分析左心室的血液流动研究心脏功能和功能障碍的根本利益。使用磁共振速度映射,金正日et al。 1]报道大型逆时针漩涡在心室舒张。窑等。 2]表示流模式在正常LV避免过度耗散的能量促进血液的一种有效的弹射。不对称漩涡出现在前部和后部二尖瓣传单被埃讨论et al。 3]。其他重要的二维(2 d)和三维(3 d)数学模型对心室流入为其它几组( 4- - - - - - 9]。使用长椭球模型,Domenichini et al。 10)表示,在正常的心流模式是最优的最小能量耗散。

数值模拟的流LV是分为三种类型 11[]:geometry-prescribed CFD方法 12- - - - - - 16),沉浸边界(IB)方法( 17- - - - - - 19),和流体结构相互作用(FSI)方法( 11, 20., 21]。geometry-prescribed方法使用移动墙作为边界条件,而FSI方法两流体和心肌的运动方程。后者是一个非常具有挑战性的任务,因为阀的几何和材料特性的传单。军刀et al。 12, 13结合核磁共振和CFD)用于流模拟和获得一个逆时针的漩涡在心室舒张压流。长等。 14, 15]边界运动模式和流动的影响调查报告主要反时针涡旋在正常的心。Schenkel et al。 16)建模时间二尖瓣和主动脉瓣孔没有包括阀传单运动和不对称漩涡,等值面,为二尖瓣流流结构示意图。所有这些研究都是针对不同心室,不能被视为替代另一个( 16, 22]。

使用二维速度获得相衬成像,汤普森和麦克维( 23压力降计算LV。狗的结果验证模型和脉动的流中的幽灵高保真压力传感器。Yotti et al。 24)获得心室顶点之间的压力差和后处理的流出道彩色多普勒M-mode图像。加西亚et al。 25]从超声心动图显示二维速度测量假设的大尺度流大约2 d平面上一个LV的兴趣。速度分量的正常超声束连续性方程的估计。Uejima et al。 26报道一个超声心动图显示心室旋涡流型的方法。法露迪et al。 27]讨论了涡形成健康的心室,人工心脏瓣膜的影响流模式和低分辨率的超声心动图三维成像技术。发病二尖瓣埃里克森等获得的流量模式。 28使用路径线追踪25毫秒)。Charonko et al。 29日]采用2 d相位对比MRI计算压降的时空变化与二尖瓣流速并讨论正常LV填充漩涡。流入的动能计算12课程。使用超声心动图数据获得二维速度场,Hendabadi et al。 30.]报道trajectory-based计算血瘀的运输模式评估心室。心室收缩的量化研究了挂et al。 31日)使用动能通量计算从正常合并超声心动图的速度矢量。

本研究是有关运动的、动态的、和能源流入正常左心室的特征。因为与二尖瓣快速流加速和减速运动,3 d效果与纵向流相比相对较小。流入的主要特征可以被捕获,并学会了用二维有限数量和MRI心脏收缩和膨胀的数据。二尖瓣运动对压降的影响进行了研究,通过比较情况下有无二尖瓣传单运动建模。详细的流模式表明动量转移快速曲线流由心室扩张和揭示变更在边界层,漩涡,剪切应力、压力变化,和净压力阀传单。流动过程是持续的心室收缩和报告结果挂et al。 32]。采用功能方程研究能量传递从壁运动在心脏舒张期血流。正常情况下,工作由剪切和能量耗散率很小。结果与最优流协议心室窑等报道。 2)和Domenichini et al。 10]。

健康成人进行了核磁共振扫描在1.5 t西门子扫描仪(Avanto,西门子医疗解决方案,埃朗根)使用steady-state-free旋进电影梯度回波序列。数据从2-chamber获得4-chamber,极震区飞机使用12 - 14的左心室等距片。他们利用3 d重建左心室和心房的运动。收缩末期和舒张末期容量分别是48.8和162.5毫升,中风的体积113.7毫升和射血分数为70%。模拟血流,25帧的LV心内膜壁得到核磁共振在一个心动周期。颞心室体积的变化, v o l ( t ∗ ) ,如图 1(一)的心脏, T = 0.88 秒,用于定义无量纲时间, t ∗ = t / T ,和 v o l 米 一个 x =舒张卷。几何的变化最终收缩舒张如图 1 (b)。

