7人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ， Ｖｏｌ． ２３ Ｎｏ． ４， Ａｕｇ． ２００８
２７９
文章编号：１００４－７２２０（２００８）０４－０２７９－０５
人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析
万大伟 １，孙琦 ２，刘应征 １，刘金龙 １，曹兆敏 １，刘锦纷 ２
（１．上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 ２００２４０；２．上海交通大学医学院 附属上海儿童医学中心，上海 ２００１２７）
摘 要 ：目的 阐明基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术，利用计算流体动力学方法对人体主动脉弓内的血液流 场进行了三维数值模拟 。方法 通过对临床核磁共振成像进行图像处理完成主动脉弓及分支血管的三维数字化重构，结 合相关脉动血流量，模拟主动脉弓在心动周期不同时刻的血液流动细节。结果 计算得到了人体主动脉弓内的血液流动 在心动周期不同时刻的速度场、压力、壁面剪切应力的分布特征。结论 基于核磁共振数据进行数值建模的关键技术 有利于生物流体力学研究的深入开展，对主动脉弓进行血液流场的数值模拟有利于临床动脉粥样硬化、主动脉夹层的诊 断和治疗。 关键词：主动脉弓；磁共振成像（ Ｍ Ｒ Ｉ ） ；脉动流；计算流体动力学（ Ｃ Ｆ Ｄ ） 中图分类号：Ｒ ３ １ ８ ． ０ １ 文献标志码：Ａ
２８１
在计算区域的网格生成中，主动脉弓区域和 血管分支处的网格密度较大，主动脉弓入口及升主 动脉段网格密度也较大。整个计算区域所生成的网 格有 ６２０ ０００ 个节点以及 ５９０ ０００ 个六边形网格单 元。计算中取正常人体心脏脉动周期 ｔ＝０．８ ｓ；主 动脉弓的入口边界设为非稳态速度入口边界，由于 在临床上未能得到主动脉弓入口瞬时流量值，本文 通过对 Ｍｏｏｒｅ 和邱霖等［１２，１３］进口速度函数的修改， 得到入口速度条件 如图 ２ 所示；计算时间为四个 心动周期 ３．２ ｓ，时间步长 ∆ｔ＝１ ｍｓ；整个心动周 期内平均流速所对应的 Ｒｅ＝１２５０，Ｗｏｍｅｒｓｌｅｙ 数为 １９．８７。各出口边界均设为零压力出口边界［５］，计 算得到的各血管分支及降主动脉的血流量分配关系 符合临床生理特征［ １ ０ ］。此外，模型的出口段延长 了 ４０～５０ 倍管径以保证流体流出研究区域时满足充 分发展流动条件，管壁均满足固壁无滑移条件［２］。
⑵ 对外围组织进行分离和切割，得到如图 １ （ｂ）所示的主动脉弓及心脏三维模型。
⑶ 由于左右心室、肺动脉等血管组织与主动 脉弓交织在一起，在三维模型中直接分离主动脉弓 及其分支血管有非常大的难度。本文进行了如图 １ （ｃ）所示的二维图像分割处理，预先去除主动脉弓及 分支血管以外的几何组织，然后对分割后的每片 ＭＲＩ 图像进行光滑处理，最终获得每一层主动脉弓 几何的边界轮廓，如图 １（ｄ）所示。
(V ⋅∇)V来自dV=−∫∫ ϕ
pd
A+ 1 Re
∫∫ ϕτ
⋅d
A
式中：ｐ 为压力；τ 为黏性应力张量；Ｒ ｅ 为雷诺 数，α 为 Ｗｏｍｅｒｓｌｅｙ 数。
万大伟，等． 人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析
ＷＡＮ Ｄａ－ｗｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ
医用生物力学 第 ２３ 卷 第 ４ 期 ２００８ 年 ８ 月
２８０
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ， Ｖｏｌ． ２３ Ｎｏ． ４， Ａｕｇ． ２００８
进行了大量的计算机仿真研究［１－１１］。然而，这些研 究大多将主动脉弓几何模型进行了较大的简化处 理，如几何模型对称分布［１］，环向弯曲成 １８０ 度的 等截面血管［１－２， ４－５］，或忽略分支血管和降主动脉对主 动脉弓内血液流场的影响［１－２， ７－９］。这些简化模型的几 何特征与人体实际情况有较大差距，其计算结果难 以准确反映人体主动脉弓内血流的真实情况［１１］。本 文通过对医院采集到的心血管系统核磁共振数据进 行三维图像处理，分离并重构了连接升主动脉、降 主动脉和分支血管的人体主动脉弓三维真实模型。 在给定的血流生理条件下，进行了细致的三维血流 动力学计算机数值模拟，获取了主动脉弓内血液流 场、压力和壁面剪切应力等血流动力学数据。相 关研究验证了基于核磁共振数据进行数值建模关键 技术的可行性，数值分析的结果对于动脉粥样硬 化、主动脉夹层等疾病的诊断和临床治疗有较好的 辅助作用。