颈动脉分叉管内定常流场的三维数值模拟

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1、上海交通大学硕士学位论文第二章基本模型和方法2-1颈动脉分叉几何形态在输入条件确定的情况下动脉几何形状是决定动脉血流的主要因素因此对血管形态特征的准确掌握是建立流动模型的重要前提形态学研究表明动脉的几何形态因性别年龄种族和健康状态不同而各有不同但在形态的差异性中也存在共性分析这些共性可得到普遍性的规律心血管系统的血液输入系统与城市供水系统在结构和功能上极为相似(如图2.1)动脉管路除了具有坚挺的圆形管壁和畅通的管腔外还有逐级分叉的枝状结构与工程给水管路的结构也十分相似因此关于工程管路的流体力学原则和计算方法均适用图2..1于动脉管路分析工程

2、管路通常关心管段的流动阻力并不关心流体对管壁的局部切应力作用分析动脉管路则不然因为局部的血流作用常常与动脉壁病变有关系大量临床解剖结果表明动脉粥样硬化斑块首先发生在大中动脉的分叉和弯曲部位这些部位的局部流场与直管中的流场存在明显差异流体力学研究人员用模拟实验和数值方法对动脉粥样斑块及其早期症状内模增生的好发部位附近的流场作定量分析丁祖荣等()[]2001在研究了来自74具中国人尸体的148个颈动脉分叉标本3后建立了一个新的人颈动脉分叉平均模型TF-AHCB以取代Bharadvaj等()[]1982建立的传统的Y-AHCB模型确立了新模型分叉

3、管的归一化尺寸他通1过对年龄在30-75之间的74个成年人解剖所获得的颈动脉分叉管的标本照片作形态学的比较,证实颈内动脉远端是与颈总动脉平行的,但近端的弯曲段各不相同见下图-5-上海交通大学硕士学位论文按照弯曲点离颈动脉根部分叉点的远近大致可分为三类:1)至少在颈动脉窦长度的两倍范围内没有弯曲,从颈动脉窦局部而言可称为直分叉或Y形分叉.这是最接近Y-AHCB的形状74例中约有6例占8.1见图2.2中12)约在颈动脉窦末端开始弯曲,而颈动脉窦本身保持直线状可称直弯分叉或音叉形分叉,约有38例,占51.4见图2.2中2—83)从颈动脉窦根部起就

4、开始弯曲称为弯分叉或汤匙形分叉约有30例占40.5见图2.2中91011由上可见第一类最少第二类最多如果将后两类通称为弯分叉则占绝大多数从解剖实验来看没有真正符合模型Y-AHCB的形态因此选择TF-AHCB模型作为AHCB模型的基础能反映实际颈动脉分叉的基本特征第三类可看作第二类的某种变异与第二类只有程度上的差异2-2TF-AHCB模型的几何形态TF-AHCB模型的几何形状如图2.3所示假设颈总管CCA带窦的颈内管ICA和颈外管ECA位于同一分叉平面内包括颈动脉窦在内的所有横截面均为圆形窦与颈外管的轴线关于颈总管轴线对称夹角为α称为分叉角颈

5、内管从窦末端起向内弯曲并逐渐同颈总管轴线平行颈外管也作相应弯曲-6-上海交通大学硕士学位论文图2.3中的实线代表TF-AHCB模型虚线代表Y-AHCB模型点虚线分别为20o(无量纲值L1.8R1.8)和80o(L2.4R2.7)分叉角对148个颈动脉分叉标本测量分叉角并进行平均可得到分叉角呈正态分布平均值为44.3o±14.8o极值为10o和86oBharadvaj.等根据57名病人的血管造影照片测得颈动脉分叉角平均值为50.5oZarins等()[]1983根据12例无明显狭窄的10颈动脉分叉标本测得分叉角平均值为46o虽然血管造影照片拍

6、摄的是处于生图2.3TF-AHCB模型理状态的血管但由于拍摄方向不能保持与分叉平面垂直侧得的角度不一定能反映真实情况而对尸体标本作直接测量时由于尸体内器官的应力状况与活体不同尸体颈动脉分叉角小于活体是合理的结果综合各种测量方法的结果可认为颈动脉分叉角的平均值在44o50o个体极端角度的上下限可分别取80o和20o为了与丁祖荣等()[]2001所获得的实3验结果相比较本论文所用的分叉角为50o所有的无量纲值与丁祖荣等()[]20013的相同模型的无量纲值详见表1,而对于极端角度只是颈内管和颈外管中心线的远端间距分别为27mm(20º)和36m

7、m(50º80º)其他比例不变表1TF-AHCB模型尺寸图2.3中的位置ABCDFGELRα无量纲值1.001.041.110.720.912.140.692.42.450º丁祖荣数据(mm)15161710.514328.5363650ºBharadva和Ku数据(mm)1515.616.710.715.734.28.550º-7-上海交通大学硕士学位论文本论文的数值分析将用FLUENT来进行与其配合的前处理软件为GambitGambit可以进行三维建模和网格划分但是它毕竟不是专业的绘图软件尤其在三维建模上存在着一定的局限性特别是像颈动脉

8、这种不规则的三维模型直接使用它建立光滑的模型存在着一些的困难在多次尝试都无法得到满意的结果后本文选择大型CAD软件Unigraphics来绘制所需的颈动脉分叉三维模型然后将其输出