h片在线观看视频网站，日韩特级无码精品毛片，亚洲av偷拍无码专区，九九91精品国产，国产在线第26页，精品视频久久h，人妻无码aⅴ中文字幕日韩，亚洲永久精品ww47

CFD在心血管系統(tǒng)研究中的應(yīng)用，速度較國(guó)外商軟顯著提升

首頁(yè) > 新聞媒體

發(fā)布日期：2025-09-02

一、CFD在心血管系統(tǒng)中的應(yīng)用

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在心血管系統(tǒng)中的應(yīng)用是其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最成熟、最深入的方向之一。它通過(guò)數(shù)值模擬血液流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征如，流速、壓力、剪切應(yīng)力等，結(jié)合患者的影像數(shù)據(jù)重建個(gè)性化血管模型，為理解心血管疾病的發(fā)病機(jī)制、優(yōu)化診療方案提供了量化依據(jù)。以下是其核心應(yīng)用場(chǎng)景及解決的問(wèn)題：

1、動(dòng)脈粥樣硬化的機(jī)制研究與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

動(dòng)脈粥樣硬化是冠心病、腦梗死等疾病的核心病因，其斑塊易在血管分叉、彎曲處，如頸動(dòng)脈分叉、冠狀動(dòng)脈左前降支的形成，而血流動(dòng)力學(xué)異常是關(guān)鍵誘因。

應(yīng)用場(chǎng)景：

基于患者CT/MRI影像重建頸動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈等血管的三維模型，模擬血流在血管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算壁面剪切應(yīng)力WSS、壓力梯度、血流停滯區(qū)等參數(shù)。
分析斑塊形成與發(fā)展的力學(xué)環(huán)境：低WSS（<0.4Pa）會(huì)導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，促進(jìn)脂質(zhì)沉積和炎癥反應(yīng)；高振蕩剪切指數(shù)OSI則會(huì)增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡，加速斑塊進(jìn)展。

可解決的問(wèn)題：

預(yù)測(cè)斑塊易發(fā)生區(qū)域：通過(guò)WSS分布識(shí)別“高危區(qū)域”，提前預(yù)警動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)。
評(píng)估斑塊穩(wěn)定性：斑塊表面的高剪切應(yīng)力或血流沖擊可能導(dǎo)致斑塊破裂，CFD可量化斑塊承受的機(jī)械力，輔助判斷是否需要提前介入治療。

2、動(dòng)脈瘤的生長(zhǎng)與破裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

動(dòng)脈瘤，如顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、腹主動(dòng)脈瘤，是血管壁局部膨出形成的“薄弱點(diǎn)”，其破裂可能導(dǎo)致致命性出血，而血流對(duì)瘤壁的力學(xué)作用是決定其生長(zhǎng)和破裂的核心因素。

應(yīng)用場(chǎng)景：

基于影像重建動(dòng)脈瘤的三維形態(tài)，模擬瘤腔內(nèi)的血流渦流、壓力分布、瘤壁剪切應(yīng)力（WSS）和瘤壁壓力（TBP）。
分析血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)與動(dòng)脈瘤特性的關(guān)聯(lián)：例如，瘤腔內(nèi)的渦流紊亂程度、高壓力梯度區(qū)域與破裂風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)；低WSS則可能促進(jìn)瘤壁退化，加速動(dòng)脈瘤生長(zhǎng)。

可解決的問(wèn)題：

量化破裂風(fēng)險(xiǎn)：對(duì)未破裂動(dòng)脈瘤，通過(guò)CFD參數(shù)區(qū)分“高風(fēng)險(xiǎn)”與“低風(fēng)險(xiǎn)”動(dòng)脈瘤，避免過(guò)度治療。
優(yōu)化治療方案：評(píng)估手術(shù)干預(yù)后的血流動(dòng)力學(xué)變化，預(yù)測(cè)治療效果，如是否有效降低瘤壁壓力。

3、心臟瓣膜疾病的評(píng)估與人工瓣膜優(yōu)化

心臟瓣膜的狹窄或反流會(huì)導(dǎo)致血流紊亂，而人工瓣膜的設(shè)計(jì)需平衡血流動(dòng)力學(xué)性能與并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)用場(chǎng)景：

天然瓣膜病變?cè)u(píng)估：模擬二尖瓣反流時(shí)的反流束形態(tài)、流速和壓力損失，量化瓣膜功能障礙程度，輔助判斷手術(shù)時(shí)機(jī)。
人工瓣膜優(yōu)化：對(duì)機(jī)械瓣、生物瓣或經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣，模擬其打開(kāi)/關(guān)閉時(shí)的血流分布、WSS和血液停留時(shí)間，優(yōu)化瓣膜的瓣葉形態(tài)、開(kāi)口角度、支架設(shè)計(jì)。

