文摘
一直在尝试评估壁面切应力的影响(WSS)胸主动脉瘤(TAA)使用计算流体动力学(CFD)。动脉瘤是一种过度的局部肿胀的动脉壁由于许多生理因素和可能破裂导致休克或突然死亡。现有的成像技术,如核磁共振和CT协助可视化内部器官的异常。然而,预期的动脉膨胀压力条件下的动态行为只能通过数学模型有效地评估。在这项工作中,3 d动脉瘤模型重建CT扫描片和最终的模型导入到明星CCM +(西门子、美国)密集的CFD分析。域使用多面体离散网格与棱柱层更准确地捕捉减弱边界。当有倒流TAA的速度矢量图,有一个细胞损伤导致凝块的机会。这是因为系统中由于创建的剪切流模式。从提出的数学模型,观察WSS恶化可能的破裂是一个指示器,它的价值在一个心动周期振荡,以及在不同应力条件。在这个模型中,涡的形成模式和流动逆转也被俘。 The non-Newtonian model, including a pulsatile flow instead of a steady average flow, does not overpredict the WSS (15.29 Pa compared to 16 Pa for the Newtonian model). Although in a cycle the flow behaviour is laminar-turbulent-laminar (LTL), utilizing the non-Newtonian model along with LTL model also overpredicted the WSS with a value of 20.1 Pa. The numerical study presented here provides good insight of TAA using a systematic approach to numerical modelling and analysis.
1。介绍
主动脉的主要动脉把血液从心脏身体的所有部位和主动脉的一部分,贯穿胸腔被称为胸主动脉(1]。的胸主动脉扩张或膨胀时,它被称为胸主动脉瘤(TAA)。根据研究发病率和死亡率的TAA,胸主动脉瘤破裂的发生率在60 - 69岁的人大约是每10000人100例;在那些70 - 79岁,大约每10000人300例,年龄在80 - 89年,大约每10000人550例(1]。TAA导致斑块的形成,这是一个严重的健康风险,因为它会破裂或破裂内壁内膜继续外壁动脉外膜。然而,斑块帽破裂本身不会导致停工的血液流动。相反,斑块帽破裂提供了一个提升者的表面血栓形成,然后成长封闭容器和停止血流量(2]。TAA存在于两个囊的形状和梭状回的形状。囊状动脉瘤是古怪的形状,包括只有一个周长的主动脉壁的一部分。梭形动脉瘤同心,包括完整的血管壁的周长。高剪切的影响血流动力学对血栓增长具有深远影响的理解所有急性血栓性心血管事件以及血管重建技术和血管装置设计、测试和临床表现3]。在目前的工作,囊状的形状TAA详细被认为是由于它引起了更大的比(梭形动脉瘤破裂的风险3]。这项工作旨在表明,计算流体动力学(CFD)是一种有效的工具,它可以提供更好的洞察TAA诊断与适当的解算器设置和一个数值协议。
的粘度值的一组五个正常人估计斯坦et al。4)在0.0051到0.0055范围的Ps(平均值0.0053 Pa s)和相同的用于本研究(表1)。主动脉直径是使用峰值计算雷诺数,峰值速度和粘度。这个值被用来获得平均速度和雷诺数。血液的密度值ρ= 1060公斤/米3。从表可以看出,动脉内的血液流动主要是层流。由于脉动的性质,有时(本地)湍流流动。派生值从斯坦et al。4)如表所示1。
