找到一个准确的模型来研究支架周围的血流

2017年4月18日

为了治疗脑动脉瘤,医生可以使用血管内方法,例如流动支架,可以改变血液流动并降低破裂的风险。在研究这些方法时,研究人员通常认为支架周围流动的血液是牛顿液。这可能是不准确的,因为支架周围的血流比正常情况慢。研究人员使用ComsolMultiphysics®软件,通过将其与更现实的非纽顿模型进行比较,测试了将血流建模为牛顿流体的准确性。

流动式支架:一种治疗脑动脉瘤的方法

当动脉血管充满血液并在气球状的隆起中膨胀,使血管壁变薄时,会发生大脑或颅内动脉瘤。如果凸起破裂,这可能会导致出血。医生可以多种方式处理这些凸起(或动脉瘤囊),例如手术治疗或通过血管内方法。

分叉的图像,一种类型的血管动脉瘤。
图形显示侧壁动脉瘤。
一种显示梭形的图像,即在血管中发生的一种动脉瘤。

血管中不同类型的动脉瘤。G. Mach,C。Sherif,U。Windberger,R。Plasenzotti和A. Gruber的图像乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑演讲

今天,让我们专注于血管内方法(例如,使用流动式支架),该方法将血液流入动脉瘤囊中。这开始了患病区域的凝结过程和最终造成酸的作用,有助于保护血管壁并降低出血的风险。

一张握在人类手中的支架的照片。
一个典型的支架。莱诺·埃德曼(Lenore Edman)的图像 - 自己的作品。获得许可CC由2.0, 通过Flickr Creative Commons

通常,当研究人员通过数值模拟研究这些方法时,它们会通过假设血液是具有恒定粘度的牛顿液来对颅内动脉瘤和大脑动脉的血液进行建模。这是基于以下假设:血流具有很高的速度和剪切速率,这意味着可以忽略其剪切稀释的行为。

当应用于流动式支架时,这种假设可能不是正确的,该支架会减慢血液流动并降低动脉瘤囊内部的剪切速率,从而使血液以牛顿的方式较少。

这提出了一个重要的问题:由于流动支架周围的血流差异,是否将其建模为牛顿流体准确的?为此,维也纳的脑血管研究小组,维也纳科技大学,鲁道夫斯蒂夫特医院和维也纳医科大学的成员分析了使用COMSOL多人物的CFD模块,分析了动脉瘤囊和血管中的血液流量。

用CFD模拟分析动脉瘤囊后面的血流

第一步,团队以不同的剪切速率测量了人类的血液粘度,并使用这些数据来生成模型参数。他们还指出,血液粘度取决于多种因素,包括剪切率,血细胞比容(HCT)和温度。

接下来,该团队创建了一个颅内侧壁动脉瘤的模型,该模型被描绘为脑父母血管侧面的圆形凸起。该动脉瘤通过一个复杂的流动支架进行处理,该支架位于母体血管中的动脉瘤附近,并从充满血液的血管结构域中减去。

图像显示具有动脉瘤和支架的血管模型以及用于该模型的网格。
左:模型几何形状,包括母体血管,脑动脉瘤和流动支架。该图像显示了动脉瘤颈平面和支架引起的容器壁的膨胀。右:用于模型的网格。G. Mach等人的图像。并取自他们的2016年慕尼黑介绍的Coms乐动滚球app下载ol会议。

仔细观察支架,我们看到它的渗透性为55%,类似于工业样品,由16条线条制成,这些电线被编织成网状。这不如真实支架复杂,后者包含更多的电线且具有较小的横截面。

图形显示流动支架的模式,并突出显示一根电线。
流动支架的挥舞图案,一根电线突出显示以显示图案。G. Mach等人的图像。并从他们的乐动滚球app下载Comsol会议2016慕尼黑论文

使用其模型和血液粘度参数作为基础,团队通过CFD模拟研究了支架结构中的血流。他们能够看到建模流体的速度曲线如何随两个不同的模型变化:

