顱內梭狀動脈瘤彈性壁與剛性壁之結構應力與血液動力學之計算分析

Numerical Simulation on Structure Stress and Hemodynamics of Intracranial Fusiform Aneurysms with Rigid and Flexible Walls

蔡嘉瑋

指導教授 ： 劉通敏

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2013年)

摘要

根據行政院衛生署公布民國75~100年間國人十大死因統計表中，腦血管疾病高居第三名，然而腦血管疾病中又以顱內動脈瘤破裂之致死率最高。先前臨床及數值計算文獻皆偏重於探討囊狀動脈瘤並假設為剛性瘤壁，然而其假設與實際人體內之血管壁、動脈瘤壁相異，故本研究乃藉由數值模擬計算方式探討顱內梭狀動脈瘤脈動流場特性及配合流固耦合 (Fluid-Structure Interaction) 技術探討彈性瘤壁在脈動血流衝擊之下的結構應力。本文於入口輸入一內頸動脈(ICA)生理波形並以雙向流固耦合、暫態分析之方式，分別探討改變瘤體之最大直徑與不對稱性對顱內動脈瘤瘤內流場與血管壁結構應力之影響。流體部分之數值計算採用有限體積離散方法(Finite Volume Method)求解依時性非穩態不可壓縮Navier-Stokes方程組，其中時間項採用二階Backward Euler法，而對流項與擴散項分別採用修正型之二階上風法予以離散，並搭配SIMPLEC演算法解決壓力與速度耦合問題。脈動流場參數中沃門斯里數(Womersley number)為4.0，雷諾數(Reynolds number)變化範圍為202~384，平均值為266。計算結果乃透過探討流體之血液動力因子及固體之彈性力學因子來呈現，血液動力因子包含瘤內主流場速度分布、瘤體壁面剪應力(WSS)及壁面壓力分布等；固體部分則採用有限元素法求解力平衡之運動方程式，探討不同幾何外型之結構應力(Effective stress)變化、血管壁破壞應力以及比較假設為剛性壁與彈性壁之間的異同。結果顯示本文之剛性瘤壁數值模擬結果(瘤內速度向量場與壓力分布)與先前實驗文獻相似及相同外型之對應結果比對吻合，並進一步提供了實驗難以量測之特徵物理量包括彈性瘤壁之血流壁剪應力、壁壓力和彈性瘤壁內、外壁結構應力分布。剛性瘤壁與彈性瘤壁相比，血流壁剪應力與壁壓力分別高10~35%及5~40%，顯示由剛性壁模擬動脈瘤之量值皆較彈性壁高；內與外瘤壁結構應力分布亦有所差異，以反曲點為例，內瘤壁為彈性大於剛性13%，外瘤壁為剛性大於彈性17%。在模擬瘤壁以對稱及不對稱方式成長時，發現相較於對稱外型，不對稱者其血流壁剪應力、壁壓力及瘤壁結構應力有明顯集中於反曲點的趨勢。最後研究結果顯示同時分析血流重新附著點位置、壁剪應力、壁壓力、內與外瘤壁結構應力之最大及最小值範圍較僅考慮壁剪應力更能合理預測破裂位置，本文所模擬之梭狀瘤外型與臨床破裂位置一致。

關鍵字

顱內梭狀動脈瘤 ； 流固耦合 ； 數值模擬

參考文獻

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