9071509 史洋洋 基于流固耦合理论的SUI患者尿动力学研究 史洋洋（终稿）.docx
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2022-06-19 09:36:53上传
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8.93 MB
摘 要
- I -
大学工程硕士专业学位论文
- 90 -
中文图书分类号：TH137
密 级：公开
UDC：621.6
学 校 代 码：10005
硕 士 学 位 论 文
MASTERAL DISSERTATION
论 文 题 目
：
基于流固耦合理论的SUI患者尿动力学研究
摘 要
- III -
大学工程硕士专业学位论文
- II -
论 文 作 者
：
史洋洋
学 科
：
机械工程
指 导 教 师
：
张小军 副教授
论文提交日期
：
2020年5月
摘 要
随着人口老龄化问题的日益突出，压力性尿失禁疾病(stress urinary incontinence，SUI)的临床病例，特别是女性患者的数量在不断增加。目前，压力性尿失禁的临床诊断多依赖于尿动力学检查，然而尿动力学检查因步骤复杂、价格昂贵、可重复性较差，同时属于侵入性操作、患者心理抵触等原因，在临床上不易被患者接受。为此，本文基于流固耦合理论，依据患者临床诊断影像学数据，针对女性SUI患者的尿动力学特性，开展数值仿真与分析研究，为SUI患者的诊断与治疗提供一种有效分析手段。同时，本文提出的尿路系统生物仿真模型，能为今后临床无创性尿路检测技术奠定理论基础。
首先针对现有流固耦合理论进行对比分析，确定了本文流固耦合模型的耦合形式及其数值方法。考虑到下尿路中尿液对壁面的影响，以及壁面变形对流场的影响，本文选用单向流固耦合和双向流固耦合相结合的方式进行求解分析。同时，通过比较FLUENT和CFX两种耦合方法的求解过程及其优缺点，最终选用更加适合于复杂模型的FLUENT进行求解。然后在抽象化模型上运用所选则的流固耦合模型进行仿真计算，结果显示该模型能够在计算中较快收敛，为计算过程节约时间。通过对仿真结果云图分析，得出尿道括约肌在控尿和排尿过程中的关键作用，因此，有必要开展个体化模型的数值仿真研究。
摘 要
- III -
大学工程硕士专业学位论文
- 90 -
其次，依据临床SUI患者的核磁共振影像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI)数据，建立具有个体化特征的下尿路三维实体模型。首先通过Mimics、Geomagic Studio和SolidWorks软件，对MRI数据进行预处理。其次经过图像分割、点云数据提取、点处理、多边形处理、精确曲线、精确曲面、实体化和力学性能研究等几个阶段的建模，成功建立了包括膀胱、膀胱颈、尿道、括约肌、输尿管的下尿路三维实体模型。
然后，为了全面了解下尿路流场和软组织分布规律，并找出控制排尿的关键因素，对所建模型进行单向流固耦合和双向流固耦合仿真研究。首先对尿液流动的雷诺数进行估算，将尿液流动模拟为不可压缩和非定常的连续性牛顿流体。然后通过尿液流场仿真得出流场具有较大压力差的结论；通过单向流固耦合仿真得出，在排尿过程中最大等效应变和最大Mises应力均出现在尿道括约肌处；通过双向流固耦合仿真得出，软组织在排尿过程中总变形的分布由膀胱尖向尿道依次成波浪形减小，括约肌处的Mises应力和等效应变远远高于其它部位，说明了括约肌在控尿过程中的关键作用。
最后，以尿道括约肌处相关生理结构角度为核心，通过对比分析不同膀胱尿道后角和尿道倾斜角对尿路系统的影响，初步得出SUI形成的力学机制。首先对比分析105°、120°和135°膀胱尿道后角模型得出，在排尿过程中，随着膀胱尿道后角的增大，括约肌对尿液的控制作用减弱，膀胱变形更加明显，膀胱颈和括约肌处流速更大，更加容易产生压力性尿失禁。然后通过分析30°、45°和60°尿道倾斜角模型得出，随着尿道倾斜角的增大，膀胱颈和括约肌附近的流场流速、压力也逐渐增大，则下尿路软组织的变形也更加明显，使得括约肌对尿液的控制作用减弱，从而导致压力性尿失禁。
关键词：压力性尿失禁；MRI建模；流固耦合；尿动力学
Abstract
大学工学硕士学位论文
Abstract
As the population aging problem becomes increasingly prominent, the number of clinical cases of stress urinary incontinence (SUI), especially female patients, is increasing. At present, the clinical diagnosis of stress urinary incontinence mostly depends o