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩｓ） ｗａｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｉｎ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｉｎ ｇｅｎｅｓｉｓ ｏｆ ａｏｒｔｉｃ ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ．Ｍ ｅｔｈｏｄｓ Ｄｉｇｉｔａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩｓ） ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＣＦＤ ｍｏｄｅｌ ａｓ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ｗａｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｍｏｄｅｌｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｗａｌｌ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ （ＷＳＳ） ｉｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｉｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｏｎｅ ｃａｒｄｉａｃ ｃｉｒｃｌｅ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｃ ｏｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｏｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｂｉｏ－ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｃｏｕｌｄ ｐｌａｙ ａｎ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ａｏｒｔｉｃ ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ； Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩ）； Ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ； Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ
（１） 在整个心脏收缩过程中，主动脉弓壁面剪 切应力数值在 ０～５．５ Ｐａ之间变化；主动脉弓分叉和 弯曲管段壁面剪切应力幅值最大，且变化较大。这 与Ｓｈａｈｃｈｅｒａｇｈｉ［５］和Ｃｈｅｎｇ［１１］等的报道非常一致。
Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ
ＷＡＮ Ｄａ－ｗｅｉ１， ＳＵＮ Ｑｉ２， ＬＩＵ Ｙｉｎｇ－ｚｈｅｎｇ１， ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｌｏｎｇ１， ＣＡＯ Ｚｈａｏ－ｍｉｎ１， ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｆｅｎ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｈｉｌｄｒｅｎ＇ｓ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２７， Ｃｈｉｎａ．）
２ 计算结果及讨论 图 ３ 所示为血流在不同时刻主动脉弓内流线
图。在收缩加速期（ｔ＝０～０．１０２ ｓ），主动脉弓内的血 液流动比较稳定，没有出现显著的二次流回流和漩 涡等流动紊乱现象；随着大动脉进口血流速度的瞬 时变化，当收缩达到末期时（ｔ＝０．２５ ｓ），整个主动 脉弓内的血液流动异常紊乱，伴有漩涡和二次流等 流动特征，这些流动特征在文献［１，９］中都曾被描 述。
模的具体方法参考 Ｍｏｏｒｅ 等［１２］的报道。 ⑸ 将图１（ｅ）所示的主动脉弓模型导入商业前处
理软件 Ｐｒｏ／Ｅ 进行预处理，建立便于流动数值计算 的主动脉弓三维模型，如图 １（ｆ）。最后用 ＡＮＳＹＳ－ ＩＣＥＭ 对该主动脉弓模型进行结构化网格划分，如 图 １（ｇ），将划分好的网格导入 ＣＦＤ 求解器 ＡＮＳＹＳ－ Ｃ Ｆ Ｘ 即可进行主动脉弓内血流数值模拟。
