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体位改变会引起血流动力学参数变化,尤其对血流压力影响较大.目前,体位改变对血流压力影响的确切内部机制仍不清楚。在体位改变实验中,不同的研究者得出了不同甚至是相互矛盾的血压变化结果。血流压力是人体生理学检测的一个基本指标,是表征人体心血管系统功能状态的一个极其重要的参数。重力是体位改变中首要且基本的生物力学刺激因素。研究体位改变对血流压力的影响,在临床医学上,对不明原因晕厥患者诊断、对体位改变敏感的病人如何合理变换体位有积极的指导作用;在航空航天领域,对飞行员或航天员的选拔及训练、地面体位改变模拟试验的研究也能提供有价值的参考。为实现将现有脉搏波无创检测技术用于体位改变研究的目的,不同于现有的基于等效电路概念的研究体位改变的思路,本文针对现有研究脉搏波传播理论模型的基础——血流动力学数学模型无法反应体位改变的不足,从血流动力学角度出发,建立相应的三维单一流体模型和三维流固耦合模型,来研究体位改变,为该领域研究提供了新的思路。同时,利用所建模型,针对血管中血流压力,通过数值模拟,研究了各种条件下重力影响强度的变化规律,为一般的血流动力学研究对重力及体位改变的影响如何考虑提供了参考。主要研究内容及成果如下:
(1)建立了能反映体位改变的三维单一血流动力学模型;针对血流压力,模拟得到水平卧位、倒直立位、正直立位对应的重力影响强度比值为1∶2.56:2.65,验证了该模型在模拟体位改变方面的有效性。
(2)基于考虑体位改变的三维单一血流动力学模型,进行稳态、非稳态时不同体位条件下血流压力的模拟,得到了不同条件下重力影响强度的变化规律。这些条件包括:A.稳态时的不同单一确定体位条件、水平卧位不同进出口压差条件、水平卧位不同锥度角条件;B.非稳态时水平卧位条件。
(3)建立了基于血流动力学概念的三维流固耦合体位改变模型;验证了模型在模拟体位改变方面的有效性;基于该模型,对水平卧位不同进出口压差条件下,重力对血流压力的影响进行模拟,并与用三维单一流体模型的模拟结果进行比较,结果显示二者总体影响趋势类似,但仍有差异,表明流固耦合效应在其中确实发挥了作用。流固耦合效应的考虑将使模型与实际生理情况更接近。
(4)研究了血管壁弹性效应、网格划分密度与重力影响强度的关系,得出:随着血管壁弹性模量在一定范围内的增大,血流压力分布不均匀性降低,压力极值减小,当弹性模量取E=4×106Pa时,血管壁对压力分布及大小的影响与刚性管相差很小,仅有0.0013%;随着网格划分密度的增加,不同网格划分密度对血流压力的影响逐渐减小;详细设计了体位改变实验方案,为进一步的体位改变模型的实验验证、数值模拟结果的实验对照及体位改变试验的实施做好了充分的准备。