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动脉粥样硬化的血流动力学机理研究与脂质传输特性研究
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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文字数:113908
  • 论文编号:el2021061609114522271
  • 日期:2021-06-16
  • 来源:上海论文网
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本文是医学论文,本文采用医学数据分析和数值模拟相结合的方法对动脉粥样硬化的血流动力学特性进行了综合性的研究,并依据临床研究结论,对病变的生成机理、预防要点、发展特征、治疗安全等多个方面进行了分析与讨论,研究结果对动脉粥样硬化的认识以及治疗都具有重要的现实意义。本文的主要结论如下:(1)血液非牛顿流体特性和血管壁弹性对血液的流动具有重要的影响。血管壁弹性可以使血管在心脏收缩期存储血液,降低血液流动阻力和壁面切应力;血液非牛顿流体特性可以均匀系统壁面切应力的分布,减弱脉动流的影响。在血压、血管壁弹性、血流量和血液粘度参数中,血流量对壁面切应力的影响最大,血压的影响最小;在综合影响中,血流量是影响动脉粥样硬化生成的主导因素。研究血液中脂质浓度分布对动脉粥样硬化的影响。根据不同区域影响因素的特点,分别从血管壁渗透性和血液流场作用两个角度对弯曲和分叉血管中血管壁和主流区脂质浓度的分布进行了研究。此外,本章还研究了血管的弯曲变形对脂质浓度分布以及动脉粥样硬化的影响。本文的主要目标是对人体动脉系统的血液流动特性及其在动脉粥样硬化生成和发展中的影响进行研究,为动脉粥样硬化疾病的诊断、治疗和预防提供参考依据。

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第一章绪论

 

本文在前人研究的基础上,通过对患者血流数据分析和数值模拟,对动脉粥样硬化的血流动力学机理和脂质传输特性进行了研究。采用目前最先进的医学影像还原技术,对多位病例患者的多段血管结构进行了三维重构和还原,确保血管模型的真实性;采用双向流固耦合技术对血流流动和血管形变进行同时计算,确保计算模型的可靠性。论文各章节的具体研究内容如下:第一章,综合介绍了动脉粥样硬化血流动力学的研究进展,包括血流动力学与动脉粥样硬化之间的关系、血流动力学数值研究的进展以及血液中脂质的传输特性等,给出本文的主要研究内容和目标,阐述本文的研究意义。第二章,详细阐述了血液和血管的数学模型,具体包括血液的组成、血液的非牛顿流体特性、血管壁的组成、血管壁的力学特性等。同时,本章还基于力学理论知识,推导了直管和弯管内血液流动特性以及血流动力学研究过程中常用的三种流动模型,为后文的数值研究提供理论支撑。第三章,研究生理参数变化对动脉粥样硬化的影响。利用心阻抗法对动脉粥样硬化患者和健康者的生理参数进行采集和分析,获得动脉粥样硬化患者的生理参数变化特点,其中重点分析了年龄、性别对生理参数的影响,为后文数值计算结果的分析提供医学依据。第四章,研究血流动力学因素对动脉粥样硬化的影响。分析弯曲和分叉血管中血流动力学因素的分布特点,对血管壁弹性和血液非牛顿流体特性在血液流动中的影响进行了综合评价,并结合第三章中医学数据分析的结论,从血流动力学的角度解释生理参数变化在动脉粥样硬化生成中的影响机理。

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第二章血流动力学的理论基础

 

2.1血液的非牛顿流体特性
本章主要对血流动力学研究过程中的计算理论和数学方程进行介绍和推导。首先介绍了血液和血管的物理属性以及构成等特征,并重点分析了血液非牛顿流体特性和血管壁弹性的力学特性,给出对应的数学方程;而后利用流体力学方程,分析直管和分叉管中血液流动特点,建立血流动力学与流体力学之间的联系,并给出数值计算流固耦合方程组;最后依据流体力学的基本理论,对常用的三种血流动力模型进行了推导分析,其中采用Womesley理论推导的以血液流体控制方程、血管壁运动方程为主体的血流运动微分方程组是现代血流动力学研究的基础,为后续章节数值计算提供理论支撑。在健康的成年人体内,内膜是非常薄的,对整个血管弹性作用很小。但是随着人年龄的増长,内膜逐渐增厚,并且变硬,其对血管弹性的影响也逐渐的增大[105]。中膜由弹性蛋白、胶原蛋白以及平滑肌细胞构成。搭桥术是通过从身体其它部位,如乳内动脉、下肢大隐静脉等截取一段血管,将其一端连接主动脉,而另一端连接斑块狭窄处的下游,从而保证心肌正常供血。但搭桥术存在缺点,其创伤较大,手术风险较高,一般应用于单支动脉多处狭窄的情况,对于单处病变一般采用支架介入。支架介入是通过将心脏支架植入到病变狭窄处,通过支架的扩张,将堵塞的血管腔打开,从而保证血液的正常流通。

