中等严重程度冠状动脉病变模型的血流动力学参数分析

基于中等严重程度冠状动脉病变模型,应用流固耦合方法数值研究了中等严重程度面积狭窄率(AS=50%,65%,75%)和病变长度(LL= 0 mm,15 mm,20 mm) 对血流动力学参数的影响.研究发现:随着AS与LL的增大,病变血管分支的壁面剪应力变化愈加剧烈,狭窄段下游的壁面剪应力值逐渐降低,狭窄段下游回流区的长度呈"S"型增长,模型最大剪切速率呈抛物线型增长, 压力分布曲线显著下降.血流动力学参数结果表明, 中等严重程度面积狭窄率和病变长度均是可能引发血栓的因素,临床上应予以重视.      

基于医学影像的血流动力学分析

随着计算机成像技术的发展,计算机断层扫描(CT)和核磁共振(MRI)已经广泛应用于临床,特别是血管类疾病的诊断,比如动脉狭窄、血管瘤、血管畸形等。除了可以提供高分辨率的静态图像,先进的MRI技术还可以通过时间序列直接反映血流动力学的变化。而基于计算机成像和三维重建技术,血流动力学的参数又可以通过计算流体力学的方法进行详细的分析。如何将血流动力学参数和临床诊断相结合是近年来在转化医学领域研究的热点。文中将结合文献调研和作者自己的研究工作对基于医学图像的血流动力学分析进行综述,并探讨未来的研究方向。     

基于医学影像的血流动力学分析

随着计算机成像技术的发展,计算机断层扫描(CT)和核磁共振(MRI)已经广泛应用于临床,特别是血管类疾病的诊断,比如动脉狭窄、血管瘤、血管畸形等.除了可以提供高分辨率的静态图像,先进的MRI技术还可以通过时间序列直接反映血流动力学的变化.而基于计算机成像和三维重建技术,血流动力学的参数又可以通过计算流体力学的方法进行详细的分析.如何将血流动力学参数和临床诊断相结合是近年来在转化医学领域研究的热点.文中将结合文献调研和作者自己的研究工作对基于医学图像的血流动力学分析进行综述,并探讨未来的研究方向.     

弯曲动脉的血流动力学数值分析

利用计算流体力学的理论和方法对弯曲动脉中的血流动力学进行数值分析，是研究心血管疾病流体动力学机理的一种行之有效的方法。本文将升主动脉、主动脉弓和降主动脉联系起来作为弯曲动脉几何模型，给出了血液流动的边界条件以及计算条件。根据生理脉动流条件，对狗的弯曲动脉几何模型内发展中的血液流动进行了有限元数值模拟，并利用可视化方法对血液流动的轴向速度、二次流、壁面切应力等计算结果进行了分析。研究结果表明，在弯管内侧壁处，同时存在主流方向和二次流方向的回流，此处容易形成涡流。弯管内侧壁比外侧壁的壁面切应力具有更强的脉动性。     

颈动脉分支的血流动力学数值模拟

采用有限元法数值模拟颈动脉分支的血流动力学。根据在体测量的实际尺寸来构造颈动脉分支的几何模型,以保持模型的解剖精确度;利用在体测量的颈内动脉和颈外动脉流量波形以及主颈动脉的压力波形来确定数值计算的边界条件,以保持数值计算的生理真实性。关注的重点是颈动脉窦内的局部血流形态、二次流和壁面剪应力。在心脏收缩的减速期和舒张期的某些时刻,颈动脉窦中部外侧壁面附近产生了流动分离,形成了一个低速回流区。该流动分离是瞬态的,导致了壁面剪应力的振荡,其振荡范围在-2～6dyn／cm^2之间。同时,颈动脉窦中部横截面内的二次流存在于整个心动周期,最大的二次流速度为同时刻轴向速度平均值的1／3左右。     

冠状动脉支架力学性能的理论和实验研究

冠状动脉支架必须具备的力学性能为:传送时的纵向柔软性,由球囊充压扩张时的动力大变形性能,在血管内支撑血管回缩压力的抗屈曲性能,以及术后金属支架留存在血管内的抗疲劳性能.本文内容分两部分:1、综述和评论支架的上述四种力学性能,2、重点论述金属支架纵向柔软性的最新研究结果.支架的结构刚度有离散性,介入治疗的要求和受力情况复杂,目前支架的力学性能质量标准尚未完善建立,支架结构设计中力学问题的处理仍存在盲目性.本文对于制定支架力学性能的质量标准以及改进和提高支架网架结构的力学性能设计都具有重要意义.     

