創(chuàng)建下肢動脈血管有限元模型及模仿計算流體力學(xué)

【關(guān)鍵詞】血流動力學(xué)；模擬值；虛擬現(xiàn)實；三維有限元

下肢動脈疾病已成為危害公眾健康的重要疾病之一。長期以來，人們對下肢動脈的血流動力學(xué)進(jìn)行了研究。有學(xué)者【用硅膠玻璃或生物材料制作仿生血管建立血管模型】無法達(dá)到完全模擬的效果，實驗參數(shù)也僅限于速度和壓力，無法滿足臨床要求。近年來，許多學(xué)者開始嘗試用數(shù)模擬的方法研究下肢動脈的血流動力學(xué)，但現(xiàn)有的模型大多是通過CAD技術(shù)簡化或繪制的]，基于這些模型的計算結(jié)果并不能真實反映下肢動脈的血流動力學(xué)特性]；而且大多數(shù)研究[4]都假設(shè)流體是理想流體，其性質(zhì)是穩(wěn)定流動，這與生理實際是有偏差的。這個實驗試圖使用真實的人血管模型和近似的血液物理特性。

實驗流體是脈動的，為人體血流動力學(xué)的研究提供了精確的模型和模擬方法。

1材料和方法

1.1數(shù)據(jù)采集

使用GELightSpeed16排螺旋CT、影像工作站、醫(yī)用高壓注射器、100ml高濃度非離子型造影劑iofool。選取患者雙側(cè)下肢動脈的CTA數(shù)據(jù)，以其正常的股動脈為研究對象進(jìn)行建模，獲得520張2D斷層圖像，以DICOM格式存儲。

1.2建模和有限元分析

1.2.1模擬的建模

將DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMCS14.0軟件，通過圖像預(yù)處理形成血管輪廓，并用不同顏色將血管與其他組織區(qū)分開來。使用手工分割的方法提取所需的

血管，利用自動生成3D的功能，平滑得到3D立體模型？

1.2.2有限元模型的建立及水動力分析

用an-sys workbench 11.0，對有限元進(jìn)行3D模型處理，并設(shè)置網(wǎng)格邊界條件，最后網(wǎng)格化后的GTM模型？在CFX中設(shè)定邊界條件:層流；非彈性管道；脈動流；人口為0.56米/秒；相對壓力為0；壁面和流體之間沒有滑移？血液參數(shù):密度1050kg/m？，粘度為0.0035 pa·S，雷諾數(shù)為704.40，人口流體速度平均分布？用迭代圖檢查邊界條件是否合理？預(yù)處理后(CFX—Pre)？求解(CFX—求解器)？結(jié)果及后處理(CFX—Post)，CFX中的有限元流體力學(xué)計算？

2個結(jié)果

2.1正常血管的3d 模型和有限元模型，模型節(jié)點和單元總數(shù)分別為10747和23945個。

2.2實驗得到的直觀圖形見圖1~4？

①血流線分布均勻，流速變化不大；

②血液在正常血管中呈層流，血管中心的血液流速最高，越靠近血管壁，流速越小。

③正常血管內(nèi)血管壁壓力從入口側(cè)到出口側(cè)均勻下降；

④血管壁剪切力分布不均勻，說明血管壁內(nèi)部不光滑？

3討論

本實驗利用活體CT掃描數(shù)據(jù)建立有限元模型，有限元流體力學(xué)分析中使用模擬血液流體和脈動流，更符合生理實際？下肢動脈疾病常見于中老年人，其動脈大多有動脈粥樣硬化，血管壁彈性差，所以將模型定義為無彈性管道合理嗎？目前，基于CT數(shù)據(jù)的有限元模型已經(jīng)成為建立三維有限元模型 [6]的主要手段，其優(yōu)點如下:

①在體采集圖像，有限元模型幾何相似性好；

②包含的數(shù)據(jù)量大，適合采集復(fù)雜形態(tài)的三維信息；

③基于CT數(shù)據(jù)的建模方法成熟簡單？快速建立有限元模型，模型誤差小；