从表1,很明显,湍流发生只有峰值血流速度值。与平均速度值,往往是层流流动的平均雷诺数在730到856的范围。常规几何轮廓,模仿动脉瘤模型和数值解决Berguer et al。5]。层流和湍流脉动的流动进行了研究。实际的模型研究。牛顿和非牛顿行为的影响的血液进行了比较。他们得出的结论是,要考虑非牛顿湍流研究的动脉瘤。要指出的是,将层流和湍流脉动的流基于时间的速度达到那一瞬间。运输模型,最佳处理层流和紊流会是一个更好的预测流现象和提供更多可接受的壁面切应力值。
一个过渡流模型基于表示“状态”等。6)是受雇于Tan et al。7]预测梭形动脉瘤的血流模式假设血液是牛顿在自然区域。从本质上说,虽然流量脉动的主要脉冲组件是层流,过渡流模型解决了在近壁区流体层流和湍流。从仿真结果,他们发现过渡给更好的推理与层流仿真模型。观察高度不安,再循环流凸起地区内的动脉瘤。高湍流强度值特别观察动脉瘤的出口附近。也给出了壁面切应力值获得可能高估。感兴趣的是调查一个适当的过渡模型考虑血液的非牛顿性质的囊状动脉瘤主动脉病变。然而,这个基本方案的有效实施需要一个非常精细的网格分辨率墙附近的地区。建议y+(无量纲距离墙)值< 2。这是非常好,将计算量。给出了详细的计算的意义和解释在本文的数值协议部分。一个最佳的解决方案,这将是实现一个好的预测即使比较细网格选择墙y+值为100,同时照顾,以确保层流和紊流过渡是在跳动的流而不是使用典型的过渡流模型。
a·c·Benim et al。8)发现,正常的人类主动脉,时间平均速度场的脉动的流在稳态结果并没有显示出显著的差异。他们表明,动脉粥样硬化斑块的动员需要考虑作为体外循环的一个非常重要的问题。然而,实际的流型对主动脉病变的影响,然而,并不是研究。详细的动脉瘤的腔内表面表示非常重要在应力模式的分析9]。然而,波动动脉瘤腔内的血液流动区域没有详细研究。乔等人描述了主动脉斑块的形成和发展在动脉瘤地区使用CFD [10]。仿真执行的梭形动脉瘤与脉动的流降主动脉,但细胞细化和网格独立测试没有执行。卡拉汉等人提出了一个工作,结合四维流和CFD模拟胸主动脉瘤的情况(11]。他们报告说,高墙的剪应力值20 Pa被发现在升主动脉湍流和得出结论,CFD提供结果补充了解动脉瘤的4 d流动数据开发和风险;然而,层流和意义的墙y +动脉瘤模型没有研究。Numata et al。12)和Markl et al。13)报道,CFD模拟本身并不能保证忠实复制体内血液动力学由于固有模式的局限性。他们指出,网格分辨率错误是一个可能的来源的不确定性。为了克服这个问题,网格进行独立研究。都将处在监管之下et al。14)提供了一个详细的方法和墙y的重要性+捕捉WSS。然而,它是收缩期峰值即时计算时间使用平入口速度剖面为一个正常的主动脉。Basri et al。15)详细最近使用CFD在生物医学应用。作者回顾了若干研究论文,研究了利用CFD的病理生理学作为一种工具来确定心血管系统。作者讨论的异常包括主动脉壁的收缩,血液从泄漏阀门开度,狭窄的条件。然而,使用CFD在动脉瘤条件没有研究。
总之,从分析可用的文学,它被认为是必要的考虑几何模型尽可能接近真实的主动脉。这可以确保使用的成像方式,如CT。这个模型是离散(网状)通过适当的细化靠近墙,必须足够好,以避免数值错误。在本研究工作中,一个主动脉有囊状动脉瘤与CT图像重建。详细的离散化方案的扩展(14)与改善网格拓扑在下一节详细解释。物理而言,从文学流应该被认为是脉动的和体液(血液)作为非牛顿。几何图形的离散化是非常重要的与最小数值误差获得一个解决方案。该协议采用了在下一节详细介绍。数值方案的关键是准确预测。从可用的文学研究,它是/指出几个方案已经试过了,也就是说,层流、湍流和过渡模型假设一个稳定的速度剖面和/或脉动的牛顿行为概要文件。跳动的流与非牛顿流体模型尚未到目前为止/未遂和建议这种改进的方法与上述方法建模参数将会提供一个更准确的估计WSS的价值观。
