论文部分内容阅读
心血管疾病威胁人类健康,已经成为现代社会中最主要的杀手,因心血管系统疾病而死亡的人数在死亡总数中占有相当大比例。心血管疾病的预防和早期诊断是临床上急需解决的问题。在心血管疾病中,动脉粥样硬化和动脉瘤对人类健康的威胁最为严重,由于它们的发病机理还不清楚,其预防成为社会和医学难题,因此弄清它们的发生、发展机理是个十分紧迫的问题。虽然动脉疾病的发病机理都很复杂,引起病变的生化过程各种各样,但是这些过程的发生和发展都是以血液流动的流体动力学特性为条件的。临床观测表明动脉疾病的发病机制和病变发展与血流动力学之间存在密切的关系,研究动脉血管中血液的流动对于从力学角度解释和发现病因具有非常重要的意义。作为对病变产生的响应,动脉壁会发生重建,并改变其原有的功能和性质,而动脉壁的重建与其应力分布是相关的。考虑血流与血管壁的流固耦合建立的仿真模型能够反应在体血管的受力情况和血流分布,对于从力学角度解释和发现动脉疾病的发病机制具有现实意义,有助于建立动脉疾病的早期诊断方法和预防治疗手段的研究,对于手术规划、术后效果预测和提高手术成功率也起着重要的指导作用。血液和动脉壁的流固耦合研究是国际前沿课题,流固耦合是相当复杂的,除了采用数值方法外很难用其它的方法来求解。数值模型能够克服理论分析上的困难,并且容易扩展到更为复杂的情况,因此有必要发展数值模型。
本论文主要利用数值方法研究了动脉血管中血液和动脉壁的流固耦合问题,利用构建的流固耦合数值模型研究了动脉血管中的一些生理现象以及血流分布和动脉壁的受力变形等。
论文的研究内容和创新点有以下几个方面:
(1)研究了血流动力学数值模型的定解问题,从理论上说明了边界条件的选取,从而给出了定解条件,建立了具有普遍意义的血流动力学模型。在此基础上选用动脉血管参数,采用不同入口和出口条件,不同壁面条件等边界条件进行了数值计算,发现不同边界条件对血流分布有非常显著的影响:在相同截面处,相对于入口和出口条件均为压力,入口和出口条件为压力与速度使得速度最大值提前出现,压力与速度的条件在反应生理现象上是更为适合的；在峰值雷诺数624和Womersley数6.87的情况下,弹性固体边界的速度分布与刚性边界的情况有明显的不同,其形状始终是平钝的,没有形成Poiseuille流。
(2)研究了早期动脉硬化和顺应性不匹配对动脉血管力学性质的影响,提出了一种新的动脉粥样硬化发病的力学机制,即动脉粥样硬化是脉动血压(或者说血管壁的正应力)和壁面切应力协同作用的结果。病变动脉的CSR(循环应变比)比健康动脉要高,高的CSR使得动脉组织容易产生疲劳,从而引入了抗疲劳因子这个参数用来评价和表征血管的抗疲劳能力,说明了残余应力对于血管提高由脉动血压带来的疲劳寿命是非常有益的,从而解释了在体血管存在残余应力的必要性。
(3)研究了弹性管道中波的传播及其在动脉中的应用问题,通过构建一个合理的流固耦合模型,利用数值方法详细研究了波传播的特性,以及管壁和流体参数对波传播的影响,对速度和压力的时空分布、壁面切应力分布以及管壁的应力和变形等进行了详细探讨。结果表明此数值模型在表达波传播的特性上是有效的,动脉壁的顺应性除了降低壁面切应力外,同时引起了脉搏波的传播。管壁和流体参数的改变对波传播有显著的影响:相对于弹性管模型,流体粘度增加或弹性管长增加或内径减小或出口压力增加没有改变波传播的时间延迟,然而刚性壁面或流体密度减小或弹性管长减小或壁厚增加缩短了时间延迟。此模型应用到动脉血管的脉搏波传播上是成功的,能够表达动脉血管中脉搏波这一生理现象,并且能够反映脉搏波传播的许多重要力学性质。