肿瘤血管生成的二维数值模拟

血管生成（angiogenesis）,指从已存在的血管网络中成长出新的血管网络。肿瘤毛细血管生成在肿瘤的生长、转移等阶段发挥着重要的作用。在此过程中内皮细胞积极参与其中的各个阶段：首先是各种各样的肿瘤促血管生成因子的释放（tumor angiogenesis factors,TAF）,激活内皮细胞;新生的内皮细胞在一系列的内部和外部因素的调节下向着肿瘤迁移,最终新生成的毛细血管到达肿瘤并穿越它。目前对肿瘤内及其周围的毛细血管网络了解很少,这给临床上对肿瘤的研究和治疗带来一定困难。本文考虑内皮细胞与胞外间质的相互作用、对TAF的响应,根据肿瘤内外的生理和病理条件描述肿瘤促血管生成的特点,并根据肿瘤内的复杂特性建立二维离散数学模型,研究肿瘤内部的毛细血管网络的生成。数值模拟的结果显示该模型在一定程度上可以产生符合真实的肿瘤内外的毛细血管分层特点的网络,同时也给后续的研究提供了一定的依据。     

脑Willis环的一维血流动力学及氧输运特性的数值研究

Willis环是大脑侧枝循环的重要组成部分, 研究其血流动力学特性以及氧输运规律对脑缺血疾病的认知和预防有着非常重要的作用. 该文旨在利用一维血流动力学模型模拟整个Willis环的流量变化和压力分布, 并建立动脉内氧输运的一维模型以模拟Willis 环内氧分压的变化规律, 为研究脑组织内血液流动和氧输运打下基础. 首先, 基于弹性圆管内的一维非线性流动方程和状态方程建立血流动力学模型, 在一维对流扩散方程的基础上, 考虑由管腔向壁面的扩散和壁面细胞的新陈代谢消耗推导出氧输运特性方程. 通过 Lax-Wendroff两步法对血流动力学方程进行离散, 而在进行对流扩散方程的离散时, 则运用迎风格式. 通过数值计算得到了正常情况下Willis环各个血管任意位置的流量、压力和氧分压的变化曲线, 正常情况下各个位置的氧分压处于稳定的平衡状态. 最后, 还通过此模型进一步模拟了右侧颈内动脉狭窄对各个血管内流动的影响. 当狭窄程度达到80%时, 中脑动脉的流量和压力会明显下降, 造成其供应区域的血流减少. 同时, Willis环右侧血管内的氧分压会大大降低, 而左侧血管的氧分压会出现上升趋势, 但幅度要小于右侧血管降低的幅度.     

实体肿瘤血管生成和肿瘤生长的耦合研究

研究宏观尺度上肿瘤向外浸润式生长的动态变化对微观尺度上肿瘤内部微血管网生成过程产生的影响。建立肿瘤组织生长动力学模型与促血管生成的二维离散数学模型,模型考虑促血管生成因子诱导下血管内皮细胞的随机性、趋化性和趋触性运动以及血管内皮细胞与胞外基质的相互作用,并且肿瘤组织的生长满足经典的Compertz函数形式,通过耦合研究模拟了肿瘤组织动态生长过程中微脉管系统生成的时空演化,数值生成肿瘤动态生长下内外异构的微血管网和肿瘤内部分层的网络结构。该模型可以产生相对真实的具有接近肿瘤病理生理特性的血管网,为临床研究提供有益的信息。     

冠状毛细血管长度非线性变化及渗透作用下的毛细血管血液流动

建立冠状毛细血管内血流的血液动力学模型,研究毛细血管长度沿轴向的非线性变化及冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换对血液流动的影响。考虑单根长弹性并具有通透性的冠状毛细血管,毛细血管长度非线性变化,毛细血管内血液为粘性不可压缩牛顿流体,跨壁滤过遵循Starling定律,血浆胶体渗透压和血浆蛋白浓度成线性关系。建立血管半径的无量纲方程,数值求解不同生理参数情况下,左心室壁不同层中毛细血管沿长度平均的无量纲半径和不同层毛细血管的平均流量。结果显示,冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换及毛细血管长度沿轴向的非线性变化对平均无量纲半径和平均出口流量几乎没有影响;而对弹性模量较小的毛细血管,则对心脏收缩期时的平均进口流量有不同程度的影响。     

内皮抑素抑制肿瘤血管生成的数值模拟

数值模拟抗血管生成药物内皮抑素对肿瘤血管生成的抑制效应. 建立内皮抑素作用下肿瘤内外血管生成的二维、三维离散数学模型,模型中考虑内皮抑素的抑制作用、内皮细胞自身的增殖、促血管生成因子TAF和Fibronectin对内皮细胞产生的趋化性和趋触性以及内皮细胞自身扩散引起的随机性运动,数值模拟肿瘤内外微血管网的生成过程. 模拟结果表明,抗血管生成药物内皮抑素对肿瘤内外血管生成的速度、成熟度以及血管分支数量均有明显的抑制作用,从而有效地抑制肿瘤新生血管的形成. 该模型能够较好地模拟内皮抑素对肿瘤血管内皮细胞迁移与增殖的抑制效应,为临床抗血管生成治疗肿瘤提供有益的信息.      

