创建下肢动脉血管有限元模型及模仿计算流体力学

【关键词】血流动力学；模拟值；虚拟现实；三维有限元

下肢动脉疾病已成为危害公众健康的重要疾病之一。长期以来，人们对下肢动脉的血流动力学进行了研究。有学者【用硅胶玻璃或生物材料制作仿生血管建立血管模型】无法达到完全模拟的效果，实验参数也仅限于速度和压力，无法满足临床要求。近年来，许多学者开始尝试用数模拟的方法研究下肢动脉的血流动力学，但现有的模型大多是通过CAD技术简化或绘制的]，基于这些模型的计算结果并不能真实反映下肢动脉的血流动力学特性]；而且大多数研究[4]都假设流体是理想流体，其性质是稳定流动，这与生理实际是有偏差的。这个实验试图使用真实的人血管模型和近似的血液物理特性。

实验流体是脉动的，为人体血流动力学的研究提供了精确的模型和模拟方法。

1材料和方法

1.1数据采集

使用GELightSpeed16排螺旋CT、影像工作站、医用高压注射器、100ml高浓度非离子型造影剂iofool。选取患者双侧下肢动脉的CTA数据，以其正常的股动脉为研究对象进行建模，获得520张2D断层图像，以DICOM格式存储。

1.2建模和有限元分析

1.2.1模拟的建模

将DICOM数据导入MIMCS14.0软件，通过图像预处理形成血管轮廓，并用不同颜色将血管与其他组织区分开来。使用手工分割的方法提取所需的

血管，利用自动生成3D的功能，平滑得到3D立体模型？

1.2.2有限元模型的建立及水动力分析

用an-sys workbench 11.0，对有限元进行3D模型处理，并设置网格边界条件，最后网格化后的GTM模型？在CFX中设定边界条件:层流；非弹性管道；脉动流；人口为0.56米/秒；相对压力为0；壁面和流体之间没有滑移？血液参数:密度1050kg/m？，粘度为0.0035 pa·S，雷诺数为704.40，人口流体速度平均分布？用迭代图检查边界条件是否合理？预处理后(CFX—Pre)？求解(CFX—求解器)？结果及后处理(CFX—Post)，CFX中的有限元流体力学计算？

2个结果

2.1正常血管的3d 模型和有限元模型，模型节点和单元总数分别为10747和23945个。

2.2实验得到的直观图形见图1~4？

①血流线分布均匀，流速变化不大；

②血液在正常血管中呈层流，血管中心的血液流速最高，越靠近血管壁，流速越小。

③正常血管内血管壁压力从入口侧到出口侧均匀下降；

④血管壁剪切力分布不均匀，说明血管壁内部不光滑？

3讨论

本实验利用活体CT扫描数据建立有限元模型，有限元流体力学分析中使用模拟血液流体和脉动流，更符合生理实际？下肢动脉疾病常见于中老年人，其动脉大多有动脉粥样硬化，血管壁弹性差，所以将模型定义为无弹性管道合理吗？目前，基于CT数据的有限元模型已经成为建立三维有限元模型 [6]的主要手段，其优点如下:

①在体采集图像，有限元模型几何相似性好；

②包含的数据量大，适合采集复杂形态的三维信息；

③基于CT数据的建模方法成熟简单？快速建立有限元模型，模型误差小；