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动脉旁瘤内超声多普勒血流信号的计算机仿真研究

张壮  
【摘要】: 动脉瘤是指动脉血管的局部退化扩张,它是一种常见的高危疾病。动脉瘤的持续膨胀增大可使瘤壁破裂,最终导致病人的死亡。如今,随着生物材料科技的发展,血管内支架植入技术在各种动脉瘤疾病的治疗中得到了越来越广泛的应用,取得了较好的疗效。目前,国内外已有各种关于无内支架和植入内支架的动脉瘤血流动力学数值计算研究,这些研究为了解动脉瘤区域的血液流场以及植入血管内支架后对动脉瘤血流运动状况的影响提供了一些理论参考,但在临床应用上还有一定的局限性。 超声多普勒技术作为一种无损伤、可靠性高的诊断技术,已广泛使用于各种血管疾病的临床诊断中。本文希望通过计算机仿真超声多普勒血流信号,分析其频谱特性,能够从超声多普勒无损检测血流的角度,研究动脉旁瘤区域的血液流场变化以及植入血管内支架后动脉旁瘤内的血流运动状况。 本文根据有限元分析(FEA)原理,采用基于计算流体动力学(CFD)模型的计算机仿真方法仿真超声多普勒血流信号。首先建立动脉旁瘤的有限元分析模型,然后利用有限元分析软件ANSYS进行血流流场的流体动力学数值计算,最后结合信号仿真算法通过MATLAB软件合成动脉旁瘤内超声多普勒血流信号,并对仿真信号进行频谱分析。 本文研究了在稳恒流和脉动流两种情况下,动脉旁瘤区域内超声多普勒血流信号的频谱特性。在稳恒流条件下,考虑了不同血流速度、不同瘤体大小的动脉旁瘤模型;在脉动流条件下,考虑了一个心动周期内,不同瘤体大小的动脉旁瘤模型。研究结果表明:在稳恒流条件下,随着血液流速的增大,仿真信号的平均频率在瘤体后端变化加剧,而随着动脉旁瘤瘤体的增大,仿真信号的平均频率在瘤体后端的变化同样加剧;在脉动流条件下,仿真信号的平均频率在一个心动周期内呈周期性变化,变化规律与血流动力学研究结果相符,而当动脉旁瘤的瘤体增大时,在相对应的每一时刻,仿真信号的平均频率变化更加剧烈。 在动脉旁瘤仿真的基础上,本文研究了植入血管内支架后的动脉旁瘤内的超声多普勒血流信号频谱特性。同样考虑了稳恒流和脉动流两种情况,在稳恒流条件下,研究了不同血流速度、不同瘤体大小、不同内支架网孔间距的植入血管内支架后的动脉旁瘤模型;在脉动流条件下,研究了一个心动周期内,不同瘤体大小的植入血管内支架后的动脉旁瘤模型。研究结果表明:在稳恒流条件下,血液流速在正常的变动范围内,植入血管内支架后,不同瘤体大小的动脉旁瘤仿真信号的平均频率变化均比较平稳;在脉动流条件下,植入血管内支架后,仿真信号的平均频率在一个心动周期内呈周期性变化,变化趋势相对于无内支架的动脉旁瘤比较平稳。可见,血管内支架的植入,确实可以改善动脉旁瘤内的血流运动状况,起到良好的治疗效果。同时研究发现,当血管内支架网孔间距过大时,仿真信号的平均频率变化仍然十分剧烈,说明此时内支架的植入不能较好地改善动脉旁瘤内血流运动状况,无法起到良好的治疗作用,因此,内支架网孔间距是一个影响治疗效果的重要因素。 综上可知,仿真信号的平均频率特性能够正确地反映出无支架和有内支架的动脉旁瘤内的血液流场运动状况,说明本文的信号仿真方法合理有效,有助于临床上从超声多普勒无损检测血流的角度研究动脉旁瘤的血流运动情况。


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