《生殖過程生物流體問題的數值模擬研究》是依託吉林大學，由施衛平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：生殖過程生物流體問題的數值模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：施衛平
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
數值模擬與生殖相關的生物流體力學現象對醫治不孕症、優生、減少遺傳疾病和提高人類健康水平都會發揮重要作用，是力學與生命科學交叉的前沿研究領域。本項目用計算流體力學方法模擬精子的遊動和卵子的運輸、子宮通過蠕動運輸胚胎的方法。針對生物組織的柔性特性，建立數值計算模型，模擬此類具有運動邊界的流體力學問題。將格子波爾茲曼方法與浸沒邊界方法相結合，提出處理生物柔性邊界的計算流體力學方法。格子波爾茲曼方法是高度並行的算法，適合處理複雜流動及複雜的邊界條件。擬解決的關鍵問題是生物體的柔性結構與流體相互作用的流固耦合問題。具體做法是首先建立結合浸沒邊界的格子波爾茲曼模型，規則的歐拉格線用於流體區域的計算，而拉格朗日格線用於確定精子的位置；建立子宮壁蠕動的力學模型，計算宮腔內液體與胚胎的運動。模擬結果將對精子活力分析和鑑定、提高胚胎移植的成功率、某些疾病的檢測和診斷都有重要意義。
結題摘要
本項目套用數值模擬方法分析生殖過程中的生物流體問題，重點模擬胚胎移植過程和精子遊動的動力學問題。（1）建立一個數學模型，模擬胚胎隨移植液注入子宮腔內的流動過程。此模型能夠計運算元宮腔內的兩相流混合物、追蹤胚胎（認為是懸浮顆粒）的運動軌跡，預測胚胎的著床位置。用此模型分析移植液粘度對注入過程的影響。模擬結果顯示：當粘度大時，被注入的移植液在子宮內呈扇形分布；當粘度小時，呈橢圓形分布。得到大量胚胎移植過程中子宮腔內液體流動的圖像和動畫，可用於胚胎移植技術的教學演示。為了提高胚胎移植的成功率，通過多種情況的數值模擬，總結出了以下臨床操作方法：(a)移植液的粘度應該接近子宮內液的粘度；(b)移植導管前端距子宮底的距離應大於10mm；(c)移植導管拔出的時間應在注入移植液完成5秒之後。分析了液體中攜帶的胚胎（即懸浮顆粒）的受力，考慮液體對胚胎的作用力包含隨機作用力，運用Fokker-Planck方程模擬胚胎的運動。考慮子宮壁面的皺褶和輸卵管壁面的纖毛，即壁面的不光滑表面，數值模擬了粘性液體流過不光滑表面的流動特性。 （2）建立了人類精子遊動的計算模型，確定了精子尾部螺旋式擺動的數學描述方式，模擬了精子遊動的動力學過程。採用動格線技術實現精子尾部的擺動，從動力學方面模擬精子依靠尾部的擺動推進自身向前運動。通過計算得到精子周圍液體流動速度。醫學檢測顯示，不同人的精子，其尾部擺動的頻率和振幅有一定的差別。本項目的計算結果顯示，精子擺動頻率、振幅與精子運動的能量消耗功率之間是線性關係。本項目的結果對醫治不孕不育、避孕、優生有重要的指導意義，是流體力學、計算機仿真模擬及生殖醫學結合的交叉研究內容。(3)取得的成果：發表論文9篇，其中SCI論文4篇，EI論文1篇。 在國際學術會議上作報告1次，國內學術會議作報告2次，包括主旨報告1次。培養博士研究生5人，碩士研究生4人。一名項目參加人晉升副教授。論文Biofluid flow simulation of embryo transfer (ISTP收錄)被收錄在第6屆國際流體力學會議論文集。2011年召開的中國力學大會上，項目負責人在生物力學分會場作了主旨報告，題目是：胚胎移植過程中生物流體流動的數值模擬。