⑷ 对图１（ｄ）所示光滑处理后的所有二维核磁共 振图片利用 ＲｅａｌＩｎｔａｇｅ进行三维重建，得到图 １（ｅ） 所示的真实人体主动脉弓模型。关于图像分割和建
图 １ 三维主动脉弓 ＭＲＩ 图像数字化重构过程 Ｆｉｇ．１ ３－Ｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ＭＲＩ ｉｍａｇｅｓ
收 稿 日 期 ： ２００７－１２－０５；修回日期：２００８－０４－１５ 基 金 项 目 ： 国家自然科学基金项目（３０６７２０８７），上海市科委国际合作项目（０６４３０７０５６）。 作 者 简 介： 万大伟（ １ ９ ８ ３ － ） ，男，硕士研究生，研究方向：生物流体力学。 通 讯 作 者 ： 刘应征，Ｔｅｌ： （０２１）６４４７２３８３；Ｅ－ｍａｉｌ： ｙｚｌｉｕ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
大量研究表明，动脉粥样硬化常发生在动脉 的弯曲或分叉部位，如主动脉弓、颈动脉和冠状 动脉。动脉粥样硬化的这种病灶性是与这些特殊几 何特征下独特的血液流动特性密切相关的［１－５］。对于 主动脉弓而言，血流速度和压力的改变、流动的
人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析
γ觶 c
）exp( -d ) γ觶
-3
其 中 μ ∞ =3.17 ×10 ，n ∞ =1，Δμ=0.25，Δn=0.45，a=50,
-1 -1
b=3，c=50，d=4，粘度单位为 Kg·m ·s 。 牛顿血液模
型的粘度
μ
=
3.71
×
103
-1 -1
Kg·m ·s
。
根据雷诺数公式
Re = ρUD [7]， μ
- 2422 2011 年 1 月 第 28 卷第 1 期
中国医学物理学杂志 Chinese Journal of Medical Physics
人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析
Jan．,2011 Vol．28． No．1
杨金有 1， 徐跃平 1， 俞 航 1， 刘 静 2， 单晶心 1 ， 郭金明 3， 洪 洋 1 （1.中国医科大学 基础医学院 生物物理学 教研室， 辽宁 沈 阳 110001； 2.中 国 医 科 大 学 附 属 第 一 医 院 放 射 线 科 ， 辽 宁 沈 阳 110001； 3.中 国 医 科 大 学 附 属 盛 京 医 院 骨 科， 辽宁 沈阳 110004）
中 所 用 的 控 制 方 程 为 三 维 非 定 常 流 动 的 Navier-
ΔΔ Δ ΔΔ
stokes 方程[3]：
ρ（
坠u 坠t
+u·
u）= ·T -
P
其中：u 是三维速度矢量；ρ 为密度；P 为压强；T 为
T
切应张量，其与粘度的变化关系为 T = μ（ u+ u ）。
对于非牛顿流体， 粘度 μ 是关于切应变率 的函数；
时 刻 /s
位置
人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析
人体主动脉弓内非牛顿血液流动数值模拟分析杨金有;徐跃平;俞航;刘静;单晶心;郭金明;洪洋【期刊名称】《中国医学物理学杂志》【年(卷),期】2011(028)001【摘要】目的:通过基于三维重构技术对正常人体主动脉弓内的血流进行非牛顿血液模型数值模拟,分析血流动力学参数与血管疾病的关系,并与牛顿血液模型获得的壁面切应力(WSS)参数进行比较.方法:对临床获得的CT医学图像据进行处理重构,并转化为可用于模拟计算的三维模型.应用计算流体力学(CFD)方法进行数值模拟计算.结果:获得了正常人体主动脉弓内血流在心动周期内不同时刻的血流动力学参数.结论:主动脉弓内复杂的血流情况与血管疾病的产生与发展存在一定联系,并且非牛顿血液模型更为适合进行深入细致的主动脉弓内血液低速区域的瞬态模拟分析.【总页数】5页(P2422-2425,2429)【作者】杨金有;徐跃平;俞航;刘静;单晶心;郭金明;洪洋【作者单位】中国医科大学,基础医学院,生物物理学教研室,辽宁,沈阳,110001;中国医科大学,基础医学院,生物物理学教研室,辽宁,沈阳,110001;中国医科大学,基础医学院,生物物理学教研室,辽宁,沈阳,110001;中国医科大学,附属第一医院,放射线科,辽宁,沈阳,110001;中国医科大学,基础医学院,生物物理学教研室,辽宁,沈阳,110001;中国医科大学,附属盛京医院,骨科,辽宁,沈阳,110004;中国医科大学,基础医学院,生物物理学教研室,辽宁,沈阳,110001【正文语种】中文【中图分类】Q66【相关文献】1.人体真实形状手指内的血液流动和温度分布的有限元分析 [J], 贺缨;姬野龙太郎;刘浩;横田秀夫;孙智刚2.正常体位下人体椎动脉内血流动力学数值模拟分析 [J], 刘静;杨金有;洪洋3.应用计算流体力学方法分析人体腹主动脉分叉内血液流动 [J], 徐跃平;杨金有;俞航;刘静;洪洋4.三维复杂血管内非牛顿血液流动数值模拟 [J], 熊丽丽;马怀安5.非稀疏液滴群内单液滴的多段自着火现象数值模拟分析 [J], 周恒毅;刘有晟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
