易损斑块血流动力学参数的CFD模拟和PIV实验

摘要

血栓是血流在心血管系统血管内面剥落处或修补处的表面所形成的小块，常常会造成动脉局部堵塞，引起器官缺血、缺氧而衰竭。动脉粥样硬化是血栓形成的主要因素。动脉粥样硬化导致血栓形成的具体过程是:动脉粥样硬化斑块破裂引发血管内壁表面的内皮细胞受损，血小板在破损处黏附、聚集使管腔狭窄，并且使凝血系统激活而形成血栓。有研究表明，不是所有的动脉粥样硬化斑块都会发生破裂。其中不会形成血栓的动脉粥样硬化斑块被称为稳定斑块，有破裂倾向的斑块则称为易损斑块(Vulnerable Plaque)。易损斑块是由薄纤维帽、广泛的巨噬细胞浸润、大脂质核等组成，故可以通过对斑块组成成分的检查来对易损斑块进行识别。
　　易损斑块的检查手段包括有创的影像学检查方法和无创的影像学检查方法。有创影像学检查方法有血管造影术(Vasography)、血管内超声(IntravascularUltrasound，IVUS)和光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography，OCT)。血管造影术是目前临床有创评价动脉粥样硬化斑块和血管腔狭窄程度的“金标准”，其操作方法相对成熟，判断方式简单直观。但是该方法只能提供间接的，不完全的血管壁疾病信息。对造影发现复杂斑块的患者，可能意味着易损斑块的存在，对于造影没有明显狭窄和复杂斑块的患者，也不能排除易损斑块的存在，故该种检查方法虽然特异性较高，但敏感性较差，并非检测易损斑块的优选方法。IVUS具有良好的血管穿透性，能够提供血管壁的详细结构图像，区分内膜，中膜和外膜，其检测脂质核心的敏感性达到80％-90％。但是IVUS的图像分辨率大约是100μm，对于纤维帽厚度小于65μm的易损斑块难以鉴别。OCT分辨率高，可检测斑块的裂隙、脂质和纤维帽结构，该方法所估测的斑块中巨噬细胞的数量与病理学的测值高度相关。OCT的分辨率可达10μ m，对于分辨厚度小于65μ m的纤维帽和纤维钙化的敏感性与特异性较高，但因其有创检查而较难广泛用于处于动态变化的易损斑块早期识别。这也是其他有创检查方法的局限性。
　　易损斑块的无创影像学检查方法包括放射性核素成像、磁共振(MagneticResonance Imaging，MRI)和计算机断层成像(Computed Tomography，CT)。放射性核素成像包括正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography，PET)和单光子发射计算机断层成像(Single-photon Emission Computed Tomography，SPECT)，这两种技术结合特异性标记物的研究应用，可以提高动脉易损斑块检出的敏感度和特异度。研究表明，颈部动脉炎症的程度与18F-FDG（18F正电子标记的脱氧葡萄糖）-PET的摄取率有关，通过18F-FDG可以识别颈部动脉的炎性易损斑块。MRI分辨率高可以较可靠地识别出颈动脉、外周动脉部位的易损斑块。新兴的血管内磁共振成像技术能实现定性定量显示血管（尤其是深部血管）管壁和斑块的结构。CT对于易损斑块的识别主要是基于CT值进行的。Schroeder利用病例组织做对照将斑块按着CT值分三类:软斑块（富含脂质的斑块）≤60 HU、纤维斑块61-119 HU、钙化斑块≥120 HU。利用CT检查可以鉴别易损斑块的两个重要特征:较大的脂质核和正向重构斑块，但因脂质斑块与纤维斑块之间的CT值区分不准确，无法识别易损斑块的纤维帽。以上三种无创方法的局限性在于时空分辨率较低。
　　影像学方法通过检查斑块的结构和成分信息来判断斑块的易损性。然而，斑块是否会发生破裂不仅与斑块的组成成分有关，也和斑块的血流动力学参数有关。这些参数主要有剪切力(Wall Shear Stress，WSS)、血流速度(Blood FlowVelocity)、流体状态（比如层流、涡流、湍流等）。超声粒子图像测速技术(Ultrasonic Particle Image Velocimetry，PIV)可以通过超声无创检测方法和血流动力学参数的结合实现对易损斑块进行风险评估。该技术是利用造影微泡对超声波的强烈发射，通过高分辨率超声系统对造影区域采集图像序列，然后对连续的两帧图像进行图像互相关计算，进而获取流场速度分布。PIV测速实验平台搭建了与人体血液循环系统具有相同周期脉动特征的流体循环系统。由脉动泵产生的脉动流，经过储液池、传输管道流经血管仿体，使其产生周期性收缩、舒张，通过对脉动泵频率、每搏输出量、收缩期/舒张期时间比等参数的调控，使弹性血管仿体产生模拟人体血管的运动特征。
　　除了以上所有专业医疗检测方法外，还有一种介于数学、流体力学和计算机之间的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法也可以用来计算流场速度分布。CFD通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。其具体求解过程是设置一系列流体进出口边界条件利用计算机进行数值模拟来计算流场流速分布。CFD方法结果的准确性取决于流体模型、壁面函数等条件的合理选择。为了能在同一实验条件下比较PIV和CFD的实验结果，本次研究对PIV测速实验平台进行了改进。具体改进有:在仿体前后加装了压力传感器，并通过示波器读取压力波形;其次在仿体前放置了转式流量计，用来记录流体流量。压力波形和流体流量就是CFD模拟的初始边界条件。不同狭窄程度的斑块的血流动力学参数是不同的，所以本研究对三组狭窄程度不同的仿体分别使用PIV和CFD方法计算其血流动力学参数。
　　实验方法:本次实验设置了三组狭窄程度不同的血管仿体模型，并制作了相应的血管仿体模具，根据冷冻-解冻法，使用PVA水凝胶制备实验用血管弹性仿体。同时搭建了经改进的PIV实验平台，分别进行PIV实验和CFD计算。
　　实验过程:使用Vevo2100超声实时分子影像系统采集不同狭窄程度仿体的流场超声图像，可以通过调节超声设备的帧频(Frame Rate)、线密度(LineDensity)、图像宽度(Image Width)等参数获取最佳的超声图像，每个仿体采集3个心动周期图像，图像结果使用Matlab2014软件处理获取PIV实验结果。CFD模拟的具体过程是:根据血管仿体形状依次建立了相应的仿真模型，对模型进行网格划分，同时将PIV实验中仿体入口端流量计的读数，以及通过示波器读取的仿体入口端和出口端一个周期内压力波形，作为CFD模拟的进口端流量、进口端压力、出口端压力条件并编写成UDF代码，作为边界条件加载到ANSYS分析软件进行模拟。最后取斑块前、中、后三个径向位置，在一个心动周期速度最大时候，分别比较这三个位置处PIV和CFD的实验结果，比较结果用Origin85软件处理。
　　实验结果:CFD和PIV方法的结果均能准确捕捉到斑块前后位置处流场的变化:在斑块前部的流场，越靠近斑块，流体向上运动的趋势越明显，而在斑块后部都出现了明显的回流现象;斑块狭窄程度越高，回流现象越明显。通过三组不同狭窄程度的仿体实验结果可以看到，30％狭窄程度的仿体中，CFD和PIV所得的流体速度最为接近;70％狭窄程度的仿体中，两种方法测得的速度相差最明显，PIV所测得的实验结果明显低于CFD结果。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 血管内超声

