創(chuàng)建下肢動脈血管有限元模型及模仿計算流體力學

【關鍵詞】血流動力學；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進行了研究。有學者【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，但現(xiàn)有的模型大多是通過CAD技術簡化或繪制的]，基于這些模型的計算結果并不能真實反映下肢動脈的血流動力學特性]；而且大多數(shù)研究[4]都假設流體是理想流體，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)導入MIMCS14.0軟件，通過圖像預處理形成血管輪廓，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，對有限元進行3D模型處理，并設置網(wǎng)格邊界條件，最后網(wǎng)格化后的GTM模型？在CFX中設定邊界條件: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？預處理后(CFX—Pre)？求解(CFX—求解器)？結果及后處理(CFX—Post)，CFX中的有限元流體力學計算？

2個結果

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?。?/p>