- I -
大学工程硕士专业学位论文
- 90 -
中文图书分类号：TH137
密 级：公开
UDC：621.6
学 校 代 码：10005
硕 士 学 位 论 文
MASTERAL DISSERTATION
论 文 题 目
：
基于流固耦合理论的SUI患者尿动力学研究
摘 要
- III -
大学工程硕士专业学位论文
- II -
论 文 作 者
：
史洋洋
学 科
：
机械工程
指 导 教 师
：
张小军 副教授
论文提交日期
：
2020年5月
摘 要
随着人口老龄化问题的日益突出，压力性尿失禁疾病(stress urinary incontinence，SUI)的临床病例，特别是女性患者的数量在不断增加。目前，压力性尿失禁的临床诊断多依赖于尿动力学检查，然而尿动力学检查因步骤复杂、价格昂贵、可重复性较差，同时属于侵入性操作、患者心理抵触等原因，在临床上不易被患者接受。为此，本文基于流固耦合理论，依据患者临床诊断影像学数据，针对女性SUI患者的尿动力学特性，开展数值仿真与分析研究，为SUI患者的诊断与治疗提供一种有效分析手段。同时，本文提出的尿路系统生物仿真模型，能为今后临床无创性尿路检测技术奠定理论基础。
首先针对现有流固耦合理论进行对比分析，确定了本文流固耦合模型的耦合形式及其数值方法。考虑到下尿路中尿液对壁面的影响，以及壁面变形对流场的影响，本文选用单向流固耦合和双向流固耦合相结合的方式进行求解分析。同时，通过比较FLUENT和CFX两种耦合方法的求解过程及其优缺点，最终选用更加适合于复杂模型的FLUENT进行求解。然后在抽象化模型上运用所选则的流固耦合模型进行仿真计算，结果显示该模型能够在计算中较快收敛，为计算过程节约时间。通过对仿真结果云图分析，得出尿道括约肌在控尿和排尿过程中的关键作用，因此，有必要开展个体化模型的数值仿真研究。
摘 要
- III -
大学工程硕士专业学位论文
- 90 -
其次，依据临床SUI患者的核磁共振影像(Magnetic Resonance Imaging ,MRI)数据，建立具有个体化特征的下尿路三维实体模型。首先通过Mimics、Geomagic Studio和SolidWorks软件，对MRI数据进行预处理。其次经过图像分割、点云数据提取、点处理、多边形处理、精确曲线、精确曲面、实体化和力学性能研究等几个阶段的建模，成功建立了包括膀胱、膀胱颈、尿道、括约肌、输尿管的下尿路三维实体模型。
然后，为了全面了解下尿路流场和软组织分布规律，并找出控制排尿的关键因素，对所建模型进行单向流固耦合和双向流固耦合仿真研究。首先对尿液流动的雷诺数进行估算，将尿液流动模拟为不可压缩和非定常的连续性牛顿流体。然后通过尿液流场仿真得出流场具有较大压力差的结论；通过单向流固耦合仿真得出，在排尿过程中最大等效应变和最大Mises应力均出现在尿道括约肌处；通过双向流固耦合仿真得出，软组织在排尿过程中总变形的分布由膀胱尖向尿道依次成波浪形减小，括约肌处的Mises应力和等效应变远远高于其它部位，说明了括约肌在控尿过程中的关键作用。
最后，以尿道括约肌处相关生理结构角度为核心，通过对比分析不同膀胱尿道后角和尿道倾斜角对尿路系统的影响，初步得出SUI形成的力学机制。首先对比分析105°、120°和135°膀胱尿道后角模型得出，在排尿过程中，随着膀胱尿道后角的增大，括约肌对尿液的控制作用减弱，膀胱变形更加明显，膀胱颈和括约肌处流速更大，更加容易产生压力性尿失禁。然后通过分析30°、45°和60°尿道倾斜角模型得出，随着尿道倾斜角的增大，膀胱颈和括约肌附近的流场流速、压力也逐渐增大，则下尿路软组织的变形也更加明显，使得括约肌对尿液的控制作用减弱，从而导致压力性尿失禁。
关键词：压力性尿失禁；MRI建模；流固耦合；尿动力学
Abstract
大学工学硕士学位论文
Abstract
As the population aging problem becomes increasingly prominent, the number of clinical cases of stress urinary incontinence (SUI), especially female patients, is increasing. At present, the clinical diagnosis of stress urinary incontinence mostly depends o
9071509 史洋洋 基于流固耦合理论的SUI患者尿动力学研究 史洋洋（终稿）
