为了建立一个现实的肺动脉的三维数值模型,利用核磁共振测量获得的外围肺动脉TOF修复后和一个健康的人。地区的分支肺动脉先生说在片层基于DICOM格式图像。每一片的厚度情况下1 - 3是3.6毫米,4.4毫米,4.4毫米,分别。正常是4毫米。这些2 d说区域连接在一起成为一个完整的三维CAD肺动脉模型。这些特性的四个肺模型表中列出 1,如图 1。我们发现MPA膨胀现象和锐角LPA和MPA之间出现在所有重建CAD模型的修复TOF后肺动脉。

随后,计算网格生成在这些重建CAD模型使用ICEM-CFD软件。因为外围肺动脉太复杂生成结构化网格,使用非结构化网格的数值模型。图 2介绍了过程从核磁共振测量重建CAD模型和网格生成。

血液流动遵循质量和动量守恒。在这项研究中,很少有假设用于简化为质量和动量守恒方程。质量和动量的数学公式表示为:

连续性方程: (1) ∇ · u = 0 , 和动量方程(n - s方程) (2) ∂ u ∂ t + ∇ · ( u u ) = - - - - - - 1 ρ ∇ P + ∇ · ( ν ∇ u ) , 在哪里 u 代表一个流动的速度矢量, P 是压力, t 是时间, ρ 是血液的密度, ν 是血液的运动粘度。血液的密度, ρ 设置为1060公斤·m⁻³。动态粘度( μ )的血液被设置为一个常数为0.004公斤·m⁻¹·年代⁻¹。虽然血液非牛顿,血液粘度随剪切速率和容器直径。考虑到剪切速率大于100年代⁻¹,血液粘度可以被视为一个常数按照佩德利说像牛顿流体( 23)和伯杰周素卿( 24]。因为肺动脉是一个大容器,非牛顿效应不强。因此,血肺动脉被视为牛顿流体的简化方程。根据辛格et al。 25),血管的墙被视为刚性管。也就是说,合规肺动脉不考虑。

返流发生在跳动的血液流动的修复TOF后肺动脉。返流分数,射频,被定义为向前向后血容量比血容量在一个心动周期。一个健康的人的射频通常是没有返流或非常低。高射频表明异常行为发生在肺动脉血流量。即低射频意味着大多数血液流入肺交换氧气。射频的定义是 (3) 射频 = 落后的 体积 在 一个 心脏 周期 , 问 b 向前 体积 在 一个 心脏 周期 , 问 f , 在哪里 问 b 和 问 f 指血流向后和向前卷在一个心动周期,分别。

图 3显示了建立模型的边界。为了解决这些方程,需要适当的边界条件。血流速度的个别患者衡量阶段合同MRI在进口边界MPA的入口。PC-MR图像矩阵像素是256×256像素。图像体素的大小情况下1 - 3 0.141 × 0.141 , 0.078 × 0.078 , 0.082 × 0.082 ,分别。通常情况下是 0.0625 × 0.0625 。测量非均匀流为进口提供条件。插值法用于地图的入口速度剖面进口网格点。RFs情况下1 - 3是0.337,0.164和0.288,如表所示 2,分别。

大气压力施加在区域规划和LPA的退出。船只的墙被认为是一个刚性物体。中性边界条件施加在血管壁。在墙上,速度为零。初始条件的肺动脉,速度设置为零。

CFD-ACE +软件,是基于有限体积方法,用于计算在肺动脉血流。有限体积方法被应用于求解navier - stokes方程在许多工程应用。例如,乔治和Ioannis [ 26)使用有限体积法计算辐射传热。Kabinejadian和Ghista 27)采用的方法解决NavierStokes方程模拟血流在冠状动脉搭桥。细节的有限体积法求解navier - stokes方程中可以找到Versteeg和Malalasekera 28]。计算网格中提到的部分 2.1利用离散化navier - stokes方程。因此,一组代数方程组的速度和压力得到和隐式地解决。观察复杂的肺动脉血流模式,进行瞬态模拟。采用二阶曲柄尼科尔森方案进行游行的时间过程。时间步大小范围从0.01到0.015。四个心脏周期进行数值模拟。仿真总时间是不同的在每种情况下,因为心动周期的持续时间在每个人是不同的。质量残留对数值方案设置为10⁻⁴在每个时间步。SIMPLEC方案提出的van Doormaal和Raithby [ 29日)是用于获得压力的解决方案。基于窗口的PC集群是用来进行数值模拟研究。每种情况下的平均总计算时间约为1 ~ 2个月。