在本研究工作中,试图测试数值方案的有效性通过比较获得的结果用一个跳动的速度剖面牛顿和非牛顿模型考虑流动是层流。使用层流模型的原因是,0.8秒的脉冲流湍流只从0.02到0.2秒,在超过2200的值。平均总是小于2200。找一个替代过渡模型假定大量的流体传输完全湍流(不是),还需要一个非常细网格(计算密集型的命题),提出了使用层流湍流切换基于雷诺数。这是看的可能性overprediction WSS (8可以减轻。速度跟踪可以被映射到一个laminar-turbulent-laminar流从一个心动周期。在这个模型中,速度跟踪映射到雷诺数。所有值的Re < 2200年,启用了层流解算器,对再保险> 2200年启用标准k-epsilon模型。
2。材料和方法
2.1。数值评估协议
工作流是在这项研究中,在绘画的人物1下面简要解释。
2.1.1。几何形状的选择
在这个研究中,3 d重建动脉瘤模型的CT扫描片使用模拟。原始CT是DICOM图像文件格式。扫描切片的总数是600,扫描的范围从脖子到脚。相邻层之间的距离是1毫米。CT数据导入到模拟软件和数据提取的主动脉血管的三维阈值分割的方法。然后,模型导入到明星CCM CFD分析+(西门子、美国)。域使用多面体离散网格与棱柱层更准确地捕捉边界基于以下原因。
2.1.2。多面网格
多面网格为复杂的网格生成问题提供一个平衡的解决方案。他们相对容易和高效,不需要表面处理比等效的四面体网格。它们还含有细胞大约五倍少于给定表面开始的四面体网格。多范围的网格共形网格界面允许。
2.1.3。棱柱层网
棱柱层网格模型如图2使用核心体积网格生成正交柱状细胞旁边墙壁表面或边界。这一层的细胞需要改善的准确性流解决方案和提供的共形网格模型。这有助于更准确地捕捉整个边界层速度比标准取决于墙功能。这是决定从墙上y +值在本节稍后讨论。注意,图2的礼物只表示与多面棱柱层墙附近细胞中心。实际网格非常好(平均距离相邻网格的墙是0.0001米),一个将无法看到细胞层厚度的几何级数从墙内流体区域。
2.1.4。墙y +价值的重要性
了解壁面切应力的实际物理,接近边界层流动必须准确地捕获。由于边界层厚度是极其微小的,第一个网格点必须非常接近。这墙的距离表示为nondimensionless墙y+。 在哪里y+是无量纲距离墙,y是墙的距离,m, 是摩擦速度, 运动粘度,m / s2, 壁剪切应力,Pa, 是密度,公斤/米3。
速度剖面接近墙通常被假定为抛物线和边界层的变化被认为是抛物线。然而,这并非如此。无量纲速度u +策划反对从墙上的无量纲距离,定义为y +(图3)。见图3,边界层可以分为三个区域和粘性子层,记录层,和缺陷层。在粘性底层y + = u +,这有利于y + 5的值。这意味着粘性力的惯性力。在记录层,u +值与墙的距离呈指数增长,在对数刻度策划时是线性的。
墙y +值表示的位置在边界层网格。值小于5意味着第一个网格是300年粘性子层和一个值意味着日志第一网格层。它是可取的,y +是在这个范围内,以确保边界层的物理真正反映在本研究的标准计算,即使墙功能被启用。在这种情况下,分别y +范围从3 - 100。这显然满足条件,在目前的模拟,边界层内流动是完全由棱柱层网格点。
2.1.5节讨论。网格独立性研究
为了避免网格分辨率错误,三个不同的网格模型生成在流体领域。生成细胞的数量是2,4和八十万年,分别。棱柱层的数量设置为四个捕捉壁面速度剖面。跳动的速度剖面的模拟进行了一个典型的休息条件在胸主动脉动脉瘤地区和结果呈现的男子(61岁)在图4。速度剖面是取自出版的文献[15]。