无创血液动力学参数意义
附件一：BioZ提供的主要参数及临床意义（一）主要参数1、心率（HR）HeartRate2、平均动脉压（MAP）MeanArterialPressure3、心输出量/心脏指数（CO/CI）CardiacOutput/Index4、每搏输出量/每搏指数（SV/SI）StrokeVolume/Index5、外周血管阻力/阻力指数（SVR/SVRI）SystemicVascularResistance/Index6、心肌收缩指数速度指数（VI）VelocityIndex加速指数（ACI）AccelerationIndex7、胸腔液体量（TFC）ThoracicFluidContent8、左室射血时间（LVET）LeftVentricularEjectionTime9、预射血期（PEP）Pre-ejectionPeriod10、收缩时间比率（STR）SystolicTimeRatio11、左室做功/做功指数（LCW/LCWI）LeftCardiacWork/Index12、每搏变异率（SVV）StrokeVolumeVariation（二）临床意义1、心率2、血压1）概念：血液对血管壁的侧压力收缩压：血液由左室到主动脉最高时的压力100-140mmHg舒张压：血液由主动脉到外周血管时的最低压力70-90mmHg 2）临床意义影响因素：A、左室射血量以左室舒张末期容积衡量（LVEDV）―-前负荷B、左室射血时间HR、前负荷C、主动脉顺应性血液在主动脉内流动，进入一主动脉扩张，流出一主动脉回缩Windkessel效应（年龄，疾病影响）D、SVR主动脉顺应性+SVR二后负荷3、心输出量/心脏指数1）概念：CO每分钟心脏泵血量4-8L/minCI按体表面积计算的心输出量2.5-4.2L/min/m22）影响因素：基础代谢率（年龄，姿势，运动，体质，体温，性别，环境温度、湿度，危重病人、术后病人，疾病，心理）3）临床意义：A、同血压相比，心输出量的变化能够提供机体功能或基础代谢率需求发生重大变化时的最早期报警。
7人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析
∫∫ ϕ V d A = 0
α2 Re
∫∫∫ V
∂V ∂t
dV
+
∫∫∫ V
(V ⋅∇
)V
dV
=
−∫∫ ϕ
pd
A+ 1 Re
∫∫ ϕτ
⋅d
A
式中：ｐ 为压力；τ 为黏性应力张量；Ｒ ｅ 为雷诺 数，α 为 Ｗｏｍｅｒｓｌｅｙ 数。
万大伟，等． 人体主动脉弓内三维血流动力学数值分析
ＷＡＮ Ｄａ－ｗｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ
（１） 在整个心脏收缩过程中，主动脉弓壁面剪 切应力数值在 ０～５．５ Ｐａ之间变化；主动脉弓分叉和 弯曲管段壁面剪切应力幅值最大，且变化较大。这 与Ｓｈａｈｃｈｅｒａｇｈｉ［５］和Ｃｈｅｎｇ［１１］等的报道非常一致。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩｓ） ｗａｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｉｎ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｉｎ ｇｅｎｅｓｉｓ ｏｆ ａｏｒｔｉｃ ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ．Ｍ ｅｔｈｏｄｓ Ｄｉｇｉｔａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩｓ） ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｍｐｏｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＣＦＤ ｍｏｄｅｌ ａｓ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ｗａｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｍｏｄｅｌｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｗａｌｌ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ （ＷＳＳ） ｉｎ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｉｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｏｎｅ ｃａｒｄｉａｃ ｃｉｒｃｌｅ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｃ ｏｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｏｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｂｉｏ－ｆｌｕｉｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｃｏｕｌｄ ｐｌａｙ ａｎ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ａｏｒｔｉｃ ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｔｅｒｉｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ａｏｒｔｉｃ ａｒｃｈ； Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｅｓ （ＭＲＩ）； Ｂｌｏｏｄ ｆｌｏｗ； Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ
主动脉弓狭窄超声诊断标准
主动脉弓狭窄超声诊断标准
一、主动脉内径
在超声诊断主动脉弓狭窄时，首先需要测量主动脉的内径。
通常，正常的主动脉内径在2.0-3.5cm之间。
如果主动脉内径小于2.0cm，则可能存在狭窄。
二、血流速度
血流速度是判断主动脉弓狭窄的重要指标。
在正常情况下，主动脉内的血流速度应该在0.5-1.0m/s之间。
如果血流速度明显加快，大于
1.0m/s，特别是在收缩期，则可能提示存在主动脉弓狭窄。
三、频谱多普勒
频谱多普勒可以提供关于血流动力学的详细信息。
在主动脉弓狭窄的情况下，频谱多普勒会显示出高速的血流信号，这通常与湍流有关。
这种湍流的出现可以帮助医生诊断主动脉弓狭窄。
四、彩色多普勒
彩色多普勒可以提供直观的血流信息。
在主动脉弓狭窄的情况下，彩色多普勒可以显示出狭窄部位的血流加速和颜色混杂的信号。
这种信号可以帮助医生判断是否存在主动脉弓狭窄。
综合以上四个方面的信息，超声诊断主动脉弓狭窄的标准主要包括：主动脉内径小于 2.0cm，血流速度加快（特别是收缩期），频谱多普勒显示湍流，以及彩色多普勒显示狭窄部位的血流加速和颜色混杂的信号。
如果这些标准中的一项或多项被满足，则可以诊断为主动脉弓狭窄。
人胸主动脉血液流动的三维数值分析
人胸主动脉血液流动的三维数值分析向亚菲;李功文;汤敬东;殷俊锋【期刊名称】《同济大学学报（医学版）》【年(卷),期】2010(031)004【摘要】目的结合计算流体力学的基本原理和血流动力学的相关知识,对人胸主动脉血管内的血液流场进行三维有限元数值模拟和研究.方法计算出在抛物型初速度下,正常人的胸主动脉内血液流动在心动周期内不同时刻的壁面压力、速度和速度矢量分布.结果血流速度受到胸主动脉血管锥度角、弓状弯曲及分支血管的分流的影响而发生明显的差异,主动脉弓与分支血管交界面远心端的血流速度明显高于近心端的血流速度.主动脉弓段内外壁血流压力差异明显.结论血流速度和压力变化剧烈区域与临床主动脉夹层易发区域相吻合,血流速度和压力对该疾病的发生有一定影响.【总页数】5页(P19-23)【作者】向亚菲;李功文;汤敬东;殷俊锋【作者单位】同济大学数学系,上海,200092;同济大学土木工程学院,上海,200092;同济大学附属同济医院普外科,上海,200065;同济大学数学系,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】Q66【相关文献】1.针刺左侧足三里对健康青年人大脑后动脉血液流动力学影响的研究 [J], 程为平;赵健;牛茜茜2.术中应用温热液体对人工关节置换术患者血液流动学和术后低体温的影响 [J], 钱浓浓;成丽明3.微型人造血管壁面特征对血液流动的影响 [J], 王桂莲; 孙云娜; 姚锦元; 王艳; 丁桂甫; 章巧琪4.人胸主动脉血液脉动流的三维数值分析 [J], 林亚华;景在平;赵志清;梅志军;冯翔;冯睿;陆清声5.妇科千金胶囊联合补血益母丸对产后、人流药流术后恢复及盆腔血液流动学的影响 [J], 徐敏娟;刘福兰;郭定玲;杨晓冬;刘莉;李园园因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于Carreau模型的主动脉弓血流动力学特性分析
