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介入诊疗螺旋血管机器人的数值研究

作 者: 黄春燕
导 师: 江帆
学 校: 广州大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 数值模拟 血管机器人 流固耦合 两相流
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 22次
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内容摘要


心脑血管疾病是一种严重影响人类健康的疾病,针对心脑血管疾病的治疗方法较多,定位精准、运行灵活的血管机器人自主式介入是治疗心血管疾病的一种重要手段。而血管机器人与人体环境的相互作用,会因其介入游动方式的不同,在人体内停留位置的不同,影响其在人体内的使用效果,所以开展血管机器人介入血管中对血流特征影响的研究非常重要,也是医工领域研究的热点和难点之一。在广州市属高校科研计划项目“血液多相流对喷流驱动血管机器人运动性能的影响机制”的支持下,本文基于流固耦合方法和血液两相流的研究成果,通过计算流体力学方法,对动边界条件下螺旋血管机器人介入血管后的血液动力学特征作深入地研究。具体而言,主要围绕三个方面开展研究:基于动态模拟方法对螺旋血管机器人进行数值模拟优化,以提高血管机器人在血管中游动的灵活性。数值结果表明:6线螺纹、螺升角为45°,β值为0.3的优化后模型其轴向推动力是优化前的4.69倍,而受到液体阻力矩仅是优化前的0.18倍。结合滑移网格方法与流固耦合方法,着重比较分析血管机器人介入弹性血管与刚性血管的动脉血液流场中血流动力学差距,为深入研究血管机器人以旋转运动的方式介入血液流场特征提供理论依据。数值结果表明:在一个心动周期中,弹性血管最大变形量为血管入口直径的2.4%,最大的血管壁剪切应力为7.95Pa;弹性血管壁模型的压力、速度变化范围比刚性壁模型的小,且速度流线较紊乱。血管机器人介入人本真实血管中,若将血液作为单相牛顿流体处理可能会使计算结果存在较大的误差;同时血管机器人的介入会与血液中体积较大的粒子发生碰撞,因此很有必要考虑大体积红细胞的存在对血流特性的影响,即是将血液视为血浆和红细胞固-液两相流。在这一假设的前提下,采用滑移网格、欧拉多相流数值方法,研究了血管机器人介入硬化、分叉、弯曲血管内固液两相流的流场特征,数值结果表明:介入三种不同血管中,血管机器人介入狭小的弯曲部位的血流特征最复杂,压力场和速度场均较其他两种情况的大;血管机器人的壁面剪切应力最大,但其红细胞的体积浓度为最小。研究中采用流固耦合分析技术和血液两相流手段对血管机器人介入血管内的血流动力学进行数值模拟,为未来血管机器人介入人体血管中对血液参数的检测和血管疾病的诊断治疗提供有价值的参考。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
Contents  12-15
第一章 绪论  15-23
  1.1 课题的研究背景及意义  15
  1.2 血管机器人国内外研究现状  15-19
  1.3 血流动力学数值模拟国内外研究现状  19-21
  1.4 本文主要工作  21-23
第二章 血管机器人结构和外部环境的性质  23-31
  2.1 矩形螺旋血管机器人  23-27
    2.1.1 外磁场旋转驱动原理  24-25
    2.1.2 血管机器人旋转驱动原理  25-27
  2.2 血液的基本性质  27-29
  2.3 血管的基本性质  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章 数值模拟的基本理论  31-37
  3.1 流体流动的控制方程  31-32
    3.1.1 连续性方程  31
    3.1.2 动量守恒方程  31-32
  3.2 湍流模型  32-33
  3.3 动态模拟方法  33
  3.4 初始与边界条件  33-35
  3.5 几何模型  35
  3.6 网格划分  35-36
  3.7 本章小结  36-37
第四章 血管机器人螺纹参数的数值优化  37-49
  4.1 单线螺旋血管机器人数值模拟验证  37-41
    4.1.1 几何模型  37-38
    4.1.2 网格划分  38-39
    4.1.3 边界条件与流场求解设置  39
    4.1.4 模拟结果  39-41
  4.2 血管机器人螺纹参数优化  41-46
    4.2.1 螺纹线数的优化  41-43
    4.2.2 螺升角的优化  43-44
    4.2.3 β值的优化  44-46
  4.3 优化结果与分析  46-48
    4.3.1 轴向推动力和液体力矩的结果分析  46
    4.3.2 流场分布图结果分析  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章 基于双向流固耦合的数值模拟  49-65
  5.1 流固耦合力学简介  49-50
  5.2 基于流固耦合的血管机器人模型数值模拟  50-52
    5.2.1 计算模型和网格划分  50-51
    5.2.2 定义边界条件和求解器参数  51-52
  5.3 弹性血管壁模拟结果与分析  52-55
    5.3.1 壁面变形  52-54
    5.3.2 壁面剪切应力  54-55
  5.4 刚性壁与弹性壁模型血流动力学对比分析  55-63
    5.4.1 血管机器人的轴向推力和轴向力矩  56-57
    5.4.2 压力结果比较分析  57-59
    5.4.3 速度结果比较分析  59-60
    5.4.4 速度流线结果比较分析  60-62
    5.4.5 壁面压力结果对比分析  62-63
  5.5 介入器械流固耦合的局限性  63
  5.6 本章小结  63-65
第六章 血管结构对血管机器人两相流场特性的影响  65-97
  6.1 个体化动脉血管建模  65-66
  6.2 血流多相流模型  66-67
    6.2.1 多相模型的选择  66-67
    6.2.2 欧拉多相模型的基本方程  67
  6.3 无介入治疗时血液流场的数值验证  67-75
    6.3.1 数值模拟的相关参数设置  68
    6.3.2 计算结果  68-75
  6.4 血管机器人介入硬化血管数值模拟  75-82
    6.4.1 几何模型  75-76
    6.4.2 计算结果  76-82
  6.5 血管机器人介入主动脉分叉血管  82-89
    6.5.1 几何模型  82-83
    6.5.2 计算结果  83-89
  6.6 血管机器人介入动脉弯曲管  89-95
    6.6.1 几何模型  89
    6.6.2 计算结果  89-95
  6.7 本章小结  95-97
第七章 结论与展望  97-101
  7.1 研究总结  97-98
  7.2 创新点  98-99
  7.3 展望  99-101
攻读硕士学位期间取得的研究成果  101-102
致谢  102-103
参考文献  103-105

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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