  1. 具有恒定动态粘度的牛顿模型
  2. Carreau-Yasuda模型,这是人类血液粘度的最常见的非牛顿模型之一

一个比较两个不同模型的血液粘度值的图。
与不同模型的测量数据的血液粘度值进行比较。G. Mach等人的图像。并取自他们的2016年慕尼黑论文的Coms乐动滚球app下载ol会议。

确定两种CFD模型的准确性

在查看粘度值时,我们会看到,与牛顿模型中恒定的粘度不同,非牛顿carreau-yasuda模型的动态粘度范围从3.57 MPa·S到7.1 MPa·S。

ComsolMultiphysics®中的牛顿和carreau-yasuda模型的速度曲线的并排图。
牛顿模型(左)和Carreau-Yasuda模型(右)的粘度概况。G. Mach等人的图像。并取自他们的2016年慕尼黑介绍的Coms乐动滚球app下载ol会议。

在这两个模型之间,Carreau-Yasuda模型的剪切速率范围稍大,并且在其内部流动率和平均速度的总流速的值较高。注意,所有这些比较都是在收缩,最高的速度轮廓值出现在入口平面上。

并排图绘制了不同CFD模型的血流速度曲线。
牛顿模型(左)和Carreau-Yasuda模型(右)的血流速度曲线(右)。G. Mach等人的图像。并取自他们的2016年慕尼黑论文的Coms乐动滚球app下载ol会议。

这些数值结果表明,牛顿模型高估了流动支架的效果约4–6%。尽管流量曲线并未显示这些差异,但它们由特征数字表示。因此,看来牛顿模型还不够准确,无法分析血液流过的血管内装置。

仿真结果显示了牛顿和carreau-Yasuda模型的速度曲线差异。
当牛顿模型从Carreau-Yasuda模型中删除时,速度曲线的差异。G. Mach等人的图像。并取自他们的2016年慕尼黑论文的Coms乐动滚球app下载ol会议。

用于准确对支架上的血流进行准确建模的步骤

今天讨论的研究为测试牛顿和非牛顿血流模型的准确性提供了坚实的基础。该团队计划通过以较低的剪切速率进行更多的血液测量,并收集实际流动式支架的3D图像,以继续提高模型的准确性体内。通过使用新的数据和层析成像图像,他们希望提高模型的准确性。

了解有关使用comsolMultiphysics®模拟医疗应用的更多信息


评论(4)

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埃德温·瓦尔加斯(Edwin Vargas)
埃德温·瓦尔加斯(Edwin Vargas)
2018年5月6日

亲爱的caty fairclough,

很棒的工作!

是否可以研究诸如
用comsol开发静脉曲张?

此致,

埃德温。

猫般的Fairclough
猫般的Fairclough
2018年5月18日

嗨,埃德温,

谢谢你的评论!

我们相信这是可能的。例如,静脉曲张具有故障的小叶瓣。由于静脉的变形,这些阀不再能够正确关闭。我们认为可以使用Comsol多物理学对此进行研究。

您可以在此处阅读相关的博客文章://www.dvdachetez.com/blogs/modeling-fluid-sstructure-interaction-in-a-heart-valve/。这篇文章讨论了心脏瓣膜中的流体结构相互作用(FSI)。我们认为,类似的FSI模型可用于研究静脉变形对阀门正确满足阀门能力的影响。

威廉姆斯·巴赫(Williams Baah)
威廉姆斯·巴赫(Williams Baah)
2019年1月29日

亲爱的凯蒂,

谢谢您的出色工作。如果您可以帮助我选择/创造血液作为comsol多物理学中的材料,我会很高兴。我目前正在研究建模双传感器非侵入性血糖监测装置。但是我找不到材料库中的血液作为媒介。我是Comsol的新用户,如果您可以协助我的建模,我会很高兴。(我的电子邮件:wkbaah@st.ug.edu.gh

布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2019年1月29日

你好威廉姆斯·巴赫,

感谢您的评论。

有关与您的建模有关的问题,请联系我们的支持团队。

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电子邮件:support@comsol.com

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