- 學位論文
可變形頸動脈血管分叉處之血流模擬
Simulation of Blood Flow in Carotid Bifurcation with Deformable Vessel
摘要
心血管疾病長期佔據國人十大死因排行榜的位子，而心臟血管疾病死亡的大多數原因，都是由於動脈粥樣硬化〈atherosclerosis〉的併發症所造成，尤其血液流經動脈分叉處是心血管系統中為最易動脈粥樣化形成的位置。過去許多研究指出，形成動脈粥樣硬化的原因和動脈管壁上的剪應力以及血液的流速有關，由於較低的剪應力分佈所以造成血液中過高的低密度脂蛋白〈Low Density Lipoprotein , LDL〉以及當血液流速緩慢時血液中的粒子停留時間過長的關係，如此就容易形成了所謂的動脈粥樣硬化。 已知血液流體的力學特性對於心血管疾病的影響甚鉅，因此對於血管中流場的了解更顯重要。本文係嘗試利用發展的相當成熟的計算流體力學的演算技術來模擬分析此類流場。目的即在整合醫學、物理學與計算流體力學，從計算流體力學出發，選擇計算流體力學領域中穩態及暫態不可壓縮流黏性流場計算技術，再加上適應性自調網格以期能達到最接近真實流場的狀態，發展完全適用於血流動力的計算流體力學軟體，進而對血管內部的循環行為及臨床上的病理相結合。 本文的血管流場研究乃是採用波前步進法〈Advancing-Front Method〉來建立非結構性三角形網格，架構出可彈性變形血管壁之動態血管網格模型，而至於流場之計算則是運用由Chorin首先發展的人工壓縮法搭配原本用於解算可壓縮Euler場流之向風有限體積法流場解子做為計算的基礎。首先本文以常見的幾種物理問題來測試本方法的正確及可靠性，最後再將人體的實際數據套用到本程式中，以求得動脈血管流場的時變圖。我們利用實際動脈的外形作為我們計算的邊界，以及人體的生理資料來作為出入口處的邊界條件，利用一切真實的條件以期望能表現出最接近真實流場的性質。 此次的數值模擬提供了血流在頸動脈分叉處相當完整的流場數據，在與過去的文獻相比之下，間接給了一個強而有力的佐證，證明血流的力學特性在動脈粥樣硬化疾病中所扮演的角色，確實在這塊常發生動脈粥樣硬化的區域流場裡，有著較長的血液粒子停留時間和較低的剪應力分佈。此外，我們已達成二維可變形彈性血管壁之流場模擬，已具備有血管壁之自調性彈性變形模式，以目前的結果來看，確實可以提供收斂且合理之結果。期待將來能應用在預測臨床醫務人員無法執行觀察的工作，協助擴充病理醫學數據資料庫，這將對於往後心血管疾病的預防及治療有實質的幫助。