基于流固耦合研究维医沙疗对股动脉分支脉动血流动力学影响

摘要

血流动力学(Hemodynamics)理论结合生物学，医学的原理和方法来研究血液流动和血管壁的力学特性，分析血液在循环系统中的流动原理，进而从生物力学的角度揭示血液循环系统疾病的致病机理是具有实际意义。
　　维医沙疗是利用多物理场（温度场，应力场，磁场）耦合的综合效应来治疗疾病的一种物理疗法。在治疗过程中患者血流速度，血管直径，血管阻力指数以及心率等血液流动参数的改变势必刺激血管壁，因此利用流-固耦合方法研究血液和血管壁之间的相互耦合效应，探究维医沙疗导致的血流动力学参数与生理学指标的变化对血液流场以及血管壁生物力学行为改变的影响，讨论其利弊显得极其重要。
　　本文在模仿吐鲁番维吾尔医院沙疗所建立的室内维医沙疗系统中对受试者进行埋沙实验，分别测试受试者下肢不同部位动脉治疗前后的血流速度峰值、内径和血管阻力指数，心率和血压，选取59位受试者股总动脉血流速度峰值，内径，阻力指数以及心率治疗前后的测试结果进行统计学分析，从实验的方法探究维医沙疗对血流动力学的指标的影响。对一名健康成年男性志愿者的下肢进行断层CT扫描，构建了基于CT扫描的人体股动脉血液-血管壁相互接触的3D有限元模型；将统计学处理的实验数据作为初始条件，利用ANSYS workbench分别对治疗前后两种情况进行流-固耦合数值模拟，讨论维医沙疗对人体血流动力学的影响及其临床意义。
　　结果：（1）实验研究表明维医沙疗后股动脉血流速度峰值的平均值，内径以及受试者心率分别增大了32.43%和2.63%，22.4%；阻力指数降低了4.88%，股动脉血流速度峰值，阻力指数和心率维医沙疗前后的差异均具有统计学意义(P<0.05），股动脉内径维医沙疗前后的差异无统计学意义（P>0.05）。（2）模拟研究表明，维医沙疗后壁面切应力，壁面压强的最大增量达到50%,血管壁等效应力的增量达到64%；速度场速度增量范围为20%~35%；维医沙疗后某些质点产生“负压”效应的时间出现了不同程度的减少。（3）笔者在血管中取不同的质点来研究壁面切应力的变化规律得知，不同质点的壁面切应力随时间变化规律有所区别，维医沙疗后在股动脉壁上某些质点的壁面切应力明显大于维医沙疗前，而有些质点维医沙疗后的壁面切应力值没有明显增大，甚至某些质点的壁面切应力值明显小于维医沙疗前的壁面切应力值。
　　结论：（1）维医沙疗可以增加血流量，改善人体供血能力，增大股动脉血流雷诺数(Renolds Number)以及沃姆斯莱数（Womersley number），对预防动脉内血小板的沉积以及缺血性脑卒中的发生起积极作用，改善人体股动脉血液流动状态，但通过计算治疗前后的雷诺数以及沃姆斯莱数可以推知，治疗过程的时段人体股动脉内的血液流动方式很有可能由层流变为紊流，结果导致血管瘤，因此建议血管内壁比较薄弱的人群埋沙时控制埋沙温度，厚度和时间；（2）维医沙疗可以增大壁面切应力，对预防动脉壁增厚引起的动脉粥样硬化及血栓的形成有一定的积极作用；（3）维医沙疗后von-Mises等效应力的明显增加会加大股动脉在分叉部分破裂的可能性，导致血管堵塞等血液循环障碍，患者进行维医沙疗时需要慎重；（4）血流速度不是增大壁面切应力的唯一因素，在研究壁面切应力的变化时人体血管的复杂性及不规则性是不可忽略的。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.3 论文研究内容和目的

1.4 本文结构

1.5 本课题来源和内容

第二章 实验研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 测试结果统计学处理与结论

2.4 分析与讨论

2.5 本章小结

第三章 Y型股动脉的单向流-固耦合数值模拟研究

3.1 引言

3.2 流-固耦合方法简介

3.3 流体力学基础理论

3.4 数值模拟

3.5 本章小结

第四章 Y型股动脉双向流固耦合脉动血流动力学数值模拟研究

4.1 引言

4.2 力学理论

4.3 双向流固耦合数值模拟计算

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果

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