第1章 绪论
1.1研究背景与意义
我国是一个人口大国，且人口老龄化进程加快。据报道指出，1995 年 65岁以上的人口是 7510 万人，经过 20 年时间，到 2014 年增长至 13755 万人，约增加了 6245 万人；1995 年 65 岁及以上人口占全国总人口的 6.20%上升至 2014年的 10.06%[1]。国家标准规定，当某一个国家或地区的人口中 65岁及以上老年人口比例超过 7%时，可以认为这个国家或地区已经进入老年型社会[2]。中国逐步进入老龄化社会，由此带来心脑血管疾病人群迅速增长。现代微血管医学研究技术观测已经确定，随着人体年龄的增加，微血管受到高血脂、高血压、肥胖、糖尿病等因素的危害会引发一系列改变，进而影响心、脑等重要脏器的血液供应，引发多种疾病，如动脉硬化斑块内微血管异常滋生可促使斑块破裂等，引起了我国政府、医学界的广泛关注。心血管疾病的发生，常常伴随着下肢动脉硬化病变。在美国，70 岁以上的人群下肢动脉硬化发病率约为 10%，35~69岁人群发病率约为 2%，每年接收外科治疗的人群约为 10 万人[3]。据国内调查统计，动脉硬化闭塞症患病人数大于 2000 万，且每年以约 60 万的速度增加[4]。下肢动脉硬化闭塞症（ peripheral arterial disease, PAD）是由于下肢动脉粥样硬化斑块形成，引起下肢动脉狭窄、闭塞，进而导致肢体慢性缺血的疾病。各种诱发因素，比如高脂血症[5-6]、高血压[7-8]、吸烟[9]、遗传因素及年龄[10]、肥胖[11]、性别[12]等都会很容易使动脉发生硬化，导致血管狭窄甚至闭塞。该疾病临床症状为下肢间歇性跛行、皮温降低、疼痛、甚至发生溃疡或坏死等，常为全身性动脉硬化血管病变在下肢动脉的表现。在现实生活中，人们更多的是关注心脑血管疾病，而对下肢动脉疾病关注度不高，常常导致病人病情延误，影响自身的生活质量，同时给家庭和社会带来很大的负担。下肢动脉硬化闭塞症是动脉硬化引起的慢性疾病，常见于股动脉段闭塞[13]。根据临床经验，股动脉发生病变主要分为以下三种：孤立性短段病变、节段性病变、弥漫性病变。股动脉斑块首发位置最常见于股浅动脉下 1/3 段（图 1.1）即股浅动脉穿越收肌管裂孔段[15]。据数据统计，股动脉闭塞症约占全身动脉硬化闭塞症病变的47%~65.4%[16]。70 岁以上人群的发病率较高，男性发病率略高于女性，其中多数伴有心血管疾病及糖尿病[17]。因此，能够及时预防和治疗由动脉粥样硬化导致的下肢缺血性疾病，对于改善老年人的生活质量甚至是拯救其生命至关重要。
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1.2血流动力学简介及血流动力学基本参数
生物流体力学是近几十年发展起来的生物力学的重要分支学科，是生物学、流体力学、医学等多种学科的综合与交叉，尤其与临床医学及人类心血管疾病的预防、诊治、解理等研究关系上极为密切[20-22]。生物流体力学又称为血流动力学，主要任务是应用流体力学的理论和方法研究血液沿血管循环流动的原因、条件、状态以及各种影响因素。血流动力学因素在动脉血管疾病的形成、发展和治疗过程中扮演着非常重要的角色，它对动脉血管的狭窄机理有着重要影响[23-25]。研究表明，血流动力学因素影响血管的结构和功能，如内皮细胞基因表达、胞外蛋白质的合成和降解、胶原纤维结构破坏、平滑肌细胞迁移及局部炎症的产生等。人体中的血液是黏性液体且伴随脉动周期性变化。血液的流动可对血管壁面产生剪切应力，剪切应力平行于管壁，且随着速度的增大而增大，当增大到一定程度之后将会对血管壁造成损伤。在血管疾病手术中，临床外科医生主要是通过临床经验和观察医学成像确定病人的治疗方案，并不能根据该病人的具体病情进行手术规划。因此，计算机模拟成为研究血流动力学的必要方法，通过计算可以对大规模的物理过程进行数值模拟，并与体外血管试验紧密结合，更高效地解决许多科学和工程问题。在对血管模型进行模拟求解时，应该考虑血管内的血液流动状态。
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第2章 血液非定常流动的流固耦合分析方法
2.1本章引言
血液脉动与血管的流固耦合作用对血液的流动速度、回流速度及壁面剪应力有重要的影响。本章针对血液-血管壁的耦合特性，确定了本文流固耦合分析的主要方法。
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2.2流体与流动基本特性
流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体，由连续分布的流体质量元组成。流体力学是力学的一个分支，主要是研究流体本身的静止和运动状态，以及流体与固体边界有相对运动时的相互作用和流动规律。
2.2.1理想流体与黏性流体
黏性是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用，其大小取决于流体的性质，并且随温度的变化而变化。自然界中存在的流体都是黏性流体，正是由于流体中黏性的存在，当相邻两层流体相对运动时，流体受到切应力，这种切应力即为黏性应力。当流体的相对速度较小，黏性也很小（如空气和水），所产生的黏性力较其他的力（如惯性力）忽略不计时，可以近似看成理想流体。理想流体不存在传热，不抵抗切向变形。理想流体只是将真实流体在某种情况下转变为一种近似模型，使其流动问题简单化，但是不会失去流动所具有的主要特性。对于血液流动分析而言，由于血液黏性系数较大，流动过程中形成壁面剪应力较大，本文分析时考虑了血液的黏性。