执行模拟假设牛顿行为。仿真运行6周期允许解算器稳定,结果第七周期策划。三分是监控。2点1对应的入口,点对应于动脉瘤的位置存在,和点(图3指的是出口5)。数据6- - - - - -8随着时间的推移呈现速度剖面不同网格数。速度是由于流的负面价值被认为是积极向上的入口区域。它可以从所有的三位数mesh-independent网格计算解决方案达到400000。然而,对于确保忠诚,所有进一步的模拟执行精制网拥有一个网数为800000。
(一)CT DICOM图像
(b)主动脉模型与监控三个要点
(c)动脉瘤的放大图像
2.1.6。解算器设置
关于物理条件,其中包括不稳定、脉动的层流,种族隔离的流动。层流是基于从雷诺数获得价值。跳动的流的平均雷诺数为1405。的速度剖面,它是发现,78%是层流,22%是动荡的。流主要是层流,层流模型选择。然而,laminar-turbulent-laminar (LTL)模型也模拟比较。
对于边界条件,入口边界条件是速度进口和进口的速度剖面如图5(一个)。CFD分析,平均速度必须设置为一个使用峰值速度入口边界条件,而不是价值。墙被认为是刚性的,没有滑动条件设置在墙上。出口压力出口边界条件。
牛顿和非牛顿流体,一般来说,血液在大动脉血管和非牛顿行为遵循牛顿行为在小动脉和毛细血管。但是在这两个大、中型大小的血管,非牛顿行为影响血流动力学因素(16- - - - - -18]。为了理解这种效果,血液的非牛顿模型也采用和使用牛顿流动而获得的结果。血液的粘度是设定在0.0052 Pa-s基于实验结果报道在4]。
在稳态、非牛顿行为影响壁面切应力值比牛顿模型预测(16,17,19- - - - - -21]。解决这个主动脉模型假设一个稳定的平均速度,WSS价值估计为13.2 Pa为非牛顿模型,这是高于WSS牛顿模型(7.4 Pa)的价值。但当脉动的流动被认为是,牛顿行为倾向于提供WSS比非牛顿行为可以看到从图所示(图9),平均16 Pa和15.29 Pa值,分别。图还显示了laminar-turbulent-laminar (LTL)模型提出了。这个模型(LTL) overpredicts WSS平均20.10 Pa的价值。实际上,从这项工作充分明显和其他考虑血液流动为层流假设是正确的/推定。
仿真了基于三个条件:在休息,光锻炼,适度的运动。速度剖面随应力状态和相同的呈现在图10。
3所示。结果和讨论
我们考虑三个峰值的速度剖面和涡度为0.05,0.25,和0.75的时间瞬间血流速度剖面的休息期间,光锻炼,适度的运动位置(图10)。
从图10可以看出,适度的运动条件下,速度剖面的峰值为0.05,0.25,0.4和0.75秒,两座山峰的其他两个压力条件。相应的速度矢量在这三个时间瞬间绘制在图10。
数据(11日)和11 (b)指示向量现场代表在第一高峰在图10在动脉瘤点层流和laminar-turbulent-laminar方法。这表明流向左边,这使得涡的形成的基础。图11 (c)同时介绍了涡量图。涡度值在动脉瘤使用层流方法是110.7285 (/ s)和LTL方法是221.6708 (/ s)。尽管脉动的流动行为laminar-turbulent-laminar基于速度剖面,它overpredicts值相比,层流的方法。这又要求模拟需要使用非牛顿和层流方案执行。
(一)
(b)
(c)
图12显示动脉瘤地区(即倒流。向右),流。图12 (c)同时介绍了涡量图。涡度值在动脉瘤使用层流方法是111.07 (/ s)和LTL方法是182.44 (/ s)。
(一)
(b)
(c)
在图13,向左边,这个向量的场景在第二次获得积极的峰图10。图13 (c)同时介绍了涡量图。涡度值在动脉瘤使用层流方法19.39 laminar-turbulent-laminar方法(/ s)和46.98 (/ s)。
