法洛四联症改进BT手术的流固耦合数值模拟研究

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法洛四联症是一种常见的先天性心脏病,其主要的临床表现为肺动脉狭窄、主动脉骑跨、室间隔缺损和右心室肥大,导致人体肺循环血流量较少,血氧含量较低,影响人体的正常生长发育。临床上较为常用的治疗法洛四联症的方式为施行改进Blalock-Taussig手术。现阶段实施临床手术时,外科医生都是根据术前病人的二维医学影像以及以往的临床经验确定搭桥管的直径大小,因而无法提前预判搭桥后血管内的血液流动形态以及搭桥管内血流向左右肺动脉的分流比例。本研究通过流固耦合方法,针对个性化病人进行了不同搭桥管直径的体肺分流术仿真研究,分析了不同情况下肺动脉灌注率和左右肺动脉分流率等临床上较为关心的参数,以期望为临床手术治疗提供有价值的参考信息。本研究通过三维重建方法将法洛四联症病人的临床医学影像进行了处理,得到了基于病人的个性化三维心肺血管真实几何模型,构建了三组具有不同搭桥管直径的体肺分流术几何模型,搭桥管直径分别为3mm、3.5mm和4mm。在此基础上,首先分别采用了流固耦合和非流固耦合的数值模拟方法对同一体肺分流术模型进行了有限元仿真计算,对比分析了相应的仿真结果如壁面切应力、压力和血流速度等参数,考察了流固耦合方法和非流固耦合方法在对体肺分流术模型进行数值模拟计算中的差别。然后,采用流固耦合的方法分别对具有不同搭桥管直径的三组体肺分流术模型进行了血流动力学仿真,对比了不同搭桥管直径下血管的血流动力学参数差异,比较了临床上较为关心的肺动脉灌注率和左右肺动脉分流率等。研究结果表明,流固耦合方法中血管内的最大血流速度与非流固耦合相比最多减小5.1%,血管壁面最大压力和平均壁面切应力与非流固耦合方法相比分别减小了4.1%和7.8%,肺动脉的灌注率和左右肺动脉分流率分别提高了1.8%和2.8%。随着搭桥管直径的增加,血管内的平均速度逐渐增加,同时肺动脉的灌注率也逐渐增加,三组模型的肺动脉灌注率分别为61.9%、64.7%和68.1%。由此可知,在对改进的BT手术模型进行数值仿真时,流固耦合方法与非流固耦合方法相比有一定的差别,尤其在血流速度方面影响相对较大。另外,随着搭桥管直径的增大,肺动脉灌注率逐渐增加,然而左右肺动脉分流率并不随着搭桥管直径的增加而增大。本研究获得了不同搭桥管直径下血管内的血流动力学参数分布,对临床手术治疗具有一定的参考意义。
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