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。     

主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

化学输运动力学过程的数学模型

本文从化学流体力学观点出发,对应用相当广泛的一类化学输运动力学过程进行了理论分析,建立了数学模型,求得了数学解.在此基础上,提出了化学输运动力学过程的等价单元系及生产作业序列的记忆效应等有实际意义的概念.     

外支架对移植静脉力学特性的影响

自体静脉移植是动脉粥样硬化等血管阻塞疾病的主要治疗手段之一,但移植静脉重建引起的再狭窄严重影响通畅率。研究表明,静脉和动脉之间几何尺寸与力学性质的不同以及力学环境的差异是吻合口再狭窄的主要原因。在动脉环境下,静脉桥路被严重扩张,桥路的内半径要比宿主动脉的大很多,这不仅大大提高了桥路管壁中的应力水平,而且也促使吻合口附近涡流的形成。管壁中增高的周向应力和由于涡流引起的紊乱的切应力是静脉桥路再狭窄的主要原因。为了提高静脉桥路的通畅率,外支架的技术日益引起人们的重视。外支架除了可以加强静脉桥路壁强度,降低管壁中的周向应力外,还可以消除吻合口附近的涡流,从而起到保护作用。本文将综述外支架保护静脉桥路的研究历史以及目前现状。     

万向支架弹性对陀螺仪章动漂移的影响

关于万向支架的弹性变形如何影响陀螺仪的章动频率和Magnus章动漂移公式的问题在苏联一些文献中讨论甚多,但都限于外环弹性、内环刚性或内环弹性、外环刚性的假设范围之内,其中讨论内环弹性的文章又往往忽视内环轴的挠曲平面随内环的刚体有限转动而改变方位的事实而产生错误,所导出的计算公式十分繁琐,既难以复核亦难以实际应用。不同的假设条件和近似方法导致不同的甚至矛盾的结论。例如文献[5]算出陀螺漂移率随支承刚度下降而增大,其它文献却得出截然相反的结论。为此本文重新讨论此问题,以期得到更为合理的结论和可供实际使用的简洁的计算公式。设万向支架的弹性变形集中由无质量     

壁面约束对裙带气泡动力学的影响

基于流体体积法(volume of fluid,VOF),数值模拟了装满黏性液体的圆柱形汽缸中的裙带气泡的浮升运动,研究了侧壁面约束对裙带气泡浮升动力学的影响.用雷诺数(Re)、韦伯数(We)、长宽比(χ)、裙带厚度(T/d)和裙带长度(L/d)等参数来表征不同约束比条件下(1.1≤Cr≤10)裙带气泡的运动和变形特性,分别在全局参考系和局部参考系下分析了壁面对气泡内外流场的影响.模拟结果显示,当Cr≥8时,裙带气泡的行为特性与在无界流域条件下的情况相当,可视作壁面无关的.当Cr8时,壁面对裙带气泡的浮升速度和形状演化有显著影响.随着壁面的靠近,裙带气泡受到的阻力增大,造成浮升速度下降.约束比降低使裙带厚度增厚而长度变短直至裙带消失,裙带气泡受挤压而被拉长并逐渐变为椭圆球帽形最后到子弹形.相反,约束比增大时,裙带气泡尾流效应增强,气泡边缘处流场产生明显的循环流动(涡环),促使裙带的形成.研究表明壁面会加剧裙带气泡产生破碎,印证了前人的推断.模拟结果与已有的经验公式吻合良好,分析了前人公式的适用性.     

液粒凝固过程的动力学理论

在平均场的概念下对液态粒子的凝固过程提出了一个简化的液-固-气-雾(LSGF)数学模型,并在小过冷度的条件下,求出了有关初值问题的一致有效渐近解. 结果表明:整个动力学过程可以分为两个相互联结的时间阶段. (1) 液粒初始温度分布的瞬态过渡阶段. 在这个阶段,凝固尚未正式启动,只是系统内的温度从任意给定的初始分布迅速调整到某一特定空间分布. (2)液粒向固粒转变阶段. 在这一阶段,液-固两相开始分离,相界面逐渐向液粒中心传播,直至液相完全消失. 进而以铜为例,讨论了液态粒子在不同生长条件与物理参数下的凝固时间与凝固过程中的温度分布的演化规律.      