确保数字解决方案不随网格,grid-independence测试必须执行。例如,图 4显示速度概要文件获得的各种计算细胞相互接近在案例1的细胞数量超过1110784。因此,我们采用1110784细胞进行以下案例1中的数值模拟。此外,我们选择了1168920和1168920细胞的情况下根据grid-independence测试的结果2和3,分别。1079490细胞在健康的情况下使用。

肺返流是一个TOF修复后的患者中常见的现象,但其影响肺动脉还不清楚。建立数值肺动脉模型包括一个健康和三个修复TOF后肺动脉。表 2表明,病例1 - 3小角度比健康LPA和MPA之间。 θ 2 指示LPA和MPA之间的角度 5 2 ∘ , 8 3 ∘ , 7 0 ∘ 分别在1 - 3。尽管如此, θ 2 在一个正常肺动脉分支 11 2 ∘ 。另一方面,角战与MPA之间比正常情况下1 - 3。 θ 1 表明角战与MPA在1 - 3之间 13 4 ∘ , 10 6 ∘ , 13 6 ∘ ,分别。正常的角度 12 5 ∘ 。

图 5描述了流线的健康的情况下在中央垂直剖面在一个心动周期。没有返流健康的肺动脉。图 5(一个)显示了流型在收缩的加速度。平稳向前流动模式是在这个阶段。随后,两个循环发生在LPA和狙击枪由于减速向前流动的人物 5(b)。这两个漩涡成长和呆在入口LPA和狙击枪在心脏舒张周期如图 5(c)和 5(d)。

图 6利用比较健康的流动模式和案例1 - 3在收缩和最大加速度在一个心动周期。发现LPA的再循环发生情况下1 - 3但不健康的人。这是因为 θ 2 的情况下1 - 3小于健康。因此,分离发生在LPA即使MPA的向前流动加速。LPA的再循环减少左肺血流容积率。图 7( n3),(1 - 3)、(2 - 3)、(3 - 3)的简化的健康和病例1 - 3在减速收缩在一个心动周期。再循环泡沫的情况下1 - 3。就像前面提到过的段落,如图 7( n3),还有一个循环中出现收缩的健康在减速。结束时收缩,非常复杂的流动模式包括几个漩涡中发现情况下1 - 3,如图 7(1 - 4)、(2 - 4)和(3 - 4)。随后,图 8揭示了流动模式的健康和例1 - 3在心脏舒张周期。返流发生在MPA的情况下1 - 3。明显的膨胀情况下2和3在MPA。在MPA返流,形成一个强大的漩涡MPA的膨胀情况下2和3。然而,有两个漩涡出现在案例1 MPA。没有找到涡MPA的健康。

从漩涡中发现MPA在返流情况下1 - 3,有趣的是在指定的截面流结构进行调查。图 9显示了健康的流动模式和案例1 - 3在指定截面的MPA, LPA,战在舒张。根据佩里和斯坦纳( 30.3 d]的定义更大的漩涡流,一个稳定的节点存在于健康MPA的截面一′。稳定主要出现在横断面图b′和健康的区域规划和LPA碳碳′。健康不稳定节点发生在例1 - 3。一个或更多的集中在MPA的情况下1 - 3。一个不稳定的分支线、一个鞍点和一个稳定的关注发生在横截面d d′MPA的案例1。稳定的焦点和另一个不稳定的重点是观察截面我′MPA的例2。3,有一个鞍点和一个稳定的焦点展示截面qq′MPA。此外,集中出现在健康则是发现在这种情况下1 - 3。它是稳定的健康和例1和3,但案例2中是不稳定的。重点在健康LPA没有出现在所有情况下1 - 3。 The flow pattern in LPA of Case 1 shows a very strong and smooth and reversed flow. In Cases 2 and 3, the focus shrinks because of the strong reversed flow.

为了知道是否返流最先发生在LPA,人物 10《盗梦空间》的展览时间战,LPA的返流情况下1 - 3。数据 10 (), 10 (c), 10 (e)现在,返流第一次出现在LPA的情况下1 - 3。此外,一个明显的再循环出现在LPA的情况下1 - 3。的数据 10 (b), 10 (d), 10 (f)《盗梦空间》的,事实证明,背后则是近0.03秒的返流LPA的情况下1 - 3。

数据显示 6, 7, 8,复杂的流模式总是发生在MPA的返流情况下1 - 3。三维强涡旋运动在这个阶段如图 7(1 - 4)、(2 - 4)和(3 - 4) 8(1 - 6),(2 - 6)和(3 - 6)的收缩和舒张的结束,因为在MPA血流量变化的方向。MPA的三维涡流运动可能导致右心室extraload自健康的情况下没有返流和涡流运动。

