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Fluent案例:腎動脈RDN治療過程的仿真
時間:2023年01月06日
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腎動脈消融(Renal denervation,簡稱RDN)是一種治療高血壓的辦法,其基本原理為利用插入腎動脈的電極消融導管進行射頻消融,使腎動脈血管壁附近的交感神經因高溫而損傷失活,減少神經系統過度活躍的信號刺激。

RDN原理示意圖(圖源:www.cirse.org)

RDN治療過程對治療區域的溫度控制有很高要求,溫度太高會導致腎動脈的血管受損;溫度太低治療無效。因此利用ANSYS Fluent仿真,了解血管和周圍軟組織的溫度分布情況,確保溫度處于合適范圍內。


Fluent案例:
腎動脈RDN治療過程的仿真

仿真思路概述


計算域如圖所示,包括血液、血管壁、周圍組織。消融設備僅保留和血液接觸的外表面,不考慮內部的結構。

此問題同時涉及三個物理場:電場、流場、溫度場。

1.1 電場處理

電場激勵源為射頻信號,其頻率為MHz量級,變化周期相對于秒級的加熱過程太短,可簡化為設備外表面的固定電壓,其電壓值為射頻信號的有效值。計算域的外邊界為0電壓。

簡化后,整個電場為靜電場,滿足電勢的擴散方程,且為定常。電場的傳播速度為光速,可認為在通電的一瞬間立刻完成,不考慮電場的傳播分布。

1.2 流場和溫度場處理

根據解剖學,人體腎動脈的入口直徑范圍為5 - 7mm,分叉處直徑范圍3 - 3.5mm,分叉角度約為50°。其入口速度大約為50cm/s左右。可推算,血流雷諾數在1000左右,為層流狀態.

組織溫度分布的影響因素包括:電場的焦耳熱、血流和周圍組織中的熱對流和熱傳導。


Fluent案例:
腎動脈RDN治療過程的仿真

網格劃分


幾何模型采用Ansys Discovery軟件進行建模處理。

計算域總覽

采用Fluent Meshing劃分多面體網格,其尺寸范圍0.04 - 1 mm,總數約130萬。

網格總覽

消融設備區域網格細節


Fluent案例:
腎動脈RDN治療過程的仿真

模型設置


1

穩態仿真:計算電場和血流分布


穩態仿真中,電場模型必須開啟焦耳熱選項。計算域溫度統一為37℃。


2

瞬態仿真:計算溫升過程


瞬態仿真中,將凍結第一步計算的電場和流場,成為一個單純的熱傳導過程,以節約計算量。

穩態仿真中關閉能量方程

穩態仿真中關閉能量方程


Fluent案例:
腎動脈RDN治療過程的仿真

仿真結果


血液速度分布

計算域電勢分布

計算域焦耳熱功率分布

血管最高溫度變化

周圍組織最高溫度變化