人体循环系统流体动力学

一、概述人体循环系统是一个复杂的生理系统,由心脏、动脉和毛细血管组成。心脏是血液泵。心肌每年收缩约3600百万次,泵浦约300万升血液。血管在各种不同条件下源源不断地输送着维持生命的血液。血液同血管周围组织进行质量和能量交换。整个循环系统是一个“工程奇迹”。      

脑循环脉动流的集中参数模型

脑血管疾病和脑循环动力学异常改变密切相关．脑循环系统和体循环系统具有不完全相同的血液动力学特性．因此，临床上迫切需要一种既能反映脑循环的基本特性，又容易从中分析脑血管动力学参数的力学模型．本文在Ｗｉｌｉｓ环定常流模型的基础上，建立了描述脑循环血液脉动特性的集中参数模型，归结出了模型控制方程及求解方法．通过实例计算发现：理论计算结果和实验检测数据相当吻合，说明模型是符合生理实际的．这将为脑循环研究提供一个较理想的血液动力学模型     

浅谈动脉流体动力学分析

就我们所熟知,绝大部分正常动脉流,其血液的流动特性是属于层流范围,但随着弯曲和分 支部分会产生血液流之二次回流区,进而形成所谓近似非稳态流及紊流. 因此动脉流体的特 性会随动脉外形及条件的改变而改变. 在某些情形下,异常动脉的血液动力特性会造成动脉 的病变. 因此,近年来动脉血液流体的特性的研究,常着重于异常动脉的血液动力特性所形 成剪应力和病变部位动脉粥状硬化关系的探讨. 动脉血液流动经常包含分离流或二次回流运动,而这是流体力学的分析或数值模拟最困难的 部分. 有关分离流或二次回流的研究包括正常血管流和异常血管流,藉由二次回流的模拟与 测量可以观察血管病变的形成与演变,其中最受注目探讨题目是窄化血管如粥状斑块相关的 血液流动分析. 将回顾二维和三维、稳态、非稳态之动脉血流与窄化血管相关的几何外形作模拟研究和 实验. 并提供对血液动力学的研究方向,以作为未来医疗诊断与发展相关器材之参考.     

冠状动脉对称双路移植管中脉动血流的数值模拟

冠状动脉旁路移植管搭桥术后，常会产生血管再狭窄，导致手术失败，。这与移植管的几何结构及血流动力学是密切相关的。作为改进措施，作者提出了采用对称双路搭桥的设想。本文利用有限元分析方法，对冠状动脉搭桥术中对称双路移植管内的生理流动进行了数值仿真。计算了缝合区附近的流场、壁面切应力、压力等血流动力学因素在心动周期内的时空分布情况。计算结果表明，对称双路搭桥具有较好的血流动力学，可以改善血管流场状况和减轻再狭窄发生。这对临床手术计划是很有帮助和指导意义的。     

高超声速非平衡流动-辐射特性数值模拟研究

飞行器高超声速飞行过程中所承受对流加热和辐射加热可能具有相当的量级,因此合理准确预测气动加热需要将二者进行综合考虑.文章发展了具有非玻尔兹曼电子能级分布和振动能级分布的高温空气碰撞辐射模型,并耦合一维激波后流动方程计算不同飞行条件下激波后的非平衡流动特性,采用逐线辐射输运模型计算获得激波后非平衡辐射特性、辐射强度和辐射输运通量,深入比较分析了不同飞行高度和马赫数对非平衡流动和辐射输运过程的影响.计算结果表明对于高空高马赫飞行条件,其波后流动存在显著的热力学非平衡、化学非平衡和能级非平衡特征,在近激波区域高振动能级和原子高束缚电子激发态明显低于玻尔兹曼分布.在高空高马赫条件下真空紫外辐射占据主导地位,主要是由高能原子束缚-束缚跃迁造成的.随着高度和马赫数的下降,激波层内气体解离和电离程度降低,原子辐射贡献下降,分子辐射贡献增加,导致红外、可见光和紫外波段的辐射输运增强,真空紫外辐射输运过程减弱.     