在临床情况下,没有扩张MPA TOF之前修复。扩张往往发生在MPA TOF修理后。数值结果,发现三维强涡旋运动出现在扩张MPA的返流。因此,扩张导致MPA返流期间异常流量分布在一个心动周期。显然,MPA的扩张是一个重要因素影响心脏舒张期血流的变化。

在我们的模型中,所有修理的扩张发生在MPA TOF病例。然而,造成膨胀的原因还不清楚。因此,有必要探讨扩张区域。本节给出了分析肺动脉的压力分布在一个心动周期。图 11显示了健康的情况下的压力分布和情况下1 - 3的最大一个心动周期。高压区域是所有情况下分岔地区发现的。此外,另一个高压地区观察MPA的膨胀情况下1 - 3。例1和2的压力分布很不均匀。应该注意到,有一个狭窄之间的分歧和MPA 2,所以高压膨胀的情况下2是极端和高于其他情况下。图 12显示健康的压力分布和病例1 - 3在舒张。一个低压区发现MPA的扩张面积情况下1 - 3。它是由三维涡流运动如图 8。数据显示 11和 12的扩张,压力变化极其MPA在一个心动周期。例如,压力变化的膨胀情况下2约为12860 N / m²。然而,健康的最大压力变化约为2100 N / m²。大压力MPA的变化会影响血管壁修复后MPA TOF认真。

的数据 11和 12、大型压力变化可能导致明显的MPA变形。正如我们提到的,三维涡流运动由于MPA的返流低压地区起着重要的作用。形势恶化可能导致长期的扩张。

图 13礼物时间历史MPA进气压力的情况下1 - 3和健康的心动周期的一分之一。坚实的曲线呈现健康的进口压力。的峰值压力约为2000 N / m²在收缩。非常低的负压发生在心脏舒张期。虚线的压力变化情况下1 - 3。发现的高峰值压力的情况下1和2均高于健康收缩。此外,负压发生病例1和2在返流发生以来的舒张。发现MPA的极端存在在进口压力变化的情况下1和2。情况3的心动周期的时间比其他情况下,所以收缩段案例3比其他情况下长。由于比其他情况下更大的进气截面情况3如表所示 3进气压力的峰值情况3不是如此之大的情况下1和2。然而,由于返流中存在明显的负压情况3舒张。众所周知,半月瓣的损伤是一种修复TOF后并发症的病人。大型进口压力变化情况下1和2所示可能的原因之一引起肺动脉瓣的功能障碍。

肺动脉几何影响质量流率分布在MPA, LPA和战。图 14显示时间的历史质量流率在LPA和战的情况下在一个心动周期1 - 3。固体和虚线代表战LPA、质量流率。红色曲线显示健康质量流率的变化。质量流率LPA和狙击枪是非常接近的健康。没有返流LPA和战。蓝色,黑色,绿色曲线代表的质量流率情况下1 - 3。严重的返流在狙击枪和LPA舒张的情况下1 - 3。同时,发现返流总是先出现在LPA在三个案例。向前流动的LPA小于战中1和2。这种现象不会发生在3。 It may be because the diameter of LPA is larger than that of RPA as shown in Table 3。同时,LPA的回流比狙击枪的情况下1 - 3。表 3礼物的返流卷则LPA的情况下在一个心动周期1 - 3。返流的LPA比战总是高于1。直径的狙击枪,LPA的病例1和2是接近对方(见表 2)。然而,的比例 θ 1 来 θ 2 案例的案例1大于2。因此,LPA的回流比战案例1比2。

临床PC先生从34例TOF维修后测量数据由高雄荣民总医院提供。返流的MPA, LPA和战决心在PC先生测量。随后,数值结果与测量数据进行比较。图 15表明,射频的MPA从0.1到0.6不等。测量数据和数值结果被指示为黑色中空和色彩符号,分别。LPA射频比战射频减少射频MPA提高测量数据。结果表明,数值结果接近测量数据。图 16显示了狙击枪和MPA的返流之间的关系。从本质上讲,则是成正比的返流MPA的测量数据。数值结果也显示这一趋势图 16。图 17揭示了LPA射频和MPA射频之间的关系。测量数据是分散在图中。预测结果在测量数据如图。因此,数值计算值是可以接受的基于射频分析与临床测量值如图 15, 16, 17。