可解決的問(wèn)題：

避免術(shù)后并發(fā)癥：通過(guò)CFD優(yōu)化人工瓣膜設(shè)計(jì)，減少血流停滯區(qū)，降低血栓風(fēng)險(xiǎn)，和過(guò)度湍流，以減少紅細(xì)胞破裂導(dǎo)致的溶血。
個(gè)性化瓣膜選擇：對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，如瓣膜鈣化嚴(yán)重的患者，通過(guò)CFD模擬不同型號(hào)瓣膜的適配性，提高手術(shù)成功率。

4、先天性心臟病的血流動(dòng)力學(xué)分析

先天性心臟病，如室間隔缺損、法洛四聯(lián)癥、主動(dòng)脈縮窄等，會(huì)導(dǎo)致血流路徑異常，引發(fā)心功能損害，而CFD可量化異常血流對(duì)心臟和血管的影響。

應(yīng)用場(chǎng)景：

重建先天性心臟病患者的心臟和血管三維模型，模擬異常分流的流速、流量和壓力變化。
分析血流動(dòng)力學(xué)對(duì)心功能的影響：例如，主動(dòng)脈縮窄會(huì)導(dǎo)致上肢高血壓和下肢低灌注，CFD可計(jì)算縮窄處的壓力降，評(píng)估對(duì)心臟后負(fù)荷的影響。

可解決的問(wèn)題：

指導(dǎo)手術(shù)時(shí)機(jī)與方式：通過(guò)模擬不同年齡段的血流變化，預(yù)測(cè)病變對(duì)心功能的長(zhǎng)期損害，確定最佳手術(shù)干預(yù)時(shí)間。
評(píng)估術(shù)后效果：模擬手術(shù)修復(fù)后的血流恢復(fù)情況，優(yōu)化手術(shù)方案，如補(bǔ)片大小、形狀等。

5、支架植入與血管重建的優(yōu)化

冠心病、外周動(dòng)脈疾病等需通過(guò)支架植入擴(kuò)張狹窄血管，但術(shù)后可能出現(xiàn)再狹窄或支架血栓，血流動(dòng)力學(xué)是關(guān)鍵影響因素。

應(yīng)用場(chǎng)景：

模擬支架植入后的血管形態(tài)，如支架貼壁性、擴(kuò)張程度，計(jì)算支架附近的血流速度、WSS分布。
分析分叉血管支架植入后的血流分配，評(píng)估分支血管的血流是否受主支支架影響。

可解決的問(wèn)題：

優(yōu)化支架選擇與植入策略：通過(guò)CFD比較不同支架設(shè)計(jì)對(duì)血流的影響，選擇更易維持正常WSS的支架。
降低術(shù)后再狹窄風(fēng)險(xiǎn)：預(yù)測(cè)支架植入后可能出現(xiàn)的血流紊亂區(qū)域，輔助醫(yī)生調(diào)整植入位置或采用藥物涂層支架，從而抑制平滑肌細(xì)胞增殖。

6、心功能評(píng)估與心力衰竭機(jī)制研究

心力衰竭的核心是心臟泵血功能下降，而心室血流動(dòng)力學(xué)與心肌收縮功能密切相關(guān)。

應(yīng)用場(chǎng)景：

結(jié)合心臟MRI的心肌運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，模擬左心室收縮/舒張過(guò)程中的血流渦流、充盈效率，量化心室的“泵血能力”。
分析心力衰竭患者心室形態(tài)改變，對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的影響。

可解決的問(wèn)題：

量化心功能指標(biāo)：通過(guò)CFD計(jì)算心室的血流動(dòng)能、壓力升高速率等參數(shù)，補(bǔ)充傳統(tǒng)心功能指標(biāo)的不足，更精準(zhǔn)評(píng)估病情。
指導(dǎo)治療方案：例如，對(duì)射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭（HFpEF），通過(guò)血流模擬分析心室舒張期的充盈障礙機(jī)制，優(yōu)化利尿劑或血管擴(kuò)張劑的使用

二、基于VirtualFlow軟件的血液流動(dòng)仿真案例

門靜脈是肝臟的“物流總閘”，其位置如下圖(a)所示。血流量占心輸出量的25 %，卻沒(méi)有任何瓣膜；一旦血流動(dòng)力學(xué)失衡，就可能引發(fā)門脈高壓、血栓乃至肝性腦病。受制于倫理與成像極限，活體測(cè)量門靜脈全域流速、壁面剪切應(yīng)力（WSS）幾乎不可能。

