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流体力学模拟软件如fluent,可以模拟心血管系统嘛?

2020-01-09健康

一般的通用CFD平台都可以模拟心血管系统.

大家如果有兴趣的话可以去读一下通过流体仿真来预测某种疾病、手术或者术前术后长期跟踪对比的血液动力学研究. 参考关键词:patient-specific, haemodynamics, multiscale modelling, cardiovascular biomechanics. 顺便夹带一点私货:

进入正题. 模拟全身血液循环的常见方法是采用一个闭环的,参数经过严格校验的集中参数模型(lumped paramater model), 例如Windkessel模型. 此种模型有2-element(R-C), 3-element(R-C-Z), 4-element(R-C-Z-L)三种模型之分,基于采用哪种基于对于精确度的需求和可用的算力来决定. 其中电阻R为peripheral resistance by remote vessels,电容C代表cardiac compliance, 阻抗Z是characteristic impedance,电感L是flow inertance.

摘自 DOI:10.1186/s12938-019-0660-3

对上述电路进行分析(Kirchhoff's Current Law)可推导出电路的支配方程,一般来说是一个一阶偏微分方程. 例如,对于3-element WK,

\display style \frac{\partial P(t)}{\partial t} + \frac{P(t)}{RC} = \frac{Q_{in}}{C} \bigg(1+\frac{Z_{c}}{R}\bigg) + Z_{c} \frac{\partial Q_{in}}{\partial t}

在CFD中常被用作出口的压力边界条件. 这时,我们需要用向后差分格式来表达上述公式中P和Q关于时间t的导数,此时,当前时刻压力的计算过程中用到了上一时刻的压力,上一时刻的流量,以及当前时刻的流量.

\display style P^{(t)} = \frac{Q^{(t)} \bigg( R \beta + Z \beta + Z \bigg) - Z Q^{(t-1)} + P^{(t-1)}}{1 + \beta}

其中,在时间步进是一个常数的情况下, \beta = \Delta t / R C .

3-element和4-element的区别在于哪呢?从电路的角度来看,后者中一个电抗L被并联到了阻抗Z上,此时,ZL共同的阻抗会受到频率的影响(因为电抗的阻抗为jwL). 在高频振动时,ZL总体的阻抗趋于Z;在低频域,ZL总体的阻抗趋于0. 从模拟的意义上来说,当血液流动趋于平稳,此时来自大动脉的阻抗是小的;反之当血液流动的振荡频率较高,来自大动脉的阻抗随之变大.

摘自 DOI:10.1152/ajpheart.1999.276.1.H81

下图摘自Penatti et al. 于1997年发表的成果,题为Mathematical modelling of the human foetal cardiovascular system based on Doppler ultrasound data. 他利用lumped parameter model模拟了胎儿的心脏以及全身的血液循环,即全身每一个大动脉都有一套相应的RCL电路来控制血流的表现.

摘自 DOI: 10.1016/s1350-4533(97)84634-6
摘自 DOI: 10.1016/s1350-4533(97)84634-6

这个方法已经被广泛运用到CFD领域,即,我们将需要进行流体仿真研究的单元,如左心室,单独剥离出来,通过影像来重建模型,离散,配合由测量得出的初始条件/边界条件,(如有需要可以通过UDF实现moving wall,瓣膜的开关等等),然后把inlet/outlet连接到如上图所示的循环系统中实现3D-0D耦合。对于上图中R,C,L的值则需要基于临床上测得的结果相应地进行回归分析,一般采用成比例缩放的方法来确定.