血液流动的大动脉血管可视为均匀牛顿流体的密度1050公斤/米³和动态粘度0.00316 Pa·秒。一场(ALE)制定navier - stokes方程可以表示为 33] (1) ∂ ∂ t ∫ 一个 ρ v → d 一个 + ∫ 年代 ρ v → v → - - - - - - v → b · n → d 年代 = - - - - - - ∫ 年代 p 我 · n → d 年代 + ∫ 年代 τ · n → d 年代 , 在哪里 v → 是速度矢量, v → b 是当地的速度沿着边界 年代 , p 的压力, 我 是单位张量, n → 是单位法向量, τ 粘性应力张量。二维连续性方程的积分形式 (2) ∂ ∂ t ∫ 一个 ρ d x d y + ∫ 年代 ρ v → - - - - - - v → b · n → d 年代 = 0 。 从核磁共振数据移动边界的确定,提供速度在墙上和二尖瓣传单计算。navier - stokes方程的流移动网格解决使用有限体积计算流体动力学解算器:ANSYS流利14 (ANSYS, Inc .)。一个依赖于时间的均匀速度剖面建模流入心房进口的规定二尖瓣和主动脉瓣关闭。在每个时间步,心室运动和二尖瓣运动实现了与用户定义函数(udf)。对于二维的情况,长轴图像被用于分析和二尖瓣运动源于核磁共振数据。获得周期流之前,一个网格依赖性研究5例三角形细胞的数量增加从6000年到9000年,13500年,20250年和30375年。测试结果表明,流动模式成为数量达到20250时相同的。这个数字是使用和电网监控,和再啮合法在ANSYS流利应用网格质量较差。网格质量的标准需要面临的最大价值斜交角低于40度。网格收敛指数(GCI)为被用于评估网格不变的解决方案( 34]。压力隐式方法与分裂的运营商(庇索)算法( 35)和一个二阶逆风计划了。同时,报纸数量准则很满意;它导致1800时间步长为一个心脏期(0.88秒)流模拟。左心室舒张期流动的结果摘要。

计算开始的舒张和周期解后得到4个周期的舒张压和收缩压流模拟。图 2显示了时间的变化速度 V D ( t ) 中庭入口的舒张压和流动 V O ( t ) 并发主动脉窦的出口收缩;他们策划为流入和流出阳性,阴性。非线性脉动流动过程不能有效地以平均雷诺数与几个频率参数但雷诺数的时间(见图 2)舒张和收缩 36]: (3) R e D t = ρ V D t D 1 t μ , (3 b) R e O t = ρ V O t D 2 t μ 在这 D 1 ( t ) 和 D 2 ( t ) 进口和出口直径。注意,使用时间直径导致表达的瞬时流量 R e 2 μ 2 π / 4 ρ 2 V 。的相关性 R e D ( t ) 与压降是一种有效的方式来呈现非线性脉动流动过程。图 3(一个)最后显示心室漩涡收缩与主动脉瓣和二尖瓣瓣膜关闭和心室瞬间静止的。的早期阶段流加速度图所示 3 (b)雷诺数( R e D )从零上升到1300年的0.0185秒。壁扩张产生的吸力和动量驱散立即收缩末期漩涡图 3(一个)并产生一对非对称涡流与二尖瓣流入传单被打开。由于曲率效应,高势头出现前附近的传单。附近的流线传单提示涡提供动力,而另一个流线的传单被向后涡的动力来自外地区,生产一个小柜台在传单根旋转涡流。心房,瞬态边界层传单动力中断,导致对移动边界流线的急转弯。由于网格尺寸效应在等高线,流线传单附近出现平行而不是略锥形。