Numerical simulation of blood flow and interstitial fluid pressure in solid tumor microcirculation based on tumor-induced angiogenesis

A coupled intravascular–transvascular–interstitial fluid flow model is developed to study the distributions of blood flow and interstitial fluid pressure in solid tumor microcirculation based on a tumor-induced microvascular network. This is generated from a 2D nine-point discrete mathematical model of tumor angiogenesis and contains two parent vessels. Blood flow through the microvascular network and interstitial fluid flow in tumor tissues are performed by the extended Poiseuille’s law and Darcy’s law, respectively, transvascular flow is described by Starling’s law; effects of the vascular permeability and the interstitial hydraulic conductivity are also considered. The simulation results predict the heterogeneous blood supply, interstitial hypertension and low convection on the inside of the tumor, which are consistent with physiological observed facts. These results may provide beneficial information for anti-angiogenesis treatment of tumor and further clinical research. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10372026).     

基于微流体装置的微血管网内红细胞流动和分布特性的研究

实体肿瘤血管具有扩张、扭曲、不规则分支以及分支间连接絮乱等特征. 为了考察这些特征对血液流动的影响,将肿瘤血管简化为垂直相互贯通的微血管网,借助微流体实验装置,以一定浓度的红细胞悬液作为流动介质,研究红细胞在微血管网中的流动和分布特性. 具体实验方案如下:首先,采用软刻蚀技术,在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）上加工出微血管网;然后,采用微注射泵控制微血管网入口处的红细胞悬液流量,使用倒置显微镜和高速摄影系统观察并记录实验过程;最后,通过Matlab 软件包Piv-lab 及高速摄影配套软件对获得的视频图像进行处理,提取红细胞在微血管网中的流动和分布数据. 数据处理结果显示,红细胞在微血管网中的流动和分布特性受悬液内的红细胞压积（hematocit, Hct）的影响. 红细胞随悬液Hct 的不同呈现2 种运动轨迹:一种为仅沿着轴向微管道流动;另一种是从轴向微管道流入并穿过径向微管道,再进入另一侧的轴向微管道. 另外,入口流量相同时,红细胞在微血管网中的流动速度随Hct 变化呈现不同,Hct 为3% 和5% 的红细胞速度要明显高于Hct 为1% 的红细胞速度.      

基于微流体装置的微血管网内红细胞流动和分布特性的研究简

实体肿瘤血管具有扩张、扭曲、不规则分支以及分支间连接絮乱等特征. 为了考察这些特征对血液流动的影响,将肿瘤血管简化为垂直相互贯通的微血管网,借助微流体实验装置,以一定浓度的红细胞悬液作为流动介质,研究红细胞在微血管网中的流动和分布特性. 具体实验方案如下：首先,采用软刻蚀技术,在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）上加工出微血管网;然后,采用微注射泵控制微血管网入口处的红细胞悬液流量,使用倒置显微镜和高速摄影系统观察并记录实验过程;最后,通过Matlab 软件包Piv-lab 及高速摄影配套软件对获得的视频图像进行处理,提取红细胞在微血管网中的流动和分布数据. 数据处理结果显示,红细胞在微血管网中的流动和分布特性受悬液内的红细胞压积（hematocit, Hct）的影响. 红细胞随悬液Hct 的不同呈现2 种运动轨迹：一种为仅沿着轴向微管道流动;另一种是从轴向微管道流入并穿过径向微管道,再进入另一侧的轴向微管道. 另外,入口流量相同时,红细胞在微血管网中的流动速度随Hct 变化呈现不同,Hct 为3% 和5% 的红细胞速度要明显高于Hct 为1% 的红细胞速度.     

3D numerical study of tumor blood perfusion and oxygen transport during vascular normalization

The changes of blood perfusion and oxygen transport in tumors during tumor vascular normalization are studied with 3-dimensional mathematical modeling and numerical simulation. The models of tumor angiogenesis and vascular-disrupting are used to simulate "un-normalized" and "normalized" vasculatures. A new model combining tumor hemodynamics and oxygen transport is developed. In this model, the intravasculartransvascular-interstitial flow with red blood cell(RBC) delivery is tightly coupled, and the oxygen resource is produced by heterogeneous distribution of hematocrit from the flow simulation. The results show that both tumor blood perfusion and hematocrit in the vessels increase, and the hypoxia microenvironment in the tumor center is greatly improved during vascular normalization. The total oxygen content inside the tumor tissue increases by about 67%, 51%, and 95% for the three approaches of vascular normalization,respectively. The elevation of oxygen concentration in tumors can improve its metabolic environment, and consequently reduce malignancy of tumor cells. It can also enhance radiation and chemotherapeutics to tumors.     