 

2.2血管壁的弹性特性
最内层的内膜由单层的内皮细胞和非常薄的弹性蛋白基膜组成。内皮细胞在血管壁内表面形成一个光滑的壁,以保证血液小阻力流动。内皮细胞还可以在血液与组织之间选择性的进行物质渗透,其渗透的特性在动脉粥样硬化病变中起到非常重要的作用。在中膜中存在一层层弹性膜将其分割成若干同心弹性强化层,弹性膜数量沿径向外向逐渐减少[106]。在血管壁中,存在内弹性膜和外弹性膜将中膜与内膜和外膜分开。中膜在血管壁随血液压力弹性变化中起到最为重要的作用,其中平滑肌可以在生理控制下调节血管收缩扩张的顺应性,例如冬天血管收缩、夏天血管舒张。最外层的外膜主要由疏松的结缔组织组成,其中含有螺旋状或纵向分布的弹性纤维和胶原纤维在血液压力较小时,外膜具有良好的扩展性,但随着压力的增大,外膜的弹性性能逐渐降低,进而保护血管,防止过度膨胀和破裂。血管是血液输送的载体,它主要具有两大功能:一是进行血液的输送,即管路功能,为生物体器官、组织输送养分;二是弹性缓冲功能。由于心脏的跳动具有间歇性,分有收缩期和舒张期,在心脏收缩期内,血液被心脏挤压进入血管,左心室内的高压与右心房内低压组成回路,保证血液的正常流动。但在心脏舒张期,左心室封闭,此时提供血液流动所需要的压力主要来自大动脉。动脉的弹性缓冲功能能将心脏在射血期间多余的血液进行高压存储,在舒张期时进行泄压,从而保证血管中的血液流动连绵不断。
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血液表现粘度系数与血管半径

 

第三章血流生理参数变化对动脉粥硬化影响研究............31
3.1血流动力参数与心阻抗法............31
3.2患者数据采集与分析............32
3.3年龄对血压、心输出量、总外周阻力的影响............39
第四章血流动力学因素对动脉粥硬化影响研究............43
4.1医学影像三维重构............43
4.2血液非牛顿流体特性与血管壁弹性的影响............44
4.3生理参数变化对血管壁应力的影响............54
第五章脂质浓度分布对动脉粥样硬化影响研究............67
5.1脂质浓度极化现象............67
5.2壁面处脂质浓度分布............68

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第六章动脉粥样硬化发展机理研究

 

6.1左冠状动脉与边界条件
不同狭窄率下,狭窄中心(截面AA’)的平均压力与速度的变化趋势如图6.12所示。随着狭窄率的增加,截面处平均流速呈增长趋势,但压力逐渐降低。同一狭窄率下,流体参数的变化除了与流量有关之外,还与血管壁的弹性变化有关。在流量较低时,系统压力较小,血管壁具有良好弹性,流速和压力的变化幅度都普遍较小;而当流速增大时,系统压力增大,血管壁处于膨胀状态,其扩张能力降低,由于狭窄而产生的流量与压力变化则非常显著。由于入口压力一致且流量相同,截面处的压力反映血流阻力变化。压力随狭窄率的增大而下降表明流动阻力增大,并且由于高流速时压降较大,因此阻力在高流速时明显增加。同理可知,在出、入口压力保持恒定时,高狭窄率必会导致流量的降低,并且心输出越大时,血流量的减少也就越明显。当支架扩张过小时,堵塞虽然得到缓解,但狭窄依然存在,易导致病变再生;此外,扩张较小时支架还具有滑移的风险,可能造成斑块的撕裂,形成血栓,造成严重后果。本节将对支架扩张过大时的影响进行研究,探索其对动脉粥样硬化病变的影响。综合上述分析,从血流动力学的角度可以将动脉粥样硬化发展分为三个阶段:第一阶段,在易病变区(受血管几何结构影响),由生理因素导致局部WSS降低、脂质浓度升高,两者共同作用,造成脂质在血管壁内膜中过量积累,形成斑块;第二阶段,随着斑块的生长,病变区WSS增大,影响逐渐降低,而脂质浓度逐渐升高,影响增大,此时病变发展缓慢,斑块的生长主要与血液中的脂质浓度有关;第三阶段,斑块的持续增长导致病变区WSS迅速增大,过高的WSS造成内皮细胞损伤,进一步加剧脂质的滲透和积累,促进动脉粥样硬化的发展。过高的WSS还可能造成斑块撕裂,形成血栓。

