基于液固二次流现象与流固耦合效应的脑动脉瘤生长行为与破裂机理研究

颅内动脉瘤是局部血管组织异常病变而产生的脑血管瘤样突起，以附着于动脉管上并与其具有良好连通性的囊状空间为主。脑动脉瘤现已是危害人类生命安全的主要病因之一。脑动脉瘤的形成和演化过程涉及到连续固相（血管壁）、连续液相（血液）以及非连续固相（血液中血红蛋白、多核白细胞等）三者之间的流动、形变等复杂相互作用。对脑动脉瘤的研究是一个涉及多学科交叉、多流动状态、多研究对象并存的复杂物理问题。依据血液动力学原理，在瘤体与载瘤管附近形成的涡流（二次流）会加剧血液微粒对血管壁的损伤或促使血栓形成，血液流动的剪切力会导致粘弹性血管的固体物理形态改变的耦合效应。本申请项目将沿用基于液固二次流现象与流-固耦合效应研究脑动脉瘤的生长行为及破裂机理的思路，从多相流动力学、血液动力学、固体力学与生物力学等多学科角度研究脑动脉瘤的产生、生长和破裂行为，构建更加接近生理实际的理论模型，为临床医学诊断和治疗手段提供理论基础。

脑动脉瘤是一种由于动脉管壁病理性局部扩张产生的脑血管瘤样突起，本研究从用以体外仿生实验研究为主，结合数值模拟进行研究，重点考虑真实血管壁与血液之间的流固耦合作用，及分析血细胞存在时颗粒效应对血流动力学参数影响的情形下血管内流场和血管壁的受力情况，重点研究流场内二次流对血栓生成的影响和壁面剪切应力在脑动脉瘤生长和破裂中的产生的作用，得出以下重要结论：（1）在考虑血液与血管壁之间流固耦合作用的基础上, 建立了脑动脉瘤的非连续生长模型, 并应用大型通用有限元软件ANSYS 与大型流体力学软件CFX 相结合对所建立的上述生长模型进行了定常流动计算与分析, 获得了瘤体生长过程的血液动力学因素的作用机制和变化规律, 为分析和研究动脉瘤的生长、破裂提供了新的理论参考和研究思路. 模拟结果表明: 随着瘤体的生长, 瘤体内逐渐形成涡流区, 并且涡流区域逐渐扩大, 强度逐渐变强; 涡流形成时, 血液在瘤壁下游发生了分流, 分流点的位置随着生长过程的进行发生变化, 而分流点两侧瘤壁承受相反方向的壁面剪切力; 瘤壁内的 Von Mises 应力在初始阶段内, 不断减小, 在生长的后期, 逐渐增大; 在整个生长过程中Von Mises 应力均呈现为在瘤颈部最大, 顶部最小的分布规律; 与此同时, 瘤体在垂直于流动方向上的最大变形位置由起始的瘤顶处转移到瘤颈处, 最后再回到瘤顶处.（2）搭建了动脉瘤瘤内流动特性模拟的可视化实验台，利用转速可调的蠕动泵模拟人的心跳，采用PIV系统对不同心跳频率下的瘤内流场进行可视化实验研究。比较了不同心跳频率下涡量和壁面剪切应力沿特定轨迹的分布，实验结果表明涡量和壁面剪切应力均发生周期性振荡，且当心跳频率愈大，涡量在瘤颈附近处振荡愈剧烈，在涡心附近处的涡量强度也愈强，故进入到涡区内的血液有形物不易从瘤体内部逸出；同时瘤顶附近处的壁面剪切力振荡也更为剧烈，在瘤颈附近的剪切应力阶跃点，即动脉瘤生长点，亦沿瘤壁向瘤体内部移动。（3）血流动力学因素中，影响动脉瘤的生长和破裂的是瘤内涡流和壁面剪切应力（WSS）；当瘤内存在多涡复杂结构时，动脉瘤发生破裂的概率会急剧上升。利用FLUENT数值模拟，建立动脉瘤内液固两相动力学模型模型，模拟人体内部动脉瘤内红细胞等有形颗粒流动情况，重点分析内部流场及有形颗粒对瘤壁的冲刷信息，确定了动脉瘤破裂的潜在区域和动力学条件。