1．2．2 光学相干断层扫描

1．2．3 磁共振成像

1．2．4 放射性核素成像检测

1．2．5 近红外光谱法

1．3 血流动力学分布对研究易损斑块的意义

1．4 本文研究内容

第二章 流体力学基础

2．1 流体运动描述方法

2．1．1 粘性流体

2．1．2 可压缩流体与不可压缩流体

2．2 运动流体的描述

2．2．1 入口段与充分发展段

2．2．2 层流与湍流

2．3 流体流动基本控制方程

2．3．1 连续性方程

2．3．2 Navier-Stokes方程

2．3．3 能量守恒方程

2．4 数值求解的研究

2．5 计算流体动力学

2．5．1 前处理

2．5．2 FLUENT求解器

2．5．3 后处理

2．6 ANSYS求解步骤

第三章 超声粒子图像测速算法

3．1 超声粒子图像测速法的原理

3．2 PIV算法

3．2．1 互相关计算

3．2．2 亚像素处理

3．2．3 滤波插值

3．2．4 速度矢量修正

第四章 PIV实验及CFD仿真参数的设置

4．1 超声造影剂

4．1．1 超声造影成像

4．1．2 超声造影剂的发展历史

4．2 超声探头

4．3 血管仿体

4．3．1 聚乙烯醇水凝胶

4．3．2 散射子

4．3．3 血管仿体制备

4．4 PIV实验

4．4．1 实验主要装置

4．4．2 实验系统

4．5 本实验的实验参数

第五章 PIV实验和CFD仿真结果

5．1 无斑块仿体的PIV与CFD实验结果对比

5．2 不同狭窄程度的斑块的PIV与CFD实验结果对比

5．2．1 30％狭窄仿体实验结果

5．2．2 50％狭窄仿体实验结果

5．2．3 70％狭窄仿体实验结果

5．3 结果

5．4 讨论

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期问成果

致谢

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