生殖过程生物流体问题的数值模拟研究

数值模拟与生殖相关的生物流体力学现象对医治不孕症、优生、减少遗传疾病和提高人类健康水平都会发挥重要作用，是力学与生命科学交叉的前沿研究领域。本项目用计算流体力学方法模拟精子的游动和卵子的运输、子宫通过蠕动运输胚胎的方法。针对生物组织的柔性特性，建立数值计算模型，模拟此类具有运动边界的流体力学问题。将格子波尔兹曼方法与浸没边界方法相结合，提出处理生物柔性边界的计算流体力学方法。格子波尔兹曼方法是高度并行的算法，适合处理复杂流动及复杂的边界条件。拟解决的关键问题是生物体的柔性结构与流体相互作用的流固耦合问题。具体做法是首先建立结合浸没边界的格子波尔兹曼模型，规则的欧拉网格用于流体区域的计算，而拉格朗日网格用于确定精子的位置；建立子宫壁蠕动的力学模型，计算宫腔内液体与胚胎的运动。模拟结果将对精子活力分析和鉴定、提高胚胎移植的成功率、某些疾病的检测和诊断都有重要意义。

本项目应用数值模拟方法分析生殖过程中的生物流体问题，重点模拟胚胎移植过程和精子游动的动力学问题。. （1）建立一个数学模型，模拟胚胎随移植液注入子宫腔内的流动过程。此模型能够计算子宫腔内的两相流混合物、追踪胚胎（认为是悬浮颗粒）的运动轨迹，预测胚胎的着床位置。用此模型分析移植液粘度对注入过程的影响。模拟结果显示：当粘度大时，被注入的移植液在子宫内呈扇形分布；当粘度小时，呈椭圆形分布。得到大量胚胎移植过程中子宫腔内液体流动的图像和动画，可用于胚胎移植技术的教学演示。为了提高胚胎移植的成功率，通过多种情况的数值模拟，总结出了以下临床操作方法：(a)移植液的粘度应该接近子宫内液的粘度；(b)移植导管前端距子宫底的距离应大于10mm；(c)移植导管拔出的时间应在注入移植液完成5秒之后。分析了液体中携带的胚胎（即悬浮颗粒）的受力，考虑液体对胚胎的作用力包含随机作用力，运用Fokker-Planck方程模拟胚胎的运动。考虑子宫壁面的皱褶和输卵管壁面的纤毛，即壁面的不光滑表面，数值模拟了粘性液体流过不光滑表面的流动特性。. （2）建立了人类精子游动的计算模型，确定了精子尾部螺旋式摆动的数学描述方式，模拟了精子游动的动力学过程。采用动网格技术实现精子尾部的摆动，从动力学方面模拟精子依靠尾部的摆动推进自身向前运动。通过计算得到精子周围液体流动速度。医学检测显示，不同人的精子，其尾部摆动的频率和振幅有一定的差别。本项目的计算结果显示，精子摆动频率、振幅与精子运动的能量消耗功率之间是线性关系。本项目的结果对医治不孕不育、避孕、优生有重要的指导意义，是流体力学、计算机仿真模拟及生殖医学结合的交叉研究内容。. (3)取得的成果：发表论文9篇，其中SCI论文4篇，EI论文1篇。.在国际学术会议上作报告1次，国内学术会议作报告2次，包括主旨报告1次。培养博士研究生5人，硕士研究生4人。一名项目参加人晋升副教授。论文Biofluid flow simulation of embryo transfer (ISTP收录)被收录在第6届国际流体力学会议论文集。2011年召开的中国力学大会上，项目负责人在生物力学分会场作了主旨报告，题目是：胚胎移植过程中生物流体流动的数值模拟。