基 金 项 目 陕 西 省 自 然 科 学 基 础 研 究 计 划 !%#Cjk$%$1 陕 西 省 教 育 厅 科 学 研 究 计 划 ACjlA%CFACjlA%CE 西 安 思 源 学 院 校 级 重 点 科 研 项 目 [M]UXbA$%A 作 者 简 介 张 耀 楠 A'E!男 博 士 教 授 主 要 从 事 医 学 图 像 分 析 方 面 的 研 究 工 作 ZX3679Q+`68e<8mA&'D)+3
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人胸主动脉血液脉动流的三维数值分析[1]
支、弯曲等复杂 几 何 形 状,血 管 壁 厚 度 较 大,血 管 壁 的实际变形量不是很大,所以将血 管 假 定 为 刚 性 管。 由于血液流动 的 切 变 率 不 大,因 而 可 将 人 体 血 液 的 表观黏度视为恒定的,且为胸主动 脉,此 时 人 体 血 液 属均匀的不可压缩牛顿黏性 流 体 。 [5] 作 为 判 断 流 体 流动是层 流 或 是 湍 流 的 无 量 纲 参 量 是 雷 诺 (Reynolds)数,它 定 义 为:Re =ρVD/µ,式 中,ρ 为 流 体 密 度,V 为流体 流 动 的 速 度,D 为 圆 管 的 内 直 径,µ 为 流体黏度。如 果 心 脏 每 秒 输 出 量 为 C,即 血 液 在 主 动脉中的平均流速为V=πRC2 (R 为 半 径),于 是,主 动脉内的 Re 数表示式为Re=π2RCµρ,按照人体安静 时
第二 军 医 大 学 学 报 Acad J Sec Mil Med Univ 2006Aug;27三维数值分析
·论 著·
林亚华,景在平* ,赵志清,梅志军,冯 翔,冯 睿,陆清声
(第二军医大学长海医院血管外科,上海 200433)
[摘要] 目的：探讨在正常生理脉动流条件下人体胸主动脉 内 血 液 流 动 速 度、血 管 壁 面 压 力 和 壁 面 剪 应 力 的 分 布,为 阐 明 主
1 材料和方法
支血管,其血流量 约 占 心 输 出 量 的 15% 。 [1] 动 脉 管 具有一定的锥度,即越远离心脏,动 脉管的 横截面 积 越小,称此为动脉管的“几 何 锥 削”[2]。 参 照 文 献[3], 本研究选择的数值计算的几何模型如图1所示。将 升主动脉和降主动脉简化为长的直圆管。将主动脉 弓简化为渐 缩 的 圆 管,其 轴 心 线 的 半 径 Rc= 36.0 mm 的半圆环。升主 动 脉 的 长 度 L1 =50.0 mm,半 径 R1=15.0 mm。 降 主 动 脉 的 长 度 L2 =220 mm, 半径 R2=11.3 mm。 主 动 脉 弓 进 口 半 径 R3=15.0 mm ,主动脉弓 的 顶 部 的 血 管 半 径 R4=13.7 mm , 主动脉弓出口半径 R5=12.5mm。主 动 脉 弓 上 的 3
主动脉弓三维重建及血液流场数值模拟
主动脉弓三维重建及血液流场数值模拟宋雨杰;彭红梅;张东威;赵洪森;王慧宇【摘要】主动脉弓是承载血液输送的主要干道,也是极易发生血管疾病的部位,本文采用医学建模软件MIMICS对内蒙古民族大学附属医院神经内科一名患者的胸主动脉临床CT数据进行了血管重建,所建模型显示该患者患有主动脉夹层血管瘤疾病.另外对血管进行了几何建模,并利用计算流体力学软件FLU-ENT14.5计算了一个心动周期6个不同时刻主动脉弓内的血流速度分布情况.计算结果显示,随着血液入口速度的不同,血液的流动状况有不同的分布,当血液流速增大时,在主动脉弓处将会出现血液的涡旋流动.【期刊名称】《内蒙古民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(032)004【总页数】4页(P298-301)【关键词】主动脉弓;MIMICS软件;血管重建;入口速度;计算流体力学【作者】宋雨杰;彭红梅;张东威;赵洪森;王慧宇【作者单位】内蒙古民族大学物理与电子信息学院,内蒙古通辽028043;内蒙古民族大学物理与电子信息学院,内蒙古通辽028043;内蒙古民族大学附属医院神经内科,内蒙古通辽028000;内蒙古民族大学附属医院影像中心,内蒙古通辽028000;内蒙古民族大学附属医院影像中心,内蒙古通辽028000【正文语种】中文【中图分类】O357;O241主动脉是体循环的重要干道，分为三部分：升主动脉、主动脉弓和降主动脉〔1〕.主动脉弓是人体内主要的弯曲动脉，具有相当复杂的脉动和弯曲.关于主动脉的疾病种类很多，例如主动脉夹层、壁间血肿、动脉粥样硬化、动脉瘤等〔1〕.