颅内动脉瘤血液动力学的数值模拟研究

论文摘要

计算流体力学是研究流动问题的有效手段。利用计算流体力学的方法来研究具有非定常、流-固耦合等流动特性的心血管内血液流动日益受到人们的重视。颅内动脉瘤是严重的心血管疾病,血液动力学因素在其发生、发展和破裂过程中起着重要作用。在上海市科委重点医工合作研究项目“颅内动脉瘤血流动力学的数值模拟分析及体外模型试验研究”的支持下,本文通过计算流体力学数值模拟,对颅内动脉瘤的血液动力学特征及其与动脉瘤致病机理,发展和破裂过程的关系作了深入地研究。论文首先从临床统计数据出发,建立了颈内动脉-后交通动脉瘤统计模型。采用计算流体力学的方法对具有不同尺寸和纵横比（Aspect Ratio）的动脉瘤模型进行稳态和非稳态数值模拟,重点分析了动脉瘤尺寸和纵横比等几何因素对血液动力学的影响。然后,本文还对临床采集的CT/MRI医学影像数据进行三维重建,分别建立了个体化的旁路动脉瘤模型和顶端动脉瘤模型各一例,采用数值模拟的方法,对这两例患者个体化动脉瘤模型内的血液动力学特征进行了研究。最后,考虑到动脉瘤内的流-固耦合作用,本文采用CFD与有限元方法结合,对一例单侧大脑前动脉供血的前交通动脉瘤模型进行了流-固耦合数值模拟,重点研究了壁面弹性对颅内动脉瘤血液动力学的影响。研究中所采用的医工结合的方法,集成了CFD、临床医学影像技术、三维重建技术、流-固耦合分析技术等手段成功地对脑动脉瘤内血流动力学进行了数值模拟。这一技术路线为相关医工结合研究提供了良好的平台和研究思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容和目的
• 第二章 血液流动与计算流体力学基本原理
• 2.1 血液流动基本原理
• 2.1.1 动脉中血液的运动方程
• 2.1.2 动脉中血液的基本运动规律
• 2.2 血液的生理特性
• 2.3 计算流体力学简介
• 2.4 本章小结
• 第三章 ICA-PComA 动脉瘤统计模型的血液动力学数值研究
• 3.1 ICA-PCOMA 动脉瘤模型的稳态数值计算
• 3.1.1 颈内动脉-后交通动脉瘤统计模型建模
• 3.1.2 数学模型和边界条件
• 3.1.3 数值模拟结果分析
• 3.2 ICA-PCOMA 动脉瘤模型的非稳态数值计算
• 3.2.1 计算方法和边界条件
• 3.2.2 脉动数值模拟结果分析
• 3.3 血流突变对动脉瘤内血液动力学的影响分析
• 3.3.1 动脉瘤破裂的诱因
• 3.3.2 计算方法和边界条件
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 病人个体化动脉瘤模型数值模拟
• 4.1 数字化建模的研究与探索
• 4.1.1 医学数字化影像简介
• 4.1.2 医学影像采集基础知识介绍
• 4.1.3 医学影像的三维建模
• 4.1.4 人体血管三维建模主要过程
• 4.2 个体化动脉瘤模型数值模拟
• 4.2.1 旁路动脉瘤
• 4.2.2 顶端动脉瘤
• 4.3 两类动脉瘤结果的比较分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 颅内动脉瘤流-固耦合数值模拟初步研究
• 5.1 流-固耦合力学简介
• 5.2 计算模型和方法
• 5.2.1 流-固耦合控制方程
• 5.2.2 单侧供血的后交通动脉瘤模型
• 5.2.3 材料属性与边界条件
• 5.2.4 流固耦合计算流程
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 血管壁面变形和受力
• 5.3.2 刚性模型和弹性模型血液动力学对比分析
• 5.3.3 血液动力学的脉动特征
• 5.3.4 流-固耦合的局限性
• 5.4 本章小结
• 第六章 研究结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书