頸動脈擾動區(qū)的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、大量研究表明動脈粥樣斑塊主要發(fā)生在動脈擾動區(qū)內(nèi)。擾動區(qū)壁面上存在低切應(yīng)力(WSS)、高振蕩剪切因子((OSI)等特征。定量研究擾動區(qū)的力學(xué)特征及其引起的壁面細胞生物學(xué)響應(yīng)對認識動脈粥樣硬化的發(fā)生機理具有重要意義。
　　 頸動脈擾動區(qū)包括動脈彎曲、分叉和竇內(nèi)的擾動區(qū)。擾動區(qū)內(nèi)的流動屬于復(fù)雜流動。對擾動區(qū)流場的分析目前都采用數(shù)值模擬方法,但由于缺乏精細的模擬實驗,常使數(shù)值結(jié)果得不到驗證。對擾動區(qū)切應(yīng)力與細胞生物學(xué)響應(yīng)的相關(guān)性研究一般

2、采用平板流動腔或臺階型流動腔實驗,但兩利流動腔都不能模擬三維擾動流。
　　 本文用實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法對頸動脈擾動區(qū)的力學(xué)特征及其影響因素進行了較系統(tǒng)的研究,在下述四部分取得了進展。
　　 1,研制成功頸動脈生理脈動流模擬實驗系統(tǒng)。主要技術(shù)措施包括:用凸輪一柱塞機構(gòu)產(chǎn)生仿頸總動脈生理脈動流；用圓管外部折線狀U形槽實現(xiàn)圓管截面正交方向的速度剖面測量；在保證動力相似條件下完成一個周期內(nèi)瞬時剖面的系列采樣等。用分辨率較高的

3、無創(chuàng)測速技術(shù)PIV對兩利生理曲率比彎曲圓管模型中的仿生理脈動流場進行了系統(tǒng)測量。獲得了不同截面上系列瞬時速度矢量分布圖。
　　 結(jié)果表明彎曲平面速度剖面的特征是:在心動周期的大部分時段為偏斜的拋物線,在收縮期末在內(nèi)壁附近形成范圍較大的負速度擾動區(qū)。垂直平面速度剖面的特征是:在心動周期的大部分時段為鈍形拋物線,在收縮期末到重搏波谷為凹度較大M形剖面。
　　 2,用FLUENT軟件對彎管數(shù)值模型中的仿生理脈動流場作數(shù)值模擬。

4、各截面瞬時速度剖面的計算結(jié)果獲得實驗結(jié)果驗證,說明數(shù)值建模、網(wǎng)格化及計算方法是可行的。其中用Womersley理論將入口生理流量波形變換為三維瞬時速度剖面是保證模擬成功的關(guān)鍵性步驟。
　　 用兩種實際的生理流量波形(Bloch波形和Holdsworth波形)作為入口條件,在兩種曲率比生理頸總動脈模型中對流場和壁面擾動區(qū)進行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示與直管相比,彎曲圓管內(nèi)壁的WSS減小、OSI增大,外壁的OSI幾乎為零。擾動區(qū)的可能位置

5、在彎管內(nèi)側(cè)離入口方位角12度到17度附近狹長區(qū)域內(nèi)。彎管曲率比和流量波形對擾動區(qū)壁面參數(shù)都有影響,流量波形對OSI的影響更顯著。
　　 3,創(chuàng)建了新型TF-AHCB流動腔。細胞培養(yǎng)窗直接開在具有三維擾動流環(huán)境的頸動脈竇外壁面擾動區(qū)上。在細胞培養(yǎng)窗曲面上成功培養(yǎng)細胞后,放入體外模擬流動系統(tǒng)中作流動培養(yǎng)。曲面上切應(yīng)力分布數(shù)據(jù)由真實流動腔模型中的數(shù)值模擬獲得,曲面上細胞生物學(xué)響應(yīng)分布數(shù)據(jù)用免疫熒光檢測法獲得。細胞生物學(xué)數(shù)據(jù)包括細胞形態(tài)

6、學(xué)參數(shù)和特異性鈣粘蛋白指標。將力學(xué)數(shù)據(jù)與細胞生物學(xué)數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析后的結(jié)果證實,擾動區(qū)細胞的生物學(xué)指標除了與低切應(yīng)力顯著相關(guān)外,還與切應(yīng)力梯度顯著相關(guān)。由于在TF-AHCB流動腔細胞培養(yǎng)窗上的流動環(huán)境更接近實際動脈擾動區(qū),測得的實驗數(shù)據(jù)更有參考意義。
　　 4,在頸動脈分叉模型中用數(shù)值模擬方法綜合考察了不同入口生理流量波形和頸總動脈的幾何彎曲對擾動區(qū)的影響。結(jié)果表明二者對擾動區(qū)壁面切應(yīng)力的量值和分布都有影響。動脈幾何形狀對擾動區(qū)