肾动脉消融(Renal denervation,简称RDN)是一种治疗高血压的办法,其基本原理为利用插入肾动脉的电极消融导管进行射频消融,使肾动脉血管壁附近的交感神经因高温而损伤失活,减少神经系统过度活跃的信号刺激。
RDN原理示意图(图源:www.cirse.org)
RDN治疗过程对治疗区域的温度控制有很高要求,温度太高会导致肾动脉的血管受损;温度太低治疗无效。因此利用ANSYS Fluent仿真,了解血管和周围软组织的温度分布情况,确保温度处于合适范围内。
一Fluent案例:
肾动脉RDN治疗过程的仿真
仿真思路概述
计算域如图所示,包括血液、血管壁、周围组织。消融设备仅保留和血液接触的外表面,不考虑内部的结构。
此问题同时涉及三个物理场:电场、流场、温度场。
1.1 电场处理
电场激励源为射频信号,其频率为MHz量级,变化周期相对于秒级的加热过程太短,可简化为设备外表面的固定电压,其电压值为射频信号的有效值。计算域的外边界为0电压。
简化后,整个电场为静电场,满足电势的扩散方程,且为定常。电场的传播速度为光速,可认为在通电的一瞬间立刻完成,不考虑电场的传播分布。
1.2 流场和温度场处理
根据解剖学,人体肾动脉的入口直径范围为5 – 7mm,分叉处直径范围3 – 3.5mm,分叉角度约为50°。其入口速度大约为50cm/s左右。可推算,血流雷诺数在1000左右,为层流状态.
组织温度分布的影响因素包括:电场的焦耳热、血流和周围组织中的热对流和热传导。
二Fluent案例:
肾动脉RDN治疗过程的仿真
网格划分
几何模型采用Ansys Discovery软件进行建模处理。
计算域总览
采用Fluent Meshing划分多面体网格,其尺寸范围0.04 – 1 mm,总数约130万。
网格总览
消融设备区域网格细节
三Fluent案例:
肾动脉RDN治疗过程的仿真
模型设置
1稳态仿真:计算电场和血流分布
稳态仿真中,电场模型必须开启焦耳热选项。计算域温度统一为37℃。
2瞬态仿真:计算温升过程
瞬态仿真中,将冻结第一步计算的电场和流场,成为一个单纯的热传导过程,以节约计算量。
稳态仿真中关闭能量方程
稳态仿真中关闭能量方程
四Fluent案例:
肾动脉RDN治疗过程的仿真
仿真结果
血液速度分布
计算域电势分布
计算域焦耳热功率分布
血管最高温度变化
周围组织最高温度变化
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