顱內動脈瘤血流動力學的格子Boltzmann 建模與仿真

《顱內動脈瘤血流動力學的格子Boltzmann 建模與仿真》是依託華中科技大學，由施保昌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：顱內動脈瘤血流動力學的格子Boltzmann 建模與仿真
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：施保昌
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

顱內動脈瘤是嚴重危害人類健康的最常見疾病之一，新興的支架介入療法有望成為最佳治療手段。血流動力學作為影響顱內動脈瘤產生、發展、破裂和治療的主要因素，受到國內外學者的廣泛關注。傳統數值方法在研究顱內動脈瘤血流動力學方面會受到血液流體特性、血管複雜幾何結構、血管與支架的不同尺度和大規模計算量等諸多瓶頸的限制。本項目擬基於三維醫學影像數據，通過發展介觀格子Boltzmann 模型，並藉助高性能計算技術來研究顱內動脈瘤血流動力學行為特徵。主要研究內容包括：構建準確描述顱內動脈瘤血液流動特性的非牛頓格子Boltzmann 模型以及能刻畫真實物理情形的高效邊界處理格式；設計基於GPU/CPU 異構系統的高性能算法；開展顱內動脈瘤血流動力學方面的相關數值模擬與機理分析。本研究可為深入認識顱內動脈瘤病理和生理學機制提供血流動力學方面的理論依據，進而為個體化支架介入治療方法提供快捷、精確的技術支持。

結題摘要

顱內動脈瘤是嚴重危害人類健康的最常見疾病之一，新興的支架介入療法有望成為其最佳治療手段。然而，顱內動脈瘤及載瘤血管內的血液流動受到複雜幾何形態、生理條件、生物力學等諸多因素的影響，是典型的複雜流動，現有的臨床觀測、動物實驗和體外實驗等研究手段受到了很大的限制。因此，顱內動脈瘤血流動力學的研究迫切需要發展通用、高效的數值方法。 本項目基於三維醫學影像數據，通過完善和發展介觀格子Boltzmann（LB）模型，並藉助高性能計算技術對顱內動脈瘤血流動力學行為進行了深入的研究，取得了豐碩的成果。主要成果包括：(1) 提出一個高效的圖像去噪、邊緣檢測和分割的LB模型。該模型不僅適用於醫學的圖像，而且也可用於某些複雜的自然圖像；提出了一類新的正交變換：slantlet-Walsh變換，給出了其遞歸生成和“即位的”快速算法，推廣了Walsh變換、Haar變換、斜變換等諸多已有的正交變換。(2) 針對血液流可能涉及的流動、傳質傳熱現象，運用正則化、修正和多鬆弛技術，分別構建了三種求解對流擴散方程和兩種求解Navier-Stokes方程的、穩定性好的LB模型。(3) 基於多組分相場理論，提出了一個穩定性好、能更準確地捕捉兩相界面的多鬆弛LB模型，並依此建立了一個軸對稱兩相LB模型；進而，發展了一個有效的、三相不可壓流動的LB模型，該模型能很好地捕獲三相界面。(4) 基於CUDA語言和MPI技術，針對顱內動脈瘤複雜流場結構的特點，在GPU平台上設計了兩種高效算法。在配有4塊TeslaC1060 GPU的工作站上進行了測試，兩種算法都達到近線性的加速比。(5) 運用所建立的模型和算法，詳細考察了動脈瘤和載瘤血管的幾何形狀、置入支架的形狀和孔隙率、非牛頓效應、邊界條件等重要因素對血流動力學的影響。 本研究不僅可為深入認識顱內動脈瘤病理和生理學機制提供血流動力學方面的理論依據，進而為個體化支架介入治療方法提供快捷、精確的技術支持，而且相關的模型、方法和結果也可以套用於其它類似的複雜流動和傳質傳熱問題。