等是分析心血管复杂系统不可或缺的。耦合分析不只是狭义的流固耦合,而是应用计算力学手段探究构成人体系统的广泛的物理化学现象,最终形成生物医学技术的创新应用。
近年,计算机断层扫描技术(CT),核磁共振技术(MRI), 超声(US)和数字减影图像(DSA)等医学影像技术(DSA)为建立基于精确解剖结构的个性化三维模型提供了可靠的数据基础。计算流体力学,有限元分析,流固耦合技术以及高性能计算机硬件的发展为血液动力学特性分析提供了有力的理论基础。
通过逆向工程技术,采用透明硅橡胶可以制作出真实结构的各种正常和病变血管模型,利用PIV(Particle Imaging Velocimetry)可视化技术体外观测血液流动特性,一方面可以验证数值模拟的有效性,另一方面为手术设计,药物研发和临床训练的血管内操作提供非常有用的工具。
除此之外,一维和零维心血管系统模型能够很好地描述全身心血管系统脉搏波传递以及血压和流量波的相位变化,是研究血液动力学非常重要和有效的工具。
经过四十多年的发展,一维模型建模方法在不断完善。速度剖面形状会直接影响动量方程的形式及壁面应力的估值,常用的速度剖面有平整性、抛物线型,幂函数型,Stokes边界层型,周期性速度剖面等。而管壁的运动直接影响压力波的传播波速和脉动特征。在一维血流动力学模型中,管壁运动通过状态方程来表征,表示为跨壁压差和截面积的关系。根据线弹性理论的Laplace方程推导得到的状态方程可以较好地描述正常状态下的血流特性。
动脉内的血液流动主要受小动脉影响,但小动脉结构复杂而且不容易观测,使得很难建立合适的模型来描述小动脉对动脉内脉动波传播的影响。把小血管和毛细血管看成大血管出口边界的延伸,则可以用不同出口边界条件描述小动脉的影响。目前,常用的出口边界条件有三种,包括:纯阻抗模型,只使用一个阻抗元件来描述出口处压力和流量的关系,但该模型不能描述压力波和流量波的相位延迟特征。第二种是三元件弹性腔模型。这两种模型虽然简洁,但不同生理病理条件下的阻抗和顺应性的估计是一个难点。小血管树模型利用人体动脉网络的分型规律建立二叉树结构,然后利用拟线性分析理论获取大动脉出口处的压力和流量关系。结构树模型用较少的假定较全面地模拟了小血管树的阻抗。
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