颜色比例66年的图 3 (b)是66厘米/秒的速度范围。数据 3 (c)和 4显示持续流加速度时 R e D 达到2710、4256、5166和5684。由于心室扩张包括一个向上运动的主动脉瓣关闭,这个地区的流线移动阀。类似于导管扩张层流Macagno报道和挂 37),涡流区提供了一个光滑的途径对心室血液流动。随着心室扩张的速度减少心脏收缩的弹性反冲,流开始减速。一个快速增长的漩涡出现在图 5(一个)作为 R e D 从5684减少到3524年的0.0738秒;它表明动量转移从漩涡在减速的主要流 36]。更多的动量平衡时产生漩涡 R e D 下降到2050、640和416(数字 5和 6(一))。虽然雷诺数大幅减少,速度在心室不反映小粘性效应在这个快速流减速。这一现象与能量损失很小,如图 11。附近的动量转移产生一个强大的漩涡顶点的时候 R e D = 416年 。二尖瓣完全关闭之前的传单,心室扩张和流入心房收缩的帮助下。提高涡流动量和演示了二尖瓣的重新开放 R e D 增加到2188和3984年的数据 6 (b)和 6 (c)。图 7描绘了最后流二尖瓣关闭减速。室一侧涡流动量移动阀关闭也将流入心室。他们表示简化移动的传单 R e D = 1994年 和796年。这些详细的流动特性反映的能力结合CFD与核磁共振血流与移动边界的数据。当最后流入消失舒张( R e D = 0 ),心室被漩涡。这些漩涡的形成为动量平衡只是心脏舒张期结束。在缺乏舒张心房收缩,中风的体积可能会减少,除非心室扩张更强。

动态特性是通过压力轮廓图 8(一个)为 R e D = 2710年 在阀门开度。二尖瓣环的中心之间的压降和顶点表示在图中 Δ P D = 210年 Pa(1.6毫米汞柱)。tongue-shaped轮廓的提示(如1420年和1378年,Pa)与流线(类似的速度)。等高线图是基于参考压强1333 Pa在顶端(10毫米汞柱)。离心力效应反映在低压的中心强大的漩涡。也显示在图净压力, P l = 60 和80 Pa,二尖瓣传单;他们是阀运动有关。tongue-shaped压力轮廓 R e D = 5684如图 8 (b)是由于高动量附近前传单。小压降( Δ P D = 8 Pa)在这个即时与流加速递减。净压力( P l = 4和6 Pa)二尖瓣传单对应阀门在全开位置;大约7%的,在快速开放阶段(见图 8(一个))。不良传单净压力出现在图 8 (c)为 R e D = 796年 与 Δ P D = - - - - - - 50 Pa。他们与快速流减速和阀门关闭。进一步的动态特性从剪力分布可以看到两边的二尖瓣传单(图 9)。在二尖瓣开放阶段剪切应力在心房的传单上高于心室。因为运动的传单,剪切应力都很小,与涡度( ω )。最大涡度( ω 米 一个 x 图中列出)可以与壁涡度(= 620秒⁻¹泊肃叶流动的)2842年的中等雷诺数。

图 10 ()雷诺数的变化显示了时间( R e D )与压差 Δ P D 二尖瓣环和顶点。他们是由于心室扩张所产生的弹性能量存储在心肌收缩。由于惯性效应,最大流量是落后的最大压降与流动加速阶段。减少 R e D 相关不良的压降。也在这个图的压降情况下没有建模二尖瓣传单。小压降差异情况下有无二尖瓣传单表明正常阀运动不会产生流动阻力。理由使用2 d模型可以由类似的压力曲线如图3 d模型 10 (b)用同样的流入速度 V D ( t ∗ ) 的二维模型。压力下降的2 d和3 d模型可比不过后者不包括二尖瓣运动。