 

6.2正常血管内的血液流场
本章对左冠状动脉内的血液流动特性进行了研究,并通过构建狭窄模型,分析动脉粥样硬化斑块对血流动力学因素和脂质浓度分布的影响,探索动脉粥样硬化能够持续发展的原因,主要的研究结论如下:1、斑块形成之后,狭窄区附近壁面切应力显著增大,脂质浓度升高,其中脂质浓度升高是造成斑块初期发展的主要原因;后期,随着斑块的増长,过高的切应力会破坏血管壁内皮细胞,进一步促进斑块的发展。2、随着斑块的増长,狭窄区的下游区切应力降低、脂质浓度升高,尤其当狭窄率达到40%左右时,形成高脂质浓度区域,易造成病灶向下游扩展。3、在动脉粥样硬化发展过程中,血管壁弹性的降低会导致壁面处切应力增大,脂质浓度升高,从而增强斑块对流场的影响,加剧动脉粥样硬化的发展。4、支架介入治疗时,过度扩张会导致扩张区切应力降低、脂质浓度升高,易造成支架内再狭窄的发生。此外,过度扩张还会导致扩张区上游切应力降低,脂质浓度升高,造成病变区向上游发展。在冠状动脉治疗中,对于轻度狭窄(狭窄率<50%),—般采用药物治疗,对于重度狭窄(狭窄率>70%),目前最常用的手段有两种:搭桥术和支架介入。心脏支架的材质经历了金属支架、药物涂层支架以及生物可吸收支架的发展,厚度现己达到微米级。植入人体后,支架本身对血液流动的影响基本可以忽略不计,但支架扩张过大或过小都会对流场造成重大影响,影响治疗效果。
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弹性腔模型示意图

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第7章结论与展望

 

壁面的渗透性对脂质在血管壁附近的浓度分布起到主要作用。壁面附近脂质浓度明显高于主流中的浓度,并且脂质浓度的分布与壁面切应力的分布存在一定的关联性,高脂质浓度总出现在低壁面切应力的区域,两者的结合易造成动脉粥样硬化的生成。受流场的影响,脂质在血液主流中的分布亦不均匀,在血管弯曲和分叉处壁面附近会形成环形的高浓度区域,结合壁面渗透性的作用,这将进一步促进脂质在壁面处的聚集。(4)血管的弯曲形变对动脉粥样硬化的生成具有重要的影响。弯曲度的增加会导致血管弯曲段内侧壁面的局部切应力显著降低,脂质浓度升高,有利于动脉粥样硬化的生成。研究中显示,血管弯曲导致弯曲部位二次流增强是导致脂质浓度升高的主要影响因素。流量对壁面处脂质浓度亦有显著影响:当血管弯曲度较小时,流量的增大会增大壁面处脂质浓度,但在弯曲度较大时,流量的增大会导致壁面处脂质浓度的降低。(5)脂质浓度升高是导致动脉粥样硬化早期发展的主要原因。随着斑块的增长,狭窄区流速增大、压力降低、壁面切应力极速增长;过高的切应力易对内皮造成损伤,进一步促进动脉粥样硬化的发展。狭窄区的下游,壁面切应力降低,脂质浓度升高,易造成病灶区的扩展。血管壁弹性的降低,会增强狭窄对流场的影响,加剧动脉粥样硬化的发展。在进行支架介入治疗时,支架的扩张率不宜超过10%;过度扩张会造成支架内再狭窄的形成,并导致病灶区向上游扩展。
参考文献(略)