MASS TRANSPORT IN SOLID TUMORS (Ⅰ)──FLUID DYNAMICS

A three-porous-medium model for transvascular exchange and extravascular transport of fluid and macromolecules in a spherical solid tumor is developed. The microvasculature, lymphatics, and tissue space are each treated as a porous medium with the flow of blood. lymph, and interstitial fluid obeying Darcy’s law and Starling’s assumption. In this part, the role of interstitial pressure and fluid convection are studited. The analytical soiutions are obtained for foe isolated tumor and the normal-tissue-surrounded tumor respectively. The calculated interstitial pressure profue are consistent with the experimental observation that the elevated interstitial pressure is a major barrier in the penetration of macromolecular drug into tumors. The factors which may reduce the interstitial pressure are analyzed in details.     

Numerical simulation of solid tumor angiogenesis with Endostatin treatment： a combined analysis of inhibiting effect of anti-angiogenic factor and micro mechanical environment of extracellular matrix

To investigate the influence of anti-angiogenesis drug Endostatin on solid tumor angiogenesis, a mathematical model of tumor angiogenesis was developed with combined influences of local extra-cellular matrix mechanical environment, and the inhibiting effects of Angiostatin and Endostatin. Simulation results show that Angiostatin and Endostatin can effectively inhibit the process of tumor angiogenesis, and decrease the number of blood vessels in the tumor. The present model could be used as a valid theoretical method in the investigation of anti-angiogenic therapy of tumors.     

MASS TRANSPORT IN SOLID TUMORS (Ⅰ)──FLUID DYNAMICS

I.IntroductionCancerhasbeenthekillerinmanywesterncountriesonlysecondtothecardiovasculardiseaseformanyyears.Ditficultiesinearlydiagnosisisoneofthemajorobstaclesincancertreatment.However,recentlyitisreportedthatthetumorphysiologicalbarrier,whichpreventsdrugsfrompenetratingintothecoreoftumor,'mayconstituteanothermajorobstacleinkillingcancercallseffectivelyl'].Therefore,tostudythemasstransp.ortprocessintumorbecomesimportantinthatitmayprovidesomecriteriafordrugdesignanddrug-giningstrategies.Tradit…     

肿瘤及其微环境的力学问题

肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响, 例如, 可调控血管与淋巴管的功能, 造成代谢异常和间质高压, 压缩间隙基质, 增大药物输运的困难, 促进间质细胞变异并诱导肿瘤细胞转移. 因此, 肿瘤中的力学因素引起了广泛关注.本文总结了肿瘤及其微环境力学问题的研究进展, 讨论了肿瘤微环境中应力产生、药物输运、肿瘤转移等问题, 介绍了肿瘤微环境正常化的策略及其对肿瘤治疗的意义.      

The mechanical problems in tumor and tumor microenvironment

肿瘤微环境包括肿瘤细胞、间质细胞、细胞外基质等.其在肿瘤的生长和发展过程中起着关键作用.肿瘤的微环境与正常组织的微环境有着显著的不同.肿瘤中的压应力对微环境有着多方面的影响, 例如, 可调控血管与淋巴管的功能, 造成代谢异常和间质高压, 压缩间隙基质, 增大药物输运的困难, 促进间质细胞变异并诱导肿瘤细胞转移. 因此, 肿瘤中的力学因素引起了广泛关注.本文总结了肿瘤及其微环境力学问题的研究进展, 讨论了肿瘤微环境中应力产生、药物输运、肿瘤转移等问题, 介绍了肿瘤微环境正常化的策略及其对肿瘤治疗的意义.     

Fluid structure interaction of cantilever micro and nanotubes conveying magnetic fluid with small size effects under a transverse magnetic field

Micro and nanotubes have found major application in fluidic systems as channels for conveying fluid. In some micro and nanofluidic applications such as drug delivery, a transverse magnetic field can be used to guide the fluid flow by generating an axial force in the flow direction. An important issue in the design of micro and nanofluidic systems is the structural vibration caused by the fluid flow. In the current study, we investigate the effect of transverse magnetic field on the vibration of cantilever micro and nanotubes conveying fluid by considering the small size effects. We couple the nonlocal Euler–Bernoulli beam model with Navier–Stokes theory to determine a fluid structure interaction (FSI) model for the vibration analysis of the system. We modify the FSI governing equation by driving a velocity correction factor to consider the effect of transverse magnetic field on the fluid flow’s pattern through the tube. Then, we use the Galerkin’s method to obtain the frequency diagrams for the instability analysis of the system. We show that the transverse magnetic field can have a substantial effect on the dynamics of tube conveying fluid by increasing the system’s natural frequencies and critical flow velocity which contributes to the flutter instability. We also discover that although the transverse magnetic field plays a crucial role on dynamics of microstructures, its effect on the dynamics of nanotubes is not significant and can be ignored.