心脏泵的流体动力学可以进一步研究了使用功能的一个积分形式方程[ 37, 38]: (4) ∫ W ρ V 2 2 V NgydF4y2B一个 d l + ∫ W p V NgydF4y2B一个 d l + ∬ ρ 2 ∂ V 2 ∂ t d x d y - - - - - - ∫ 米 p 米 V 米 d l - - - - - - ∫ 米 ρ V 米 2 2 V 米 d l - - - - - - ∫ W + 米 V → · τ → d l + μ ∬ 2 ∂ u ∂ x 2 + 2 ∂ v ∂ y 2 + ∂ u ∂ y + ∂ v ∂ x 2 d x d y = 0 中( u , v , w 笛卡尔坐标系中的速度组件, V 米 和 p 米 在二尖瓣环的速度和压力, V NgydF4y2B一个 是正常的速度在心室, d l 是增量的线积分。前5个积分,分别动能通量送到心室的血液,由工作压力的速度在墙上,动能的变化率在心室率的工作压力在二尖瓣环,和相关的动能变化。最后两个积分由剪切功的速度和能量耗散率,分别。请注意,所有的能源方面是积极的;每一项的标志( 4)相关通量和能量的涌入。曲线在图 (11日)通量的动能传递给血液从心室扩张。这是在图放大了100倍 11 (b)与粘性项( 4)。曲线之间的距离B和A的工作压力在墙上。曲线C和B之间的差距代表改变动能的心室率。积极在曲线C高于曲线B,否则,负面的。曲线C和D之间的距离是由工作压力的速度在二尖瓣环。由于时间变化的压力不知道,所做的功的计算压力估计是基于参考压力(1333 Pa或10毫米汞柱)在先端。所做的功可以纠正增加压力 Δ p 1 ( t ) V D ( t ) 一个 D ( t ) 如果 Δ p 1 ( t ) = p 一个 t - - - - - - 1333年 爸爸, p 一个 ( t ) 是实际的压力在先端, 一个 D ( t ) 的横截面积是二尖瓣部分。

动能在二尖瓣流入部分曲线之间的差异表明,D和e .约13倍,心室壁的动能变化曲线(见图 11 (b))。注意曲线E是伯努利能量通量之和心室壁,二尖瓣环的涌入,改变动能的心室率。E的值非常小,反映了伯努利能量由心室扩张实际上是保守在正常的血液充盈期心室。曲线之间的差距E和F是完成工作的速度,剪切应力在墙上。这个小的能量约等于能量耗散率表示之间的间距曲线G和f .所有上述条款和曲线排列,这样曲线G代表的左手边的总和( 4);它应该是零。小值曲线所示G表示微不足道的数值残留的能量平衡。速度和压力的平衡也反映了从CFD领域获得十分准确。换句话说,动量平衡通过navier - stokes方程是由能量平衡(检查 4)。类似的结果获得了3 d模型;他们将分别报告。图 12比较了能量耗散之间的2 d(曲线1)和3 d(曲线2)模型。曲线3代表了二维情况下的结果乘以比例3 d和2 d之间的流量情况。它是低于曲线2,表明螺旋流的影响在三维情况下的能量损失。注意到墙上的动能通量率可以直接计算出壁运动的速度。这个数量被证明是一个有用的超声心动图指标量化有或没有支持( 31日]。超声心动图的速度矢量是更容易获得然后从核磁共振数据和重建LV运动进行CFD分析。然而这项研究的目标是对动态的综合分析和能量特征的血液流动产生的左心室。进一步量化的能量参数可以表示各能量项的时间积分( 4)。例如,心室扩张期间完成的工作压力的时间集成曲线B和A图之间的区域 11。很明显,生理的能量流传递量化心室腔扩张需要3 d计算结果。

左心室血液流动的流体动态特性得到了利用二维CFD与核磁共振数据的一个正常的成年人。流模式是由心室扩张和流动诱导二尖瓣运动。涡旋生成和增长关联流动加速和减速和二尖瓣运动。他们是专为动量平衡和能量转移曲线血液流入心室扩张。边界层和高剪切应力不开发移动传单和心室。所做的功粘性应力和能量耗散小正常舒张压流。动能的能量损失约为2%流入心室和几乎是平衡的工作由粘性应力。伯努利能量流从心室扩张,血流量几乎是平衡的能量流在二尖瓣环和动能变化的心室率。换句话说,伯努利能量是保守,表明最优运输血液从左心房心室。动态和能量传递特征2 d模型中获得一致的3 d模型。 Similar dynamic and energy transfer characteristics were identified for the ejection phase of cardiac pumping of the left ventricle [ 32]。