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第 3 章 局部狭窄股动脉体外血液流场试验............. 21
3.1 本章引言..... 21
3.2 体外血液流动测试系统的搭建........ 21
3.3 试验台主要组成部件........... 22
3.4 血管模型..... 25
3.5 狭窄股动脉体外血流脉动压力测量试验..... 28
3.5.1 狭窄股动脉模型试验测量 ...... 28
3.5.2 试验结果讨论与分析 .............. 29
3.5.3 试验测量与数值模拟结果相对比分析 ............ 38
3.6 本章小结..... 41
第 4 章 人体局部狭窄股动脉病变机理数值模拟 ..... 43
4.1 本章引言..... 43
4.2 CFD前处理.............. 43
4.3 数值模拟结果分析............... 47
4.4 本章小结..... 57
第 5 章 结论与展望.............. 59
5.1 本文主要研究结论............... 59
5.2 本文主要创新点...... 60
5.3 展望............. 60
第4章 人体局部狭窄股动脉病变机理数值模拟
4.1本章引言
第 3 章试验中测量了一个心动周期内压力差值，并验证了数值模拟的正确性。因此，作为试验研究的补充，本章应用 ANSYS 软件，分析正常血管与病变血管血液流动参数的差异。临床病人的股动脉血管发生病变，主要分三种情况：孤立性短段病变、节段性病变、弥漫性病变。股动脉斑块首发位置最多见于收肌管处的孤立性短段病变，由于血流动力学因素的影响，血管可能会发生节段性病变，且斑块的大小和间距不定，相邻的斑块如果相互融合在一起，即形成弥漫性病变。本文应用 Solidworks软件构建血管的三维 CAD模型，正常血管采用理想化模型，为一段直管。依据人体股动脉真实尺寸建模，血管内径为 7.8mm，内膜厚度为 1.5mm，长度为 300mm，各病变血管狭窄率均为 60%。图 4.1 所示为孤立性病变血管、节段性病变血管及弥漫性病变血管几何模型。每个血管模型的入口到狭窄段前端距离为 80mm，两狭窄段的距离为 60mm，短段性狭窄段长度为 22mm，弥漫性狭窄段长度为 44mm。计算网格质量对 CFD 的计算精度有重要的影响。通常而言，六面体网格较四面体网格有更好的收敛性和更快的收敛速度。本文采用 ICEM-CFD 软件，对流体域和固体域进行空间离散。固体域是指血管管壁区域，流体域是指模型内部的流体，以模型内壁为边界。为了提高数值模拟的计算精度，固体域和流体域狭窄部位均进行加密，并向外逐渐变疏。数值计算的速度和结果与网格数量密切相关，网格数量过大，则计算需要时间过长，网格数量过小，则计算结果不精确。图 4.2 所示是孤立性病变血管的固体域网格，动脉壁网格单元数为48720，进行网格质量检查 Determinant 2×2×2 中最小值为 0.645，最大值为0.918，Aspect Ratio 最小值为 1.04，最大值为 3.81，满足要求，网格质量良好。流体域网格划分时，血管内近壁边界层采用渐进加密网格[69-71]。
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结论
本文基于人体股动脉建立正常及病变血管模型，搭建了近似人体血管生存环境的体外模拟试验平台，通过试验和数值模拟分析正常股动脉与病变股动脉的血流特性及管壁剪切应力的影响。主要工作及结论如下：
（1） 正常及病变血管压力差值试验研究选取人体股动脉血管为生物原型，研究其病变特征。根据股动脉简化模型的几何参数与试验要求，运用 Solidworks 软件建立正常血管、孤立性、节段性、弥漫性病变血管及狭窄度为 40%、60%、80%的病变血管模型。搭建模拟人体股动脉试验装置，利用精度较高的压力传感器监测不同脉动速度下（最高速度分别为 0.175m/s、0.225m/s、0.25m/s）动脉管内血液的压力变化，发现随着入口速度的增大，狭窄段前后端压力差值越来越小；对孤立性、节段性、弥漫性病变血管压力差值分析，发现孤立性、弥漫性病变血管都可能会导致血管远端再狭窄，且孤立性病变血管引起远端再狭窄的时间较早，危害较大；对狭窄度为 40%、60%、80%的病变血管压力差值分析，发现狭窄度越高，压力差值在达到第一个峰值的时刻越来越早。相比较与另外两种血管，狭窄度为 80%的病变血管，更容易形成血栓。
（2） 人工血管狭窄段前后端试验压力测量及数值模拟结果对比研究选出具有代表性的病变血管（狭窄度为 60%的孤立性病变血管、双节段病变血管）在最大脉动速度为 0.225m/s 时的试验和数值模拟结果对比分析，发现试验所得压力差值变化曲线较数值模拟压力差值曲线稍微滞后，试验测得压力差值结果比数值模拟结果略微偏大 2kPa，误差约为 8%，但其基本变化规律一致，验证了数值模拟计算方法的可行性。
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参考文献（略）
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