不同心排出量下主动脉瓣血流动力学的PIV实验研究

主动脉瓣发生病变时导致心排出量(cardiac output, CO)减少,而心排出量减少与主动脉瓣血流动力学耦合作用, 引发瓣膜继发性疾病.本文基于医学影像数据三维重构带有冠状动脉的主动脉根部,制备高度光滑和透明的主动脉根部实验模型, 构建体外脉动循环模拟系统,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)研究冠状动脉存在时心排出量对主动脉瓣速度分布、黏性剪应力(viscous shear stress, VSS)和雷诺剪应力(Reynolds shear stress, RSS)等血流动力学的影响.研究结果表明: 冠状动脉的存在改变了主动脉窦中的涡旋运动和涡度,冠状动脉存在时流体经由冠状动脉流出, 主动脉窦中的涡旋运动逐渐消失,涡度较早开始减小. 峰值期, 中心对称流动两侧区域存在正、负高黏性剪切区域,存在冠状动脉一侧的升主动脉下游存在高雷诺剪应力区域.心排出量显著影响主动脉瓣的速度分布、VSS和RSS等血液流动和受力状况.随着心排出量增大, 冠状动脉存在时峰值期的最大速度、VSS和RSS增大, 即$CO=2.1$, 2.8, 3.5和4.2 l/min时, 最大速度分别为0.98, 1.13, 1.21和1.37 m/s, 最大VSS分别为0.87, 0.95, 0.96和1.02 N/m$^{2}$, 最大RSS分别为103.76, 116.25, 138.68和146.55 N/m$^{2}$. 心排出量较低时,主动脉瓣较低的跨瓣流动速度和黏性剪应力易导致血栓形成,研究结果可为主动脉瓣置换术提供理论参考.      

氧化锆口腔种植体的动态植入过程分析与设计

在牙科种植领域常使用的种植体材料多为纯钛或钛合金,然而钛金属种植体存在美学缺陷及潜在的致敏可能等问题.氧化锆陶瓷由于其高强度、美观性与生物相容性被认为是钛金属种植体的理想替代品,但目前国内对于氧化锆种植体的研究仍处于起步阶段.本文通过对氧化锆种植体及骨组织进行有限元建模,并对种植体的动态植入过程进行仿真,分析了骨组织内部的应力-应变状况.结果发现,随着植入深度的增加,种植体与骨组织的接触面积增大,松质骨内应力增加.考虑到骨组织的具体结构,将松质骨内的最大应力-应变作为分析的主要对象,结合损伤分析,对种植体模型进行了优化.此外,还设计了3种具有自攻刃设计的种植体模型,分别进行应力应变分析后确定了最优设计.之后建立了具有自攻刃设计的种植体模型,并模拟了临床的3种植入方案:螺纹成形、螺纹切割、螺纹成形与切割进行分析,通过分析得到螺纹成形与切割种植方案更为安全的结论.本文结果可以指导氧化锆种植体的结构设计以及植入时的条件设定等,为我国自主研发的氧化锆种植体进行了理论指导,为其早日进行临床应用指明了方向.     

时滞反馈控制对弹簧摆动力学行为的影响

利用解析和数值方法,以弹簧摆为对象讨论了线性的时滞位移反馈控制对一类平方非线性系统动力学行为的影响。根据多尺度法得到了1:2内共振情况下一次近似解的慢变方程,基于此讨论了反馈控制参数对零解的稳定性和周期解振幅的影响。结果表明:耦合的反馈项在平均方程中并不出现。根据罗斯-霍尔维茨判据发现,没有反馈控制时该系统的零解总是不稳定的,而通过调整反馈增益或反馈时滞就可以很容易地使零解稳定。反馈时滞对周期解振幅的影响呈现周期性,反馈增益或时滞发生变化时,周期解振幅的变化会表现出鞍结分岔现象;同时基于MATLAB软件的数值计算结果验证了该理论分析的正确性。     

温度变化对钢结构动力学响应的影响分析

为了研究钢材料结构在同时受到压力和温度作用时的结构响应,利用热-力耦合结构动力学有限元程序,对不同物性参数随温度变化时的钢结构进行了动力学响应计算,并进行了对比分析.数值模拟结果表明,钢结构受到的应力会随着温度的变化而变化,温度较高时的结构响应计算需要考虑温度的影响,尤其是塑性硬化模型等参数变化时,结构响应会有较大的影响.     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型....     

轧制过程的显式动力学有限元模拟

采用显式动力学弹塑性有限元方法对平板轧制问题进行了模拟计算,得出咬入,稳定轧制和抛钢阶段整个轧制过程的应力应变场。通过将板宽对称中心线轧制压力分布的计算结果与实验值进行对比,表明计算结果准确。