(一)
(b)
(c)
在数据(14日)和14 (b)流矢量向正确的方向,再次显示动脉瘤地区倒流。这种倒流可能影响壁磨损和破裂的可能性。有一个峰值流速增加升主动脉与锻炼22]。图14 (c)同时介绍了涡量图。涡度值在动脉瘤使用层流方法13.5542 laminar-turbulent-laminar方法(/ s)和31.3758 (/ s)。
(一)
(b)
(c)
根据泰勒(23),一个正常人,逆流发生在主动脉在休息和反向流在运动中被淘汰。目前的模型进行了主题与动脉瘤和分析发现有回流和流量波动动脉瘤地区在运动条件,这可能导致破裂。
虽然LTL方案提供了相同的向量作为非牛顿模型场景,laminar-turbulent-laminar WSS相对比较高的方案。还为laminar-turbulent-laminar涡度值高方案相比,层流方案。
WSS通过动脉血液流动有关,还取决于大小和几何形状的主动脉。相应的WSS休息期间,光锻炼,适度的运动数据所示15和16。
从这个,很明显,laminar-turbulent-laminar方案overpredicts WSS值高。所以,非牛顿模型与层流的替代选择可以提供更好的结果在上面讨论的不同模型。
WSS破裂和斑块的形成是一个重要的因素。结果发表在开放文学强调WSS overpredicted在一个数值实验。数值结果严重依赖于设置和这些迄今为止还没有被很好地记录下来了。为了获得解决方案匹配的物理实验,需要(a)的提取几何没有损失的细节和一个好的离散化方案;流(b)的选择;物理学和(c)的选择。下面详细解释这些。
的离散化几何必须遵循协议的方式靠近壁面区域充分捕捉连同mesh-independent研究检查解决方案的忠诚。尽管流动行为是laminar-turbulent-laminar心动周期,它已经看到这个模型overpredicts WSS以及涡度。令人惊讶的是,它假定层流的流动提供了一个更好地估计WSS。液体的物理也作为非牛顿比牛顿,这提供了一个更好的结果。是指出,悸动的流与非牛顿流体模型至今没有尝试和视为一种改进的方法与上述方法建模参数估计WSS更准确。
此外,涡的发展和倒流提出了这项工作,这是一个可能的斑块沉积形成的原因。这是一个原因减少流区和内部压力的增加。这一观点在倒流和涡发展尚未探索基于可用的文学最好的作者的知识。Chatzizisis等人,陈等人提出了,在地方有动脉粥样硬化病变的存在,振荡或低剪切应力主要是观察(24,25]。然而,陈等人也观察到压力对血小板的影响是未知的25]。
4所示。结论
的共形网格模型是获得使用多面棱柱层网。捕捉流沿墙的两侧用墙y +。已经观察到,考虑到跳动的血液流动是层流是正确的和它不overpredict WSS值。此外,还发现有必要考虑血液时甚至非牛顿流在大血管。真正的几何表示,在近壁区与细网格离散化(y+< 100),数值方案的正确选择是正确预测的关键流程和WSS。CFD作为数学工具可以帮助理解动脉内的流动物理现象。模型的优点是可以检测不同强调动脉可能受到()的日常生活。这个工具将帮助在评估治疗方法和建议患病的病人生活方式的修改。因此,CFD和心血管血流动力学之间的关系,研究了不同的假设。发现CFD可以提供更好的结果通过适当的建模,网格,求解器设置。本研究的局限性在于,目前的研究结果是基于有限的人口(即。,一个特定的情况下)。在未来,更多的囊状形状胸主动脉瘤患者的CT数据可以获得,然后模拟可以提供更合适的数值结果。
数据可用性
临床数据要求符合志愿者的知情同意。网上的数据将不会被共享。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。