目前，CT扫描技术广泛应用于临床诊断和治疗，但二维断层图像只能表达某一截面的解剖信息，对临床的诊治有一定困难，因此，为更好的分析和验证主动脉中血液流动的现象，利用MIMICS医学建模软件将患者的CT二维影像数据进行三维血管重建，重建后的三维模型可以动态旋转观察，任意切割显示内部解剖结构，也可对其进行编辑、修改〔2-3〕，使临床医生对患者病情有更深入细致的了解，其结果可对临床诊疗提供帮助.本文以内蒙古民族大学附属医院1例主动脉夹层血管瘤患者为例，利用MIMICS对CT数据进行血管三维重建，再利用计算流体力学方法，对主动脉弓内血液流场进行数值模拟，并分析研究在不同入口速度情况下，主动脉弓处血液流动的状况.1.1 临床材料该患者为53岁男性，入内蒙古民族大学附属医院神经内科治疗，利用CT扫描仪并调节其像素大小为0.646484mm，以0.45mm为切片增量，切片厚度为0.9mm，共1339张切片.可以从CT图中看到该患者主动脉处出现夹层，被诊断为主动脉夹层血管瘤疾病.其中图1a是该患者的CT剖面图，图1b为正面图，图1c为侧面图，已用箭头标出主动脉位置.1.2 血管重建医学图像三维重建是指利用科学计算可视化技术，将从医学影像设备获得的二维图像转换成三维数据，从而展示人体组织器官的三维形态并进行定性、定量分析的技术〔4-5〕.本研究利用MIMICS医学建模软件对二维CT图像进行三维血管重建.1.2.1 模型预处理将图1显示的CT断层图像导入MIMICS医学建模软件中，阈值提取轮廓，通过看图观察，并将轮廓的清晰度调节到合适的位置，阈值范围为226-2874，形成蒙面后进行3D计算得到如图2a所示的骨骼血管结构模型.利用区域增长工具对血管阈值进一步处理，3D计算后得到如图2b所示的血管结构模型.对图像进行边缘分割、分离、去除冗余数据得到如图2c所示的人胸主动脉的三维血管模型，包括升主动脉、主动脉弓和降主动脉.从所建血管模型明显看出该患者主动脉弓处有夹层和动脉瘤疾患.1.2.2 几何模型建立将以上获得的主动脉模型图2c进行分割，目的是提取图像中要研究的主动脉弓〔6〕，对主动脉弓进行光滑处理如图3a所示，从而增强模型边缘连续性，提高计算精度及准确性.另外，对血管进行网格划分，如图3b所示，节点数为111198，单元数970230.2.1 控制方程与边界条件将主动脉中的血液假设为不可压缩的牛顿黏性流体，血液的雷诺数Re=1400，根据雷诺数判断血液流动为层流〔7-8〕.设血管壁刚性无滑移，壁面处血流速度为0，各出口定义为自由边界条件，血流在一个心动周期内的入口速度曲线如图4所示.血液流动满足Navier-Stokes方程〔9-11〕：其中，血液密度，血液黏性系数μ=0.0035kg/mk,P为压力，计算迭代次数为200.2.2 数值模拟利用计算流体力学软件FLUENT14.5数值计算一个心动周期内6个不同时刻的血流速度变化.图5a、5b、5c为心脏收缩期内三个不同时刻血流速度分布图，t1=0.02s，v1=0.2m/s；t2=0.04s，v2=0.5m/s；t3=0.12s，v3=1.0m/s.图5d、5e、5f为心脏舒张期时三个不同时刻血流速度分布图，t4=0.14s，v4=0.8m/s；t5=0.16s，v5=0.7m/s；t6=0.35s，v6=-0.2m/s.结果显示，当血液入口速度小时，流场内血液流动基本属于正常流动，没有涡流现象.图5c、5d、5e所示，随着血流入口速度的增大，主动脉弓中的血液流动出现了涡流，当血液流动速度达到峰值时，主动脉弓处血液流动出现明显紊流现象.利用MIMICS医学影像处理软件，将二维CT断层图像进行三维血管重建，医学图像的三维血管重建包括对图像的预处理、组织器官的切割分离、模型构建、三维处理等主要研究内容.由于主动脉弓分型与分区形态复杂，使分割技术操作变得困难，但是MIMICS医学建模软件有自动建模功能，对原始图像进行预处理时无需任何形式的图像转换，减少了人为处理所造成的各种误差，避免了数据信息的丢失.在几何模型的基础上，运用计算流体力学软件FLUENT14.5建立三维血管的血流动力学物理模型，考虑到主动脉弓段血管内部的血流是周期性的流动，且靠近壁面处存在边界层流动，为了更准确地求解整个主动脉弓的流速分布，本研究对主动脉弓段血管进行网格加密，从而提高了计算精度.如图5中计算出了一个心动周期内6个不同时刻血流速度的流线图.根据计算结果显示，在血流入口速度不同的前提下，人胸主动脉的血流分布状况明显不同.在一个心动周期内，随着血流入口速度的增大，在主动脉弓处将会出现血液的涡流现象，这一现象也说明了主动脉弓处易发生血管疾病的血流动力学原因.【相关文献】〔1〕Joon Bum Kim，Matthew Spotnitz，Mark E Lindsay.Risk of Aortic Dissection in the Moderately Dilated Ascending Aorta〔J〕.Thomas E MacGillivray，2016，68（11）：1209-1219.