下肢残肢内血液循环的血流动力学数值和实验研究

Kinds of peripheral vascular occlusive diseases related to blood and vascular system are the main reasons leading to lower limb amputation, and after an amputation the various problems of residual limb are closely related to hemodynamics. The hemodynamic factors have been recognized as an important role, but did not attract enough attention. Therefore, aiming at the lower limb stump hemodynamic problems, this project focuses on the following researches: (1) changes of the residual limb vascular system structure in the rehabilitation process; (2) variation of the residual limb hemodynamic parameters in the rehabilitation process; (3) establish a set of hemodynamic multi-scale numerical model of lower limb stump and its calculation method to detailed study the variation of the residual limb hemodynamic state in different stages of rehabilitation and different physiological or pathological conditions; (4) design and build a set of in vitro testing system of quasi-physiological residual limb blood circulation, focus on the residual limb blood perfusion in muscle tissue. Through this project, trying to explore the variation of residual limb blood circulation and its interaction law between peripheral vascular disease and residual limb physiological changes, provide theoretical guidance for clarifying the occurrence and development mechanism of pressure ulcer, deep soft tissue injury, muscle atrophy and other clinical problems, and also for prosthetic socket design.

血液和血管系统相关的各类周围血管闭塞性疾病是导致下肢截肢的主要原因，截肢后残肢出现的各类问题也与血流动力学密切相关。尽管已经认识到血流动力学因素在其中起着重要的作用，但并未引起足够的重视。因此，本项目围绕下肢残肢的血流动力学问题，重点开展以下研究：（1）残肢血管系统结构在康复过程中的变化情况；(2)残肢血流动力学参数在康复过程中的变化规律；(3) 建立一套下肢残肢血管系统的血流动力学多尺度数值模型及其计算方法，细致研究不同康复阶段、不同生理或病理条件下残肢血流动力学状态的变化规律；（4）设计和建立一套近生理的残肢血液循环体外测试系统，重点研究残肢内血液在肌肉组织中的灌注情况。通过本项目的研究，力图探寻残肢内血液循环变化规律及其与外周血管疾病及残肢生理变化之间的相互影响规律，为阐明压疮、深度软组织损伤、肌肉萎缩等临床问题的发生机制和发展机理，也为假肢接受腔设计提供理论指导。

血液和血管系统相关的各类周围血管闭塞性疾病是导致下肢截肢的主要原因，截肢后残肢出现的各类问题也与血流动力学密切相关。本项目围绕下肢残肢的血流动力学问题，重点展开了以下研究：（1）残肢各主要动脉在康复过程中的形态学变化及其与肌肉萎缩情况的关联性；（2）首次利用改进Hausdorff距离计算方法来表征血管树空间结构的变化；（3）各血流动力学参数在残肢与健肢主要动脉中数值范围及分布情况的对比分析；（4）以旋股外侧动脉降支为对象进行血液流动和氧气传输的耦合计算，对比分析了残肢和健肢壁面缺氧区的大小；（5）针对不同运动状态下，旋股外侧动脉降支内的氧气传输情况进行了调查；（6）结合血流动力学参数和氧气浓度的分布情况，提出了对下残肢动脉粥样硬化可能出现的高危区的判断；（7）以氧气传输基本理论为根据，首次提出了血管内氧气传输线方程；（8）利用3D打印血管模型、电比例阀和密封空气容器腔等部件构建出一套下残肢主要动脉的体外循环系统，为验证数值计算结果提供一种有效的实验手段。以上研究内容得出的重要结果有：残肢各动脉的缩窄程度不同；穿戴假肢与否影响残肢肌肉萎缩与供血动脉缩窄程度的正相关性；残肢与健肢的血流动力学状态差异明显，而穿戴假肢与否是重要影响因素；残肢在局部区域有产生动脉粥样硬化等血管病变的高危险性；判断下残肢动脉粥样硬化发生几率，需结合氧气传输情况来考虑；锻炼有利于残肢血管内的氧气传输，可有效预防动脉粥样硬化；通过构建的氧气传输线方程能够预测出整个动脉系统中氧气含量的分布。另外，本项目还研究了推注速度对下肢静脉曲张用泡沫硬化剂稳定性的影响，假肢设计中下肢关节协调的生物力学问题，3D打印医用合金材料的性能分析等。本研究的结论将为未来针对下肢残肢血管的数值计算、临床调查和实验方法等研究提供数据参考和理论支持，对缓解残肢问题和促进截肢患者的全面康复具有推动作用和临床指导意义。