于是我們把血管“搬進(jìn)”計(jì)算機(jī)，截取一段如下圖（b）所示，用CFD讓在血管內(nèi)的行為變得可觀測(cè)、可量化、可干預(yù)。

在此案例中，采用上海積鼎信息科技有限公司的自研CFD軟件VirtualFlow 2025的非結(jié)構(gòu)求解器進(jìn)行仿真。該求解器支持任意的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，仿真精度不亞于主流上軟，同時(shí)支持原生GPU計(jì)算，可大幅提升仿真速度。

a、CPU求解結(jié)果與主流商軟對(duì)比

采用VirtualFlow進(jìn)行網(wǎng)格劃生成軟件生成四面體網(wǎng)格，分別通過(guò)國(guó)外F軟件和自研求解器用該網(wǎng)格進(jìn)行仿真。從仿真的結(jié)果對(duì)比可以看出血管壁面上的壓力分布基本一致，最大高壓絕對(duì)值幾乎一致，最低低壓絕對(duì)值相差10%左右。

b、GPU求解結(jié)果與主流商軟對(duì)比

積鼎科技VirtualFlow 2025版已支持GPU求解能力，其特色表現(xiàn)為：

1. 同時(shí)支持CPU和GPU計(jì)算

GPU原生支持，性能不亞于國(guó)際主流GPU求解器
CPU支持多線程和多進(jìn)程混合并行模式
同時(shí)適配國(guó)際主流和國(guó)內(nèi)多種CPU/GPU

2. 支持任意多面體網(wǎng)格，適用于具有復(fù)雜幾何外形的快速網(wǎng)格生成

3. 采用穩(wěn)定高效的數(shù)值求解方法，可以求解多種流動(dòng)特別是多相流問(wèn)題

4. 支持定常和非定常求解

5. 支持多種湍流模型，包括但不限于k-epsilon、sst k-omega等

6. 具有全面的前后處理功能

高度自動(dòng)化網(wǎng)格劃分能力
高性能仿真結(jié)果后處理

7. 具有腳本功能，能夠支持自動(dòng)化運(yùn)行

8. AI友好，可與AI模型連接

仿真結(jié)果對(duì)比

從上圖的仿真結(jié)果比較來(lái)看，VirtualFlowGPU版與商軟國(guó)外S軟件的計(jì)算結(jié)果幾乎一致，可見(jiàn)VirtualFlow GPU版本求解器數(shù)學(xué)模型的精度是可以信賴的。

仿真性能對(duì)標(biāo)

國(guó)外S軟件核并行時(shí)間

自研GPU版1卡并行時(shí)間

國(guó)外S軟件在16核配置下仿真500步，耗時(shí)378s。相同的網(wǎng)格與模型配置下，采用VirtualFlow非結(jié)構(gòu)求解器求解，在1塊GPU顯卡的情況下，同樣計(jì)算500步，需要51s?？梢?jiàn)自研非結(jié)構(gòu)求解器的GPU版本計(jì)算效率是商軟CPU計(jì)算的7~8倍。

c、與離散元軟件DEMms耦合

在多物理場(chǎng)耦合數(shù)值方法及 CFD-DEM 單向耦合解析的基礎(chǔ)上，針對(duì)紅細(xì)胞與血流場(chǎng)的相互作用，雖正常生理狀態(tài)下紅細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)為 35%~50%，屬于高濃度顆粒體系，二者相互作用具有強(qiáng)耦合特性，但為演示單向耦合，特設(shè)計(jì)如下測(cè)試算例。

該測(cè)試算例的核心是對(duì)紅細(xì)胞相關(guān)參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)定，以滿足單向耦合的適用條件。在算例中，我們將紅細(xì)胞的體積分?jǐn)?shù)大幅降低至5% 以下，使其處于稀薄顆粒體系范疇。此時(shí)，可近似認(rèn)為紅細(xì)胞對(duì)血流場(chǎng)無(wú)顯著擾動(dòng)，僅需考慮血流場(chǎng)對(duì)紅細(xì)胞的作用力，符合單向耦合 “上游計(jì)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)下游仿真，下游結(jié)果不反作用于上游” 的特征。

基于積鼎的顆粒流求解器DEMms，與非結(jié)構(gòu)求解器耦合，實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞在血管中流動(dòng)的耦合仿真。通過(guò)下圖耦合仿真結(jié)果可見(jiàn)，紅細(xì)胞在中間交匯處容易聚集。通過(guò)耦合仿真，可以對(duì)血栓形成的研究體統(tǒng)理論依據(jù)。