〔2〕李超，谢坤武.软件需求分析方法研究进展〔J〕.湖北民族学院学报（自然科学版），2013，31（2）：204-211.〔3〕沈傲东.医学影像三维重建方法研究〔D〕.西安：西安电子科技大学，2003.〔4〕A.Manmadhachary，Y.Ravi Kumar，L.Krishnanand.Effect of CT acquisition parameters of spiral CT on image quality and radiation dose〔J〕.Measurement，2017，103：18-26.〔5〕彭红梅，张东威，李敏.椎动脉狭窄及介入治疗的血流动力学分析〔J〕.生物医学工程与临床，2015，19（4）：345-349.〔6〕Benoît ing mathematical morphology for the anatomical labeling of vertebrae from 3D CT-scan images〔J〕.Computerized Medical Imaging and Graphics，2017，31（3）：141-156.〔7〕罗东礼.医学图像三维重建中目标分割算法研究〔D〕.长沙：中南大学，2006.〔8〕门怀宇.医学图像三维重建技术的研究与应用〔D〕.成都：电子科技大学，2008.〔9〕Piotr Reorowicz，Damian Obidowski，Przemyslaw Klosinski.Numerical simulations of the bl-ood flow in the patient-specific arterial cerebral circle region〔J〕.Journal of Biomechanics，2014，47（7）：1642-1651.〔10〕Gerhard Sommer，Selda Sherifova，Peter J Oberwalder，et al.Mechanical strength of aneurysmatic and dissected human thoracic aortas at different shear loading modes 〔J〕.Journal of Biomechanics，2016，49（12）：2374-2382.〔11〕Huanying Xu，Xiaoyun Jiang，BoYu.Numeric alanalysis of the space fractional Navier-Stokes equati-ons〔J〕.Applied Mathematics Letters，2017，69：94-100.。
血流动力学监测参数
血流动力学监测参数PAdP：肺动脉舒张压*CVP与BP、血容量关系：1、CVP低，BP低，表示血容量严重不足，需大量补液。
2、CVP低，BP正常，表示血容量不足，需适当补液。
3、CVP正常，BP低，表示血容量不足或心功能不全，可进行补液试验：5～10分钟内静脉滴入等渗盐水250ml→①中心静脉压不变，血压升高，提示血容量不足，根据情况适当补液；②中心静脉压升高3～5mmHg，血压不变，提示心功能不全，根据情况给予强心药物治疗。
4、CVP高，血压低，表示心功能不全或血容量相对过多，需给予强心药物，纠正酸中毒，舒张血管治疗。
5、CVP高，血压正常，表示容量血管过度收缩，需舒张血管治疗。
CVP指导扩容的“5－2法则”：低血容量病人应连续监测CVP，当CVP<8cmH2O，10分钟内输液200ml；CVP为8～13cmH2O 时输液100ml；CVP>14cmH2O时输液50ml。
输液期间观察CVP的变化：若CVP升高5 cmH2O，应停止输液；当CVP升高2～5 cmH2O 时，可暂停输液10分钟，再观察CVP变化，这时CVP仍升高2 cmH2O以上则应停止输液；若CVP升高不超过2cmH2O，按上述标准输液，直到CVP升高超过5 cmH2O，或暂停10分钟后仍升高2 cmH2O以上为止。
@PCWP指导输液的“7－3”法则：危重病人或合并心脏病者应监测PCWP。
当PCWP<10mmHg，10分钟内输液200ml；PCWP 为11～18 mmHg时输液100ml；PCWP>18mmHg时输液50ml。
输液期间观察PCWP的变化：若PCWP升高7mmHg，应停止输液；当PCWP升高3～7mmHg 时，可暂停输液10分钟，再观察PCWP变化，这时PCWP仍升高3mmHg以上则应停止输液；若PCWP升高不超过3mmHg，按上述标准输液，直到PCWP升高超过7mmHg，或暂停10